Bredvid iskanten

Posted on by Elin Darelius

När jag tittade ut genom fönstret tidigare idag när jag var på väg ned till matsalen var allt jag såg en vit vägg. En vit vägg av is som sträckte sig både åt höger och vänster så långt ögat kunde nå (vilket inte var så väldigt långt efter som det snöade lätt och dimman, precis som så många andra dagar i det sista, envisades med att förfölja oss). Det var Dotson shelfisen, en av de mindre shelfiserna i Amundsenhavet, som majestätiskt tornade upp sig framför oss. Biologerna hade en station precis framför iskanten och ett av planktonnäten var precis på väg ner i djupet. Runt middagsbordet gick diskussionen het – hur hög är egentligen den där väggen vi ser? Tio meter? Tjugo? Trettio? Gissningarna haglade – men ingen hade svaret. Så när middagen (bläckfisk, friterad sötpotatis och ris) var avklarad gick vi upp på bron och bad kaptenen om att få låna sextanten (google eller wikipedpia kan nog förklara vad det är bättre än jag) . Medan en av matroserna letade i skåpen efter den så tog vi en titt på radarskärmen och noterade att avståndet till väggen var en halv sjömil (1 sjömil= 1852m). Innan matrosen hade hittat vad han letade efter (och innan vi lärt oss hur sextanten fungerar) var planktonnätet uppe på däck och vi var på väg till nästa station. När vi äntligen mätte vinkeln (0.77 grader) var avståndet till väggen 1.5 sjömil. Hur hög var väggen? Den som vill vara riktigt noggrann behöver också veta att bron är 16.7 meter över havet och att sextanten var 1.5 m över golvet när vi mätte vinkeln. Men skillnaden mellan att vara “noggrann” och att förenkla (det finns många sätt att göra det på) problemet är förvånadsvärt liten!

DSC_0022
Ett, två, tre hopp! (Foto: Elin Darelius Chiche)

När båten stannar igen är “väggen” fortfarande där. CTD:n ska i vattnet. De koreanska oceanograferna jobbar i skift och det är alltid någon på vakt i CTD-rummet. Just nu är det Ta-wan som sitter framför den stora skärmen och knappar på datorn medan matroserna gör klar vinschen och själva CTD:n ute på däck. Det har börjat snöa igen och det blåser kallt, så jag stannar kvar i värmen inne hos Ta-wan. Radion sprakar till och jag hör några korta meningar på koreanska – samtidigt dyker det upp röda, gröna och vita linjer på skärmen framför oss, så meddelandet förkunnade tydligen att CTD:n nu är i vattnet. CTD:n får stå kvar i ytan en stund, tills pumpen (som ser till att samma vatten kommer till de olika sensorerna) har startat och allt fungerar som det ska. Sen bär det iväg ner i djupet! Graferna ritas upp “live” och linjerna på skärmen blir längre allt eftersom kabeln rullas ut och CTD:n sjunker ner. De första 30-40 metrarna är vattnet är vattnet relativt färskt (33.9) och mellan 0-0.5C; det här är ytlagret, det har blandats av vinden, värmts av solen och blivit färskt därför att det spätts ut med smältvatten från smältande havsis, snö och isberg. När vi lämnar ytlagret stiger salthalthalten till 34.2 och temperaturen sjunker till -1.5C och sen förblir både salthalt och temperatur ganska konstant i flera hundra meter. Det är “vinter vatten”, vatten som kylts av under vintern.

CTD
CTD:n är på väg ner i djupet framför Dotson shelf-isen. (Foto: Elin Darelius Chiche)

Tillbaka till skärmen där trycksensorn visar att vi nu nått ner till 400 m och där både temperaturen och salthalten plöstligt börjat stiga. Den blåa linjen, den som visar temperatur, försvinner till slut ut från figuren. Medan Ta-wan knappar på tangentbordet för att ändra skalan på grafen så tippar vi andra hur högt den kommer gå. När Ta-wan fått ordning på figuren kan vi konstatera att Karen och Göteborgs Universitet gått av med segern, och att det varmaste vattnet här inne vid shelfisen är 0.64 C. Det här är det varma vatten vi är här för att studera, “Circumpolar Deep Water”,som funnit vägen upp på kontinentalsockeln och strömmar söderut mot shelfisen längst botten av Dotson Trough (kanske den kan kallas Dotson Rännan på svenska/norska?), en djup ränna som isen själv grävt ut en gång för länge sen när klimatet var kallare och istäcket över Antarktis var mycket större och tjockare än vad det är i dag.

CTD:n har nått botten och framför oss på skärmen ser vi tre lager med vatten, eller tre vattenmassor, som vi oceanografer skulle kalla dem. Vattnet med lägst densitet, det lättaste vattnet, flyter överst (precis som när lätt olja flyter på tungt vattnet) och vattnet med högst densitet ligger underst. Men nu räcker det med oceanografi för i dag. Klockan blivit åtta och jag lämnar Ta-wan och de andra i CTD-rummet och beger mig upp till träningsrummet och pingisbordet. Povl (en dansk oceanograf som sedan många år jobbar på British Antarctic Survey i Cambridge, UK) och jag har blivit utmanade av Monsieur Park och Isabelle från L’Ocean i Paris, så här gäller det att kavla upp ärmarna och försvara de skandinaviska färgerna!

