Det blåser kraftigt och vågorna går höga. Allting gungar och det är svårt att gå – vi vinglar fram i korridorerna och håller oss gott fast i trappräckena på väg ner till matsalen. Men vi har varit länge om bord nu och man är van vid att det rör på sig, så jag är inte sjösjuk.
Kanske har du hört talas om «the roaring forties», the «furious fifties» och «the screaming sixties»? Det är där vi är nu… På de här breddgraderna (mellan 40 och 60S) blåser det nästan alltid stark vind från väst och det är lite land och bergskejdor i vägen som hindrar luftströmmen.
Kaptenen ankrade up vid ett stort isflak och släppte ut oss på en eftermiddagspromenad!
Alla vet att när det blåser så blir det vågor, och att ju mer det blåser ju större blir vågorna. Vågorna är imponerande och de slår mot båten med en enorm kraft – men vinden gör mer än vågor! När vinden blåser över havsytan så «drar» den vattnet i ytan med sig (vi säger att vinden utövar en stress på ytan) men vattnet under, som inte rör på sig, drar åt andra hållet. Om inte jorden hade snurrat, så hade det varit enkelt: då hade vattnet flyttat sig med vinden. Hastigheten hade minskat ju längre ned i djupet vi såg, men allt vatten hade gått i samma riktning. Men jorden snurrar – ett varv varje dag – och då blir allt mer komplicerat… resultatet blir faktiskt att vattnet inte flyttar sig med vinden, utan på tvärs av den!
Det «varma» vattenmassan som strömmar in under shelfisen i Amundsenhavet kallar vi oceanografer för «Circumpolar Deep Water» (CDW) och är till stor del vatten som för länge sen (kanske tusen år eller så) sjönk ner til botten i Nord Atlanten och så började en långsam resa söderut mot Antarktis. Långt söderut fångas det upp av «västvinddriften (eller den Antarktiska circumpolarströmmen) som ohindrat strömmar runt, runt, runt den Antarktiska kontinenten. Vindmönstret här gör att ytvattnet i söder strömmar åt söder medan det i norr strömmar åt norr – så i mitten blir det inget ytvatten kvar! Det fylls då på underifrån; vattnet nere i djupet pumpas uppåt och kan till exempel strömma in på den relativt grunda (400-500 m) kontinentalsockeln i Amundsenhavet.
Koreansk festmåltid!
Vi är på väg hemåt och vi har lämnat Antarktis bakom oss – några av forskarna ombord studerar virvlar den Antarktiska curcumpolarströmmen, de har precis börjat med sitt arbete, men jag är färdig. De instrument som skulle ut i vattnet är i vattnet, och de som skulle upp på shelf isen* är på plats. Det är fortfarande två veckor kvar innan vi kan mönstra av och gå i land, och dagarna går långsamt när de inte längre är fyllda med arbete ute på däck. I går kväll var det någon som plockade fram plastmuggar (den tjocka typen, som nästan är som frigolit) och tuschpennor och det blev allmän pysselkväll i matsalen… nu hänger de allihopa i en påse på CTD:n och väntar på att den ska i vattnet igen. Vad tror du sker då?
Nu är kopparna 11 cm höga… hur stora tror du de är när de kommer upp från 3000 m djup?
[slr-togglebox title=”Gissa innan du klickar här för att se hur kopparna såg ut efter att ha sänkts til 3800 m djup” color=”white”]
Det finns utrymme för mindre kaffe i kopparna efter att de har varit i djupet.
Så här såg muggarna ut när de följt med CTD’n ned på 3800 m djup! Med hur manga procent har volymen på kopparna krympt?
[/slr-togglebox]
* Vi har installerat fyra stycken isradar på isen – varannnan timme mäter de hur tjock shelfisen under dem är, och på så sätt får vi reda på hur fort den smälter. När Karen och Povl flög ut med helikoptern för att installera dem (jag höll på med mina riggar och kunde inte följa med) så passade de också på att ta reda på hur mycket vatten som är under isen. Hur man gör det? Enkelt – du behöver bara en (speciell) mikrofon, en metallplatta och en stor slägga. Så slår du allt vad du kan med släggan på metallplattan… och lyssnar ekot ekot! Det första kommer från undersidan av isen, det andra från havsbottnen! Om det första ekot kommer efter 0.24s och det andra efter 0.4667s, hur tjock är då isen? Hur långt är det ner till havsbottnen? Ljudets hastighet i vatten är ca 1500 m/s och i is är den 4000 m/s. För att få säkrare resultat så har man flera mikrofoner på en lång linje. När når det första ekot fram till en mikrofon som står hundra meter bort? När når det andra fram? Tänk på vad Schnell sa!
The wind is strong and the waves are high. The ship is rolling, up and down, up and down… It is difficult to walk straight down the hall way and we hold tight to the hand rails when walking down the stairs for dinner. I do hope they are not serving soup…
Maybe you’ve heard about the roaring forties, the furious fifties and the screaming sixties? That’s where we are right now… and at these latitudes (between 40-60 S) there are almost constantly strong winds from the west.
The Captain anchored next to a large ice sheet and let us go for an afternoon walk!
Everyone knows that if there is wind, there will be waves. And the stronger the wind, the larger the waves. The waves and the forces involved are impressive – you really do not want to be out on deck right now (and I figure that’s what the sign in Korean on the closed door tin the back is saying…) But there is more to the wind than waves! When the wind blows over the sea surface it “pulls” on the water (the physical term is that it excerts a “stress” on the surface) in the surface and cause it to move in the direction of the wind. But the water below it, which is not (yet) moving will “pull” in the other direction (friction). If the Earth did not turn, things would have been simple: The water had moved in the direction of the wind. The speed had decreased with depth, but all of the water had moved in the same direction. But the Earth do turn – one rotation per day – and with that everything gets more complicated… and more interesting! The results of wind blowing over water is not that the water moves with the wind, but it moves perpendicular to it!
The “warm” water that invades the ice shelves in the Amundse Sea is called “Circumpolar Deep Water” and most of it is water that sank down to the bottom of the North Atlantic a long time ago (a thousand year ago or so) and then started a slow voayage towards Antarctica. When arriving in the south, it gets caught by the Antarcic Circumpolar current, the world’s largest current which (unhindered by land) contourns the Antarcic continent. The winds in this region causes the surfacewater in the south to move southwards, and the surface water in the north to move northward… so in the middle there is no surface water left! The surface waters are then replenished from below, the (relatively warm) deep water is pumped upward by the wind and can then flow onto the shallow (400-500 m) continental shelf in the Amundsen Sea.
Korean feast!
We are on our way home now and we’ve left Antarctica behing us. No more sea ice, no more penguins…. and very few ice bergs. A few of the scientist onboard are studying the eddies formed in the Antarctic circumpolar current, and their work ahs just begun… but I’m done. My instruments are in the water or up on the ice shelf* and all there is left to do is to write up the cruise report and cross our fingers that the icebergs will let the moorings be so that they are there when we come to pick them up, two years from now…
There’s still two weeks left of the cruise, and days are long now that they are not filled with work on deck. Someone brought along a bunch of styrofoam cups and (waterproof) pens, and last night was “decorate your cup night”… on one of the deeper CTD stations further north we’ll attach them to the CTD and send them down to the bottom. What do you think will happen?
The cups are now 11 cm tall… how large do you think they will be when they return from a depth of 3000 m?
[slr-togglebox title=”Guess before you click here to see how the cups looked like after being lowered to 3800 m”]
There is space for less coffe after the trip into the depths.
This is how the cups looked like after following the CTD to 3800 m depth! By what percentage has the volume of the cups shrunk?