DSC_0430_LR
Ett av de vackrare isbergen vi seglat förbi! (Foto: Elin Darelius Chiche)

 

Ps – medan vi var uppe och spelade pingis så satte Nicole (från Rutgers University, USA) en “glider” i vattnet. Glidern kan ändra sin volym (och därmed sin densitet, eftersom massan inte ändras) och med hjälp av sina vingar kan den, fullastad med sensorer, därmed flyga upp och ned i vattnet. En självgående CTD, helt enkelt! När den är uppe i ytan skickar den hem data och position via sateliter, och den kan också ta emot nya order om vart den ska simma, hur djupt den ska dyka, och vilka sensorer som ska vara på. Om ni går in på www.marine.rutgers.edu/cool/auvs och letar efter glider RU25 så kan ni se vad glidern har gjort och vad den samlat in för data!

glider
Nicoles glider på väg ner i vattnet (vingarna är inte monterade ännu) (Foto: Elin Darelius Chiche)

 

Ps 2 – Skandinavien vann!

Oppgaver og øvelser

Norsk

Svenska

Alongside the ice shelf

Posted on by Elin Darelius

When heading down for dinner earlier today I glanced out through my window and all I saw was a white “wall”. A white wall of ice extending to the right and the left for as far as I could see (which admittedly wasn’t very far, since it was snowing and a light mist caused the horizon to disappear). We are in front of the Dotson ice shelf, one of the smaller ice shelves in the Amundsen Sea. The biologists had a station right at the ice shelf front, and one of the plankton nets just went down into the water. How high is the wall? Ten meters? Twenty? Thirty? There was a lively discussion around the dinner table and there were plenty of guesses – but no answer, so when the dinner (squid, sweet potatoes and rice) was finished we all headed up to the bridge and asked the captain if we could borrow the sextant (Google or Wikipedia will do a better job explaining what it is than I’d do). We had a look at the radar screen while one of the deck hands searched in the cupboard for the sextant. The wall was half a nautical mile (1 nm=1852 m) away. Before we the sextant was located (and before we’d learnt how to use it) the plankton net was back on deck and we were heading to the next station. When we finally managed to measure the angle (0.77 degrees) the wall was 1.5 nm away. Now, how high was the wall? If you want to do it correctly, you also need to know that the bridge is 16.7m above sea level and the sextant was 1.5m above the floor. But does it matter if you do it “correctly”? The difference between the “correct” solution and the simplified solution is surprisingly small!

DSC_0022
One, two, three, jump! (Photo: Elin Darelius Chiche)

When Araon stops again the “wall” is still there, we are still along the front of the Dotson ice shelf. The CTD is going into the water. The
Korean oceanographers are working in shifts and there is always someone on guard in the CTD-room. This time it is Ta-wan who is placed in front of the big CTD-screen while the deck hands are preparing the winch and the CTD outside. It is snowing and the wind is rather chilly, so I decide to stay inside with Ta-wan. The radio calls for attention and I hear a few short sentences in Korean – at the same time, the screen comes to live in front of Ta-wan. The CTD has gone into the water. We wait with the CTD just below the surface until the pump has started and everything is working as it should. Then, down she goes! The data collected by the CTD is displayed “live” on the screen in front of us, and the lines grows longer as the CTD sinks down. During the first 30-40 meters the water is relatively fresh (33.9) and the temperature between 0C and 0.5C; this is the surface layer – mixed by the wind, warmed by the sun and freshened because it’s been diluted by meltwater from melting sea ice and ice bergs. When we go deeper, the salinity increases to 34.2 and the temperature sinks to -1.5C, and it then remains roughly constant for several hundreds of meters. This is “winter water”, water that has been cooled down during winter.

CTD
CTD measurements alongside the Dotson ice shelf. (Photo: Elin Darelius Chiche)

Back to the screen; the pressure sensor shows us that we’ve reached down to 400 m depth and the temperature and the salinity has started to increase. The blue line that shows the temperature is heading out of the figure, off the scale. While Ta-wan searches through the menus on the side to change the scale, the rest of us places bets on the maximum temperature. When the scale is changed and the blue line is back on the screen we learn that the winner isŠ Karen and the University of Gothenburg! The warmest water reaching the front of the ice shelf was 0.64C – this is the water we are here to study, the “circumpolar deep water” that has found its way onto the continental shelf and southward towards the ice shelf through the Dotson trough, a deep trough that the ice has carved a long time ago when the climate was colder and the Antarctic ice sheet was bigger and thicker than it is today.

The CTD has reached the bottom and we see three layers of water on the screen. Three layers, or water masses, as we oceanographer would call them. The water with the lowest density is floating on top – just like the light oil floats on top of the heavier water – and the water with the highest density at the bottom.

But enough oceanography for today – the clock has just struck eight and I leave Ta-wan and the others in the CTD-room to head to the training room and the ping-pong table. Povl ( a Danish oceanographer working at British Antarctic Survey in Cambridge, UK) and I have been challenged by Monsieur Park and Isabelle from L’Ocean in Paris, so we’ll have to stand up to defend the Scandinavian colors.

DSC_0430_LR
One of the most beautiful ice shelfs. (Photo: Elin Darelius Chiche)

Ps – while we were up playing tabletennis Nicole (from Rutgers University,US) deployed her glider. The glider can change its volume (and hence its density) and using it swings it can fly up and down through the water carrying with it a bunch of sensors – an autonomous CTD! While at the surface, it sends home data, position via satellites, and at the same time it receives new orders about where to swim, how deep to dive, what sensors to turn on etc. If you visit www.marine.rutgers.edu/cool/auvs and look for glider RU25 you can see what her glider is up to!

glider
Nicole’s glider dives into the water (the wings are not mounted yet)(Photo: Elin Darelius Chiche)

Ps 2 – Scandinavia won!