[/slr-togglebox]
* We’ve installed four ice radars on the floating shelf ice – every other hour they measure the thickness of the ice below them and then we can find out how quickly the ice shelf is melting. When Karen and Povl flew out with the helicopter to install them (I was busy deploying my moorings, so I could n’t go) they also tried to determine how much sea water there is below the ice. How to do that? It is simple! (At least in theory) All you need is a (special) microphone, a metal plate and a big sledge hammer… The you hit as hard as you can with the hammer on the metal plate… and listen for the echo! The first echo is the one reflected from the bottom of the ice, and the second one is the one refelcted from the sea bed! If the first echo arrives after 0.24 s and the second after 0.4667 s, how thick is then the ice? How far is it down to the seabed? The speed of sound is 1500 m/s in water and 4000 m/s in ice. To get a better result you use more than one microphone, placed along a line with a known distance from the sound source. When does the first echo reahc the microphone placed 100 m away? When does the second one get there? Don’t forget what mr Schnell said!
Vind og havstrømmer har en styrke og en retning, og vi bruker derfor vektorer for å beskrive dem. For eksempel er \(\vec{u}=u\vec{i} + v\vec{j}\). \(\vec{i}\) og \(\vec{j}\) enhetsvektorer som peker mot øst og nord (se figur under), mens \(u\) og \(v\) angir lengden på vektoren eller styrken på strømmen i den retningen. Om vinden blåser mot nord med 10 m/s så er \(\vec{u}=10\vec{i}\); blåser den mot sør så er \(\vec{u}=-10\vec{i}\); og blåser den mot nordøst så er \(\vec{u}=7.1\vec{i}+7.1\vec{j}\).
Enhetsvektoren i har lengde 1 og peker mot øst. Enhetsvektoren j har lengde 1 og peker mot nord.
Isforholdene forandrer seg hele tiden på grunn av vind og havstrømmer. Så kapteinen må hele tiden følge med og se på for eksempel satellittbilder slik at vi ikke blir «fanget» av drivisen. Araon er en isbryter, men å bryte is går sent og bruker mye drivstoff. Havisen er relativt tynn og påvirkes mest av vinden. En tommelfingerregel er at isen forflytter seg med ca 2% av vindhastigheten og ca 30 grader til venstre for vinden (til høyre i Arktis).
Oppgave 1
Vinden blåser 20 m/s mot vest og iskanten er 5 km fra land
a) Uttrykk vinden og isens bevegelse i vektorformat!
b) Hvor langt sørover forflytter isen seg på en time?
c) Hvor fort må Araon kjøre for å komme forbi odden (se figur) inne isen stenger passasjen? Klarer vi det?
Kart over Amundsenhavet. Det turkise området er isbremmen, grått er land. Araon (den røde prikken) er på vei mot den vestre fronten av Getz isbremmen for å sette ut rigger (markert med kryss i kartet), men isen blåser inn mot land. Kommer båten fram?
Oppgave 2
Vinden utøver et stress \((\vec{\tau}=\tau_x\vec{i} + \tau_y\vec{j})\) på vannoverflaten og setter opp en strøm i vannet. Stressets størrelse kan vi regne ut fra vinden: \(\vec{\tau}=C_{D}\left|\vec{u}\right|\vec{u}\), der \(\vec{u}=u\vec{i}+v\vec{j}\) er vinden i 10 m høyde.
a) Om det blåser 10 m/s mot nord og \(C_D=1.6\times10^{-3}\), hvor stort er stresset da? I hvilken retning virker det?
b) Man vet at størrelsen på \(C_D\) endres når det er is på vannet, og noen forskere har foreslått at \(C_D=10^{-3}\times(1.5+2.233C_i-2.333C_i^2)\) der \(C_i\) er andelen av havoverflaten som er dekket av is (iskonsentrasjonen). For hvilken iskonsentrasjon er \(C_D\) størst? Minst? Hvor stor var iskonsentrasjonen i oppgaven over?