 

Do the Math! Salinity, temperature and density

 

Experiments:

Preparing a layered drink

Build your own thermometer!

How much salt is there in the ocean?

Oppgaver: Saltholdighet, temperatur og tetthet.

Posted on by Elin Darelius
DSC_0240
Vakre bølger i Antarktis! Foto: Elin Darelius Chiche

Vi oseanografer snakker ofte om «vannmasser». Dette er vann med ulikt opphav og som derfor har ulik saltholdighet og temperatur. Vi snakker for eksempel om Atlantisk vann som er varmt og salt, om Antarktisk overflatevann som er kaldt og ferskt, og om Antarktisk sokkelvann som er kaldt og salt. Vannets saltinnhold og temperatur bestemmer dets tetthet; kaldt vann er tyngre enn varmt vann, ferskt vann er letter enn salt.

Det er i stor grad atmosfæren som bestemmer vannmassenes egenskaper. Der det er varmt varmes opp, der det er kaldt kjøles det ned. Saltholdigheten bestemmes av fordampning, ferskvannstilførsel (fra elver og bekker eller fra regn eller snø), og av isdannelse. Når det dannes is om vinteren, er det vannmolekylene som fryser. Det meste av saltet blir skilt ut, og saltholdigheten i vannet under øker. I grunne områder der det dannes mye is – for eksempel på noen av kontinentalsoklene i Antarktis – kan vannet bli veldig salt og dermed veldig tungt. Når isen senere smelter om våren så dannes det et ferskt lag på toppen av det salte. I oppgaven her snakkes det om “Circumpolar Deep Water”, CDW. CDW er egentlig en blanding av flere vannmasser, blant annet vann som kommer helt fra Nord-atlanteren. CDW har en temperatur mellom 1 og 2 grader og en saltholdighet mellom 34.62 og 34.73. Saltholdigheten har merkelig nok ingen enhet, men det tilsvarer omtrent promille. Om saltholdigheten er 1 så er det 1 gram salt per kilo vann. Saltholdigheten i havet er typisk 35, eller ca. 3,5%.

I et TS-diagram (en figur med saltholdighet på x-aksen og temperatur på y-aksen; se figur) blir en vannmasse til et punkt eller en liten boks. Blander vi to vannmasser kommer blandingen til å ha en saltholdighet og en temperatur som ligger på rett linje mellom de to originale vannmassene.

 

TS-diagram. De røde boksene viser saltholdighet og temperatur til CDW og WW (se tekst). De stiplete linjene er isopyknaler – alle vannmasser som ligger på en isopyknal har samme tetthet.
TS-diagram. De røde boksene viser saltholdighet og temperatur til CDW og WW (se tekst). De stiplete linjene er isopyknaler – alle vannmasser som ligger på en isopyknal har samme tetthet. Den svarte linjen viser vannets frysepunkt.

Oppgave 1

Du har to flasker A og B med havvann der \(S_A\)=33.2, \(T_A\)=4C og \(S_B\)=34.8, \(T_B\)=1C. Tegn dem inn i et TS-diagram.

a) Hvilken saltholdighet og temperatur har en blanding som består av 50% A og 50% B ?

b) Hvilken saltholdighet og temperatur har en blanding som består av 10% A og 90% B ?

c) Hvilken saltholdighet og temperatur har en blanding som består av 73% A og 27% B ?

d) Tegn inn dine blandinger i TS-diagrammet.Hva ser du?

e) Om du har en tredje vannmasse der \(S_C\)=33.7, \(T_A\)=0C – hvilke blandinger kan du få da?

 

Oppgave 2

a) Les inn og plott temperatur og saltholdighet fra riggen S4, 320 m dybde som en funksjon av tid (Filen heter: Riggdata_S4_TS.txt).

b) Tiden er gitt i dager siden 1. Januar 2012. Hvilken dag ble riggen satt ut? Når ble de tatt opp igjen?

c) Hva er middel temperatur/saltholdighet og standardavvik?

d) Ser du noen sesongvariasjon? Kan den beskrives med en sinusfunksjon? Hvorfor / hvorfor ikke?

e) Plott temperatur som en funksjon av saltholdighet, hva ser du? Kan du beskrive forholdet mellom salt og temperatur med hjelp av lineær regresjon?

f) Et instrument i nærheten målte S=34.25, S=34.6 og S= 33.9 – hva tror du temperaturen var?

g) Er dine svar på oppgaven ovenfor rimelige? Havvann fryser ved -1.9C. For hvilke saltholdigheter er din regresjon gyldig?

h) Observasjonene viser at vannet vi observerer ved riggen er en blanding av CDW (Circumpolar Deep Water) og WW (Winter Water). Hvilke egenskaper har vårt CDW? WW har vanligvis en temperatur på -1.9C. Observerer vi rent WW på riggen? Bruk regresjonen til å bestemme hvilken saltholdighet WW har.

i) Du har nå bestemt egenskapene (S og T) på WW og CDW. Hvilken temperatur og saltholdighet får en blanding av 10% CDW og 90%WW? 50% av begge? 75% CDW og 25% WW?

j) Hvilken temperatur har vann som har en saltholdighet på 34.45? Hvor stor del av vannet er CDW og WW?

 

Oppgave 3

Vannets tetthet – dvs. hvor mye 1 m\(^3\) vann veier – er avhengig av hvilken temperatur og hvilken saltholdighet det har. Kaldt vann er tyngre enn varmt, ferskt vann er lettere enn salt. Sammenhengen mellom S, T og tetthet er komplisert, men for små endringer i salt og temperatur så er forholdet tilnærmet lineært:

\(   \rho = \rho_0 [1 + \beta (S – S_0) – \alpha (T – T_0) ] \)

 

I utrykket over er \(S\) saltholdighet, \(T\) er temperatur, \(\beta\) er den haline koeffisienten og \(\alpha\) er den termale koeffisienten. \(S_0\) og \(T_0\) er referanseverdien som man selv kan velge og \(\rho_0=\rho(S_0,T_0)\). Verdiene på \(\alpha\) og \(\beta\) avhenger av hvilke verdier du velger for \(S_0\) og \(T_0\). Om vi velger \(S_0\)=34.6 og \(T_0=\)=0.5C så er \(\rho_0=\rho(S_0,T_0)\)=1027,8 kg/m\(^3\), \(\alpha \approx \) 5.77*10\(^{-5}\) C\(^{-1}\) og \(\beta \approx 7.84*10^{-4}\). Med andre ord så starter vi fra en referanseverdi og så beregner vi bidraget fra endringer i salt og temperatur.

Bruk lineariseringen til å beregne tetthetsprofiler fra temperatur og salt profilene i CTDdata_Amundsenhavet.txt. Hvordan ser de ut sammenlignet med profilene for salt og temperatur?

a) Velg en av profilene. Hvor er tettheten størst? minst? Hvorfor er det slik?

b) Hvor stor er tetthetsforskjellen mellom overflaten og bunn? Hvor mye saltere må overflatevannet bli for at det skal bli like tungt som vannet på bunn?

Tettheten må øke med økende dyp, ellers er vannet ustabilt: tungt vann ligger over lett vann. Det tunge vannet kommer da til å synke ned til «sitt» nivå (noe som kalles konveksjon).

c) Om vi kjøler ned vannet i overflaten til frysepunktet \((T_f\)=-1.9C), hvor tungt blir det da? Hva tror du skjer?

d) Når det blåser så blandas vannet i overflaten og vi får ett homogent (konstant saltholdighet og temperatur) lag på toppen. Da blir den nye saltholdigheten i overflaten lik middelsaltholdigheten til det vannet som blandes.

e) Hva er middelsaltholdigheten i de øverste 100 m?

f) Hvor tungt blir det homogene laget i overflaten om det kjøles ned til frysepunktet? (\(T_f\)=-1.9C)

g) Hvor mye må vi øke saltholdigheten for at vannet skal bli like tungt som vannet på bunnen? Hvordan kan saltholdigheten øke i Antarktis? I Middelhavet?

 

Oppgave 4

Når vannet blir varmere synker tettheten – det betyr at varmt vann tar mer plass. En stor del av havnivåstigningen som vi ser i dag (og kommer å se mer av i framtiden) skyldes at vannet nede i dypet varmes opp. Om 4000 m dypt vann (med \(S_0\), \(T_0\), \(\rho_0\),\(\beta\) og\(\alpha\)) som i oppgave 3 varmes opp en grad, hvor mye stiger havnivået da?

Oppgave 5

Når det fryser is, så er det vannmolekylene som danner krystaller og blir til is. Største delen av saltet skilles ut og blandas inn i vannet under. Saltholdigheten* på ganske ny is er typisk 7-10**. Ettersom saltholdigheten er så viktig for vannets tetthet, vil vi gjerne vite hvor mye saltholdigheten øker i vannet (\(\Delta S\)) om det fryser is med en viss tykkelse (\(h_{is}\)) og saltholdighet (\(S_{is}\)). Det kan vi regne ut med formelen:

\(\Delta S= \frac{h_{is}(S-S_{is})}{H_{vann}}\)
der \(H_{vann}\) er tykkelsen på laget med vann som saltet blander seg med.

a) Hvor mye øker saltholdigheten om vi fryser (i) 10 cm (ii) en meter med is over et 100 m tykt lag der S=34.5 og \(S_{is}\)=7.

b) Hvor mye øker saltholdigheten om vi fryser (i) 10 cm (ii) en meter med is over et 1000 m tykt lag der S=34.5 og \(S_{is}\)=7.

c) Hvor mye øker tettheten i a-b? La T=T\(_f\) (Se oppgave 3).

d) Hvor mye is må vi fryse for at vannet i oppgave 3h skal bli like tungt som vannet på bunnen? (La H=100 m, tykkelsen på laget som stormen blandet). Er det realistisk?

*Man bestemmer saltholdigheten på is ved å smelte den og deretter måle saltholdigheten på smeltevannet.