Oppgave 3
Under sin ekspedisjon på FRAM (1893-1896) så observerte Nansen at isen drev til høyre (i Arktis) for vinden og han ba sin venn Vilhelm Bjerknes få en av sine studenter til å studere problemet. Det ble svensken Vagn Walfrid Ekman som forklarte isens bevegelse, som er et resultat av friksjon og jordens rotasjon. Ekman satte opp en teori for hvordan strømmen som vinden lager oppfører seg. Strømmen endrer seg med dypet (\(z\)) og vi kan skrive \(\vec{u(z)}=u(z)\vec{i} + v(z)\vec{j}\). Størrelsen på \(u(z)\) og \(v(z)\) kan vi beregne fra følgende formler (som ikke er så kompliserte som de ser ut!)
der \(z\) er høyde (så dybde er negativt), \(f=1.46\times10^{-4}sin(breddegrad)\) er Coriolis faktoren og \(d=\sqrt{\frac{2\nu}{\left|f\right|}}\) er tykkelsen på laget som kjenner vindens påvirkning. Vi kaller det ofte Ekman laget. \(\nu=10^{-2}m^2/s\) er viskositeten* – vannets “tykkelse” eller treghet (sirup har for eksempel en høyere viskositet enn vann **). Teorien er viden kjent blant oseanografer og kalles bare for “Ekman spiralen”.
* Den molekylære viskositeten til vann er mye lavere, \(\nu=10^{-6}m^2/s\), men i havet gjør virvler og turbulens at den effektive viskositeten blir større.
a) Hvilken verdi har Coriolis faktoren i Amundsenhavet? I Bergen?
b) Hvor tykt er Ekman laget? Et isfjell kan være fler hundre meter tykt – tror du det påvirkes av strømmen som vinden lager?
c) Om det blåser 15 m/s mot vest og det er isfritt, hvor stor er da \(\tau_x\) og \(\tau_y\)? (Se oppgave 2)
d) Fra hvilken retning (og med hvilken hastighet) flyter vannet i overflaten (z=0)? I Ekmandypet (z=-d)? På hvilket dyp går strømmen i motsatt retning av vinden?
e) Prøv å plotte strømmen! Hvorfor tror du vi snakker om Ekman spiral?
f) Når vi sender ned vår LADCP*** får vi strømprofiler med en oppløsning på 8 m (dvs vi får en verdi for strømmen for hver åttende meter). Tror du vi klarer å observere Ekman spiralen? Hvorfor/hvorfor ikke?
g) Når det blåser mot vest i Bergen, i hvilken retning går overflatestrømmen da?
*** Et instrument som følger med CTD’en ned til bunn og som måler strømmen i vannet på vei ned. Man får da strømprofiler i tillegg til profiler av salt og temperatur.
Oppgave 4
Om man summerer opp (integrerer) strømmen som vinden lager i Ekman laget så kan man regne ut transporten, dvs hvor mye vann som flyttes i en retning på grunn av vinden. Det kaller vi for Ekman transporten, \(\vec{Q_{Ekman}}=U\vec{i}+V\vec{j}\). Da får vi at
\(U=\frac{10^{-3}}{f}\tau_y\)
\(V=-\frac{10^{-3}}{f}\tau_x\)
Enheten på U og V er \(m^3/m/s\) (eller \(m^2/s\)) og de angir altså hvor mye vann som flyter forbi per meter per sekund. Uttrykket for \(\tau\) finner du i oppgave 2.
a) Om det blåser 15 m/s mot nordvest og det er isfritt, hvor stor er da U og V? I hvilken retning flyttes vannet?
b) Hvor stor er vinkelen mellom vinden og transporten?
c) Om vi har to bøyer (se figur under) som ligger 10 km i fra hverandre og der en linje mellom de to bøyene er parallell med vinden, hvor mye vann strømmer mellom bøyene på en time? Hva tror du skjer om linjen mellom A og B hadde vært kystlinjen?
Illustrasjon til oppgave 4. Vinden blåser parallelt med linjen A-B. I hvilken retning går Ekman transporten? Hva hadde skjedd om linjen A-B var kystlinjen?
Når vinden blåser parallelt med kysten, kommer vannet enten til å samles opp mot kysten eller «forsvinne» fra kysten.
d) I hvilken retning tror du det blåser når vi får oversvømming på Bryggen i Bergen (tidevannet er selvsagt også viktig)?
e) Ved kysten av det Antarktiske kontinentet blåser vinden vanligvis mot vest. Lengre nord (60S) blåser det sterke vinder mot øst. Skisser hvordan vinden blåser og i hvilken retning Ekman transporten går. Hva tror du skjer i midten? Diskuter i grupper før dere leser svaret lenger nede på siden.