** På gammel is i Arktis kan den være nesten 0!

Uppgifter: Salthalt, temperatur och densitet

Posted on by Elin Darelius
DSC_0240
Vackra vågor i Antarktis! Foto: Elin Darelius Chiche

Vi oceanografer pratar ofta om “vattenmassor”, det är vatten med olikt ursprung och som därför har olik salthalt och temperatur. Vi pratar till exempel om Atlantiskt vatten som är varmt och salt, om Antarktiskt ytvatten som är kallt och färskt eller om Antarktiskt sockelvatten som är kallt och salt. Det är till stor del atmosfären som bestämmer vattenmassornas egenskaper. Där det är varmt värms vattnet upp, där det är kallt, kyls havet ned. Salthalten bestäms av avdunstning, färskvannstillförsel (från älvar och åar eller från regn eller snö) och utav isfrysning. När det bildas is om vintern, är det vattenmolekylerna som fryser. Det mesta av saltet blir skiljt ut, och salthalten i vattnet under ökar. I grunda områden där det bildas mycket is – till exempel inne på vissa av de Antarktiska kontinentalsocklarna – kan vattnet bli väldigt salt och därmed blir vattnet väldigt tungt. När isen sen smälter om våren, så bildas det ett färskt, lätt lag ovanpå det salta. I uppgiften härintill nämns “Circumpolar Deep Water”, CDW. CDW är egentligen en blanding av flera vattenmassor, däribland vatten som kommer helt från nordatlanten. CDW har en temperatur mellan 1 och 2 grader och en salthalt mellan 34.62 och 34.73. Salthalten har konsigt nog ingen enhet, men det motsvarar ungefär promille. Om salthalten är 1 så är det 1 gram salt per kilo vatten. Salthalten i havet är typiskt 35, eller ca 3.5 %.

I ett TS-diagram (en figur med salthalt på X-axeln och temperatur på Y-axeln, se figur nedan ) blir en vattenmassa till en punkt eller en liten box – blandar vi två vattenmassor kommer blandningen att ha en salthalt och temperatur som ligger på en rät linje mellan de två ursprungliga vattenmassorna.

 

TS-diagram. De röda boxarna visar Salthalt och temperatur på CDW och WW (se text). De streckade linjerna är isopyknaler - alla vattenmassor som ligger på en isopyknal har samma densitet. Den svarta linjen visar vattnets fryspunkt.
TS-diagram. De röda boxarna visar Salthalt och temperatur på CDW och WW (se text). De streckade linjerna är isopyknaler – alla vattenmassor som ligger på en isopyknal har samma densitet. Den svarta linjen visar vattnets fryspunkt.

Uppgift 1

Du har två flaskor A och B med havsvatten där \(S_A\)=33.2, \(T_A\)=4C och \(S_B\)=34.8, \(T_B\)=1C. Rita in dem i ett TS-diagram.

a) Vilken salthalt och temperatur har en blandning som betår av 50% A och 50% B ?

b) Vilken salthalt och temperatur har en blandning som betår av 10% A och 90% B ?

c) Vilken salthalt och temperatur har en blandning som betår av 73% A och 27% B ?

d) Rita in dina blandingar i TS-diagramet. Vad ser du?

e) Om du har en tredje vattenmassa där \(S_C\)=33.7, \(T_A\)=0C – vilka blandningar kan du få då?

 

Uppgift 2

Läs in och plotta temperatur och salthalt från Riggen S4, 320 m djup som en funktion av tid (Filen heter: Riggdata_S4_TS.txt).

a) Tiden är given i dagar sedan 1 Januari 2012. Vilken dag sattes riggen ut? När togs den in?

b) Vad är medel temperatur/salthalt och standard avvik?

c) Ser du någon sässongsvariation? Kan den beskrivas med en sinusfunktion? Varför / varför inte?

d) Plotta nu temperatur som en funktion av salthalt, vad ser du? Kan du beskriva förhållandet mellan salt och temperatur med hjälp av linjär regression?

e) Ett instrument i närheten mätte S=34.25 , S=34.6 och S= 33.9 – vad tror du temperaturen var?

f) Är dina svar på uppgiften ovan rimliga? Havsvatten fryser vid -1.9C. För vilka salthalter är din regression giltig?

g) Observationerna visar att vattnet vi observerar vid riggen är en blandning av CDW (Circumpolar Deep Water) och WW (Winter Water). Vilka egenskaper har vårt CDW? WW har vanligtvis en temperatur på -1.9C. Observerar vi rent WW på riggen? Använd regressionen till att bestamma vilken salthalt WW har.

h) Du har nu bestämt egenskaperna (S och T) på WW och CDW. Vilken temperatur och salthalt får en blandning utav 10% CDW och 90%WW? 50% av varje? 75% CDW och 25% WW?

i) Vilken temperatur har vatten som har en salthalt på 34.45? Hur stor del av vattnet är CDW och WW?

 

Uppgift 3

Vattnets densitet – dvs hur mycket 1 m\(^3\) vatten väger – beror på vilken temperatur och vilken salthalt det har. Kallt vatten är tyngre än varmt, färskt vatten är lättare än salt. Sambandet mellan S, T och densitet är komplicerat, men för små ändringar i salt och temperatur så är förhållandet tillnärmat linjärt:

\(   \rho = \rho_0 [1 + \beta (S – S_0) – \alpha (T – T_0) ] \)

 

I utrykket over er \(S\) saltholdighet, \(T\) er temperatur, \(\beta\) er den haline koeffisienten og \(\alpha\) er den termale koeffisienten. \(S_0\) och \(T_0\) är referensvärden som man själv kan välja och \(\rho_0=\rho(S_0,T_0)\). Värdena på \(\alpha\) och \(\beta\) beror på vilka värden du väljer för \(S_0\) och \(T_0\). Om vi väljer \(S_0\)=34.6 og \(T_0=\)=0.5C så är \(\rho_0=\rho(S_0,T_0)\)=1027,8 kg/m\(^3\), \(\alpha \approx \) 5.77*10\(^{-5}\) C\(^{-1}\) och \(\beta \approx 7.84*10^{-4}\). Med andra ord så utgår vi från ett referansvärde och så beräknar vi bidraget från ändringar i salt och temperatur.

Använd linjäriseringen till att beräkna densitetsprofilre från temperatur och salt profilerna i CTDdata_Amundsenhavet.txt. Hur ser de ut i jämförelse med profilerna för salt och temperatur?

a) Välj en av profilerna. Var är densiteten störst? minst? varför är det så?

b) Hur stor är densiteteskillnaden mellan ytan och botten? Hur mycket saltare måste vattnet i ytan bli för att det ska bli lika tungt som vattnet på bottnen?

Densiteten måste öka med ökande djup, annars är vattnet instabilt: tungt vatten ligger vanpå lätt vatten. Det tunga vattnet kommer då att sjunka ned till “`sin”‘ nivå (Det kallas konvektion) .

c) Om vi kyler ner vattnet i ytan till fryspunkten (\( T_f \)=-1.9C), hur tungt blir det då? Vad tror du händer?

När det blåser så blandas vattnet i ytan om och vi får ett homogen (konstant salthalt och temperatur) lag på toppen. Då blir den nya salthalten i ytan lik medelsalthalten av det vatten som blandats om.

d)Vad är medelsalthalten i den översta 100 m?

e)Hur tungt blir det homogena lagret i ytan om det kyls ner till fryspunkten? (\(T_f\)=-1.9C)

f) Hur mycket måste vi öka salthalten för att vattnet ska bli lika tungt som vattnet på botten? Hur kan salthalten öka i Antarktis? I Medelhavet?

 

Uppgift 4

När vattnet blir varmare sjunker densiteten – det betyder att varmt vatten tar mer plats. En stor del av höjningen i havsnivån som vi ser idag (och kommer att se mer av i framtiden) beror på att vattnet nere i djupet värms upp. Om 4000 m djupt vatten (med \( S_0 \) ,  \( T_0 \) ,  \( \rho_0 \) , \( \beta \) och \( \alpha \) som i uppgift 3) värms upp en grad, hur mycket stiger havsnivån då?

Uppgift 5

När det fryser is, så är det vattenmolekylerna som bildar kristaller och blir till is. Största delen av saltet skiljs ut och blandas in i vattnet under. Salthalten* på ganska ny is är typiskt 7-10**. Eftersom salthalten har så stor betydelse för vattnets densitet, vill vi gärna veta hur mycket salthalten ökar i vattnet ( \( \Delta S \)) om det fryser is med en viss tjockelse (\(h_{is}\)) och salthalt (\(S_{is}\)). Det kan vi räkna ut med formeln

\(\Delta S= \frac{h_{is}(S-S_{is})}{H_{vatten}}\)
där \(H_{vatten}\) är tjockleken på lagret med vatten som saltet blandar sig i.

a) Hur mycket ökar salthalten om vi fryser (i) 10 cm (ii) en meter med is över ett 100 m tjock lager där S=34.5 och \(S_{is}\)=7.

b)Hur mycket ökar salthalten om vi fryser (i) 10 cm (ii) en meter med is över ett 1000 m tjock lager där S=34.5 och \(S_{is}\)=7.

c) Hur mycket ökar densiteten i a-b? Låt T=T\(_f\) (Se uppgift 3).

d) Hur mycket is måste vi frysa för att vattnet i uppgift 3h ska bli lika tungt som vattnet på bottnen? (Låt H=100 m, tjockleken på lagret som stormen rörde om). Är det realistiskt?

*Man bestämmer salthalten på is genom att smälta ner den och mäta salthalten på smältvattnet

** På gammal is i Arktis kan den vara nästan 0!

Exercise: Salinity, temperature and density

Posted on by Elin Darelius
DSC_0240
Beautiful waves in Antarctica! Photo: Elin Darelius Chiche

Oceanographers like me often talk about «water masses», that is water with different origin that therefore has different salinity and temperature. We talk about “Atlantic water”, which is warm and salty, about Antarctic surface water which is fresh and col or about Antarctic shelf water which is cold and salty. The salinity and temperature of the water will determine its density; cold water is denser than warm water, fresh water is lighter than saline water.

The properties of the water masses are to a large extent set by the atmosphere. Where it is warm, the water is heated up and where it is cold the water is cooled down. The salinity is determined by evaporation, freshwater input (from rivers or precipitation) and by the formation of sea ice. When ice is formed during the winter, it is the water molecules that freeze. Most of the salt is rejected, and the salinity in the water below the ice thus increases. In shallow areas where a lot of ice is formed – for example in some parts of the continental shelf surrounding Antarctica – the water can become very saline and hence very dense.

The exercise below is about Circumpolar Deep Water, CDW. CDW is actually a mixture of several water masses, amongst other water that orinates as far away as the North Atlantic. CDW has a temperature between 1-2 degrees and a salinity between 34.62 and 34.73. Strangely enough, salinity does not have any unit, but is approximately permil so if the salinity is 1 there is about 1 gram of salt per kilo water. The salinity in the ocean is typically about 35, or 3.5%.

In a TS-diagram (a graph with salinity on one axis and temperature on the other axis, see below) a water mass is a point or a small box – if we mix two water masses the mixture will lie on a straight line between the two water masses.

TS_eng
TS-diagram showing the temperature and salinity of WW and CDW. The dashed lines are ispycnals – all watermasses on a line have the same density. The black line shows the freezing point of the water.

Exercise 1

You have two bottles A and B where \(S_A\)=33.2, \(T_A\)=4C and \(S_B\)=34.8, \(T_B\)=1C. Mark them in a TS-diagram

  1. What is the salinity and temperature of a mixture that is made of 50% A and 50% B?
  2. What is the salinity and temperature of a mixture that is made of 10% A and 90 % B?
  3. What is the salinity and temperature of a mixture that is made of 73% A and 27% B?
  4. Plot your mixtures in the TS-diagram. What do you see?
  5. If you have a third water mass \(S_C\)=33.7, \(T_A\)=0C – which mixtures can you get then?

Exercise 2

Import and plot salinity and temperature from the mooring S4, 320 m depth as a function of time (the file is named ENG_Riggdata_S4_TS).

  1. Time is given as days since 1 january, 2012. What day was the mooring deployed? Recovered?
  2. What is the average temperature /salinity and standard deviation?
  3. Is there a seasonal signal? Can you describe it with a sinus function? Why / why not?
  4. Plot temperature versus salinity in a TS-diagram – what do you see? Can you describe the relationship between salinity and temperature with a linear regression?
  5. An instrument in the vicinity of the mooring measured S=34.25, S=34.6 and S=33.9. What do you think the temperature was?
  6. Are your answers to the exercise above reasonable? Sea water freezes at -1.9C. For what salinities are your regression valid?
  7. The observations show that the mooring is surrounded by a mixture of CDW (Circumpolar Deep Water) and WW (Winter Water). What are the salinity/temperature of our CDW? WW normally has a temperature of -1.9C. Do we observe pure WW at our mooring? Use your regression to determine the salinity of the WW.
  8. You now have determined the properties (S and T) of WW and CDW. What is the temperature and salinity in a mixtruer of 10% CDW and 90%WW? 75% CDW abd 25% WW?
  9. What would be the termeprature of water with a salinity of 34.45? What fraction of the water is CDW?

Exercise 3

The density of seawater depends on its salinity and temperature. Cold water is denser than warm fresh water is lighter than saline water. The relationship between S, T and density is complicated, but for small changes in salinity and temperature the relationship is approximately linear.

\(   \rho = \rho_0 [1 + \beta (S – S_0) – \alpha (T – T_0) ] \)

In the expression above \(S\) is salinity, \(T\) is temperature, \(\beta\) is the haline coefficient and \(\alpha\) is the thermal coefficient. \(S_0\) och \(T_0\) are reference values that you can choose freely and \(\rho_0=\rho(S_0,T_0)\). The values of \(\alpha\) and \(\beta\) depends on what values you chopse forr \(S_0\) and \(T_0\). If we chose \(S_0\)=34.6 and \(T_0=\)=0.5C then \(\rho_0=\rho(S_0,T_0)\)=1027,8 kg/m\(^3\), \(\alpha \approx \) 5.77*10\(^{-5}\) C\(^{-1}\) and \(\beta \approx 7.84*10^{-4}\).

Use the linearisation to calculate density profiles based on the temperature and salinity profiles from the Amundsen Sea (file ENG_CTDdata_Amundsenhavet). What do they look like compared with the salinity and temperature profiles?

  1. Chose one of the profiles? Where is the density largest? Smallest? Why is it like that?
  2. How big is the density difference between the bottom and the surface? How much more saline must the water in the surface be to be as dene as the water at the bottom?
  3. The density must increase with depth, otherwise the water column I unstable: dense water is lying on top of light water. The dense water then will sink down to “its” level (this is called convection)
  4. If we cool down the water in the surface to the freezing point (-1.9C), what will happen?

Strong wind can mix the upper layer so that we get a homogenous layer (constant salinity and temperature). The salinity is then equal to the mean salinity.

  1. What is the mean salinity of the upper 100 m?
  2. How heavy would the homogenous surface layer be if it was cooled down to the freezing point (-1.9C)
  3. By how much do we have to increase the salinity for the water in the surface to be as heavy as the water at the bottom? (How can this happen in Antarctica? In the Mediterranean Sea?)

 

Exercise 4

When the temperature increase the density decrease – that means that1 kg of warm water occupies a larger space than 1 kg of cold water. A large part of the sea level rise that we are observing today (and that we will see in the future) is caused by the increase in temperature of water at depth in the ocean. If water which is 4000m deep (with \(S_0\), \(T_0\), \(\rho_0\),\(\beta\) and \(\alpha\) as given in exercise 3) is heated by 1C, how much will the sea level then rise?

Exercise 5

It is the water molecules that forms crystals when sea water freezes – the salt is rejected by the growing ice and mixes with the sea water below. The salinity* of freshely frozen ice is typically 7-10**. Since the salinity has such a large influence on the density, we want to find out how much the salinity in the water increases (\(\Delta S\)) when ice of a certain thickness (\(h_{ice}\)) and salinity (\(S_{ice}\)) is formed. We can do that using the formula:

\(\Delta S= \frac{h_{ice}(S-S_{ice})}{H_{water}}\) where \(H_{water}\) is the thickness of the layer that the salt mixes into.

  1. By how much does the salinity increase of we freeze (i) 10 cm (ii) 1 m of ice over a 100 m thick layer where S=34.5 and \(S_{ice}\) =7?
  2. By how much does the salinity increase of we freeze (i) 10 cm (ii) 1 m of ice over a 1000 m thick layer where S=34.5 and \(S_{ice}\) =7?
  3. By how much does the density increase in a-b? (Set T=T\(_f\) (See exercize 3).
  4. How much ice do we have to freeze for the water in 3h to be as heavy as the water on the bottom? (Let H=100 m, the thickness of the layer that the storm mixed) Is that realistic?

*You determine the salinity of ice by melting it down and measureing the salinity of the melt water.

**For old ice in the Arctic the salinity can be almost zero!

 

Eksperiment: Bland en lagdelt drink

Posted on by Elin Darelius

Du finner mange fargerike væsker med ulik tetthet hjemme på kjøkkenet – så her er det bare fantasien som setter grenser! Begynn med den tyngste og tilsett deretter forsiktig de andre væskene en etter en.

Her er et eksempel på tettheter til væsker som dere kanskje har hjemme:

Babyolje –  0.83 kg/L

Rapsolje – 0.92 kg/L

Isbit – 0.92 kg/L

Melk – 1.03 kg/L

Oppvaskmiddel – 1.06 kg/L

Solbærsaft – 1.33 kg/L

Honning – 1.40 kg/L

Babyolje, melk, oppvaskmiddel, solbærsaft og flytende honning… ikke så godt kanskje, men veldig fint! Foto: P. Langebroek

Experiment: Blanda en lagdelt drink

Posted on by Elin Darelius

Du hittar många färggranna vätskor med olik densitet hemma i köket – så här är det bara fantasin som sätter gränser! Börja med den tyngsta och slå så försiktigt i de andra vätskorna en efter en.

Här är exempel på densiteter till vätskor som ni kanske har hemma:

Babyolja –  0.83 kg/L

Rapsolja – 0.92 kg/L

Isbit – 0.92 kg/L

Mjölk – 1.03 kg/L

Diskmedel – 1.06 kg/L

Svart vinbärssaft – 1.33 kg/L

Honung – 1.40 kg/L

Babyolja, mjöljk, diskmedel, vinbärssaft och flytande honung... inte så god kanske, men väldigt fin! Foto: P. Langebroek
Babyolja, mjöljk, diskmedel, vinbärssaft och flytande honung… inte så god kanske, men väldigt fin! Foto: P. Langebroek

Experiment: Preparing a layered drink

Posted on by Elin Darelius

With all the colourful liquids you can find in your kitchen, only your imagination is limiting what you can play with in this experiment!

Start with the least dense liquid and carefully add the others with increasing density.

Here are a couple of examples of liquids you might have at home:

Baby oil –  0.83 kg/L

Rapeseed oil – 0.92 kg/L

Ice cubes – 0.92 kg/L

Milk – 1.03 kg/L

Dish soap – 1.06 kg/L

Black currant juice – 1.33 kg/L

Honey – 1.40 kg/L

Baby oil, milk, dish soap, black currant juice and honey… might not taste very nice, but certainly looks awesome! Foto: P. Langebroek

Eksperiment: Bygg et “vanntermometer”

Posted on by Elin Darelius

Varmt vann tar større plass enn kaldt vann… det ser du enkelt her!

Du trenger:

  • 1 liten plastikkflaske
  • 1 gjennomsiktig sugerør
  • Modelleire
  • Konditorfarge (ikke helt nødvendig)
  • En stor, høy skål, litermål eller lignende der flasken kan stå på bunnen.
  • Kaldt og varmt vann

Fyll flasken med kaldt vann (og tilsett evt. et par dråper konditorfarge om du vil). Flasken skal være fylt til randen – dvs. det skal nesten renne over. Sett så i sugerøret og lag et lokk av modelleire. Sugerøret skal stikke opp minst 10 cm. Test om lokket er tett ved å klemme lett på flasken; vannet skal da renne ut av sugerøret uten at det lekker andre steder! Det er ikke lett å få det tett, men prøv noen ganger så går det til slutt!

Sett flasken i skålen og fyll på med varmt vann (vær forsiktig så du ikke brenner deg!). Vent et par minutter og se hva som skjer. Hvor langt opp stiger vannet? Erstatt det varme vannet med lunket/veldig varmt/iskaldt/kaldt vann – hva skjer da?

Vi observerer at vannet nede i havdypet blir varmere og varmere – hva tror du skjer da?

Experiment: Bygg en “vattentermometer”

Posted on by Elin Darelius

Varmt vatten tar större plats än kallt vatten… det ser du enkelt här!

Du behöver

  • 1 liten plastflaska
  • 1 genomsiktigt sugrör
  • modellera
  • karamellfärg (inte helt nödvändigt)
  • en stor, hög skål, litermått eller liknande där flaskan kan stå på botten.
  • kallt och varmt vatten

Fyll flaskan  med kallt vatten (och slå ev. i ett par droppa karamellfärg om du vill). Flaskan ska vara fylld till bredden – dvs det ska nästan rinna över. Sätt så i sugröret och gör ett tättslutande “lock” av modellera. Sugröret ska sticka upp minst 10 cm. Testa att locket är tätt genom att trycka lätt på flaskan; vattnet ska då stiga upp i sugröret utan att det läcker någonstans! Det är inte helt lätt att få det tätt, men försök ett par gånger så går det till slut!

Sätt flaskan i skålen och fyll på runt omkring med varmt vatten (var försiktig så du inte bränner dig!). Vänta ett par minuter och se vad som händer… hur långt upp stiger vattnet? Byt så ut det varma vattnet med ljummet/jättevarmt/kallt/iskallt vatten – vad händer då?

Man observerar att vattnet nere i havsdjupen långsamt blir varmare och varmare – vad tror du sker då?