Konvergens og divergens i havet
Når vinden og dermed Ekman transporten har ulik retning (det holder egentlig at den endrer størrelse) fra ett område til et annet (som i oppgave 4) får vi “konvergens” (hvis overflatevann “samles sammen”, dvs. hvis pilene som viser Ekman transport peker mot hverandre) eller “divergens” (dvs. hvis pilene går fra hverandre). Når vi har divergens og overflatevannet “forsvinner” så må det etterfylles med vann nedenfra. Vann fra dypet “suges” opp til overflaten av vinden. I områder der dette skjer kontinuerlig (for eksempel rundt Antarktis) er det høy biologisk aktivitet ettersom vannet nede i dypet er rikt på næringsstoffer. Vindmønsteret rundt Antarktis løfter opp relativt tungt vann fra dypet og bidrar til vannet i den øvre delen av havet er tyngre enn i andre områder. Vann som har sunket til bunnen av Nord-Atlanteren kommer hit til overflaten igjen. For å lese mer, så kan du google f.eks ” wind driven upwelling “.
Vind och strömmar har storlek och riktning, och vi använder därför vektorer för att beskriva dem, till exempel \(\vec{u}=u\vec{i} + v\vec{j}\). \(\vec{i}\) och \(\vec{j}\) är enhetsvektorer som pekar mot öst och norr (se figur nedan) medan \(u\) och \(v\) anger längden på vektoren eller styrkan på strömmen i den riktningen. Om vinden blåser mot norr med 10 m/s så är \(\vec{u}=10\vec{i}\); blåser den mot söder så är \(\vec{u}=-10\vec{i}\); och om den blåser mot nordöst så är \(\vec{u}=7.1\vec{i}+7.1\vec{j}\).
Enhetsvektoren i har längde 1 och pekar mot öst. Enhetsvektoren j har längde 1 och pekar mot norr.
Isförhållandena förändrar sig hela tiden beroende på vind och strömmar – så kaptenen måste hela tiden följa med och se på e.g. satellitbilder så att vi inte blir “fångade” (Araon är visserligen en isbrytare, men det går långsamt och går åt mycket bränsle om man ska köra genom tjock is.) av drivis. Havisen är reltivt tunn och påverkas mest av vinden – en tumregel är att isen förflyttar sig med ca 2% av vindhastigheten och ca 30 grader till vänster om vinden (till höger i Arktis).
Uppgift 1
Vinden blåser 20 m/s mot väst och iskanten är 5 km från land
a) Utryck vinden och isens rörelse i vektorformat!
b) Hur långt söderut förflyttar sig isen på en timme?
c) Hur fort måste Araon köra för att hinna förbi udden (se figur) innan isen “stänger passagen”? Klarar vi det?
Karta över Amundsenhavet. Turkosa områden är shelfis, gråa områden är land. Araon (den röda pricken) vill köra bort mot den västra fronten av Getz shelfisen för att sätta ut riggar (markerade med kryss i kartan) där, men isen blåser in mot land… Hinner hon förbi udden?
Uppgift 2
Vinden utövar en stress \((\vec{\tau}=\tau_x\vec{i} + \tau_y\vec{j})\) på vattenytan och sätter upp en ström i vattnet. Stressens storlek kan vi räkna ut från vinden: \(\vec{\tau}=C_{D}\left|\vec{u}\right|\vec{u}\), där \(\vec{u}=u\vec{i}+v\vec{j}\) är vinden på 10 m höjd.
a) Om det blåser 10 m/s mot nord och \(C_D=1.6\times10^{-3}\), hur stor är stressen då? I vilken riktning verkar den?
b) Man vet att storleken på \(C_D\) ändras när det är is på vattnet, och några forskare har föreslagit att \(C_D=10^{-3}\times(1.5+2.233C_i-2.333C_i^2)\) där \(C_i\) är andelen av havytan som är täckt av is (iskoncentrationen). För vilken iskoncentration är \(C_D\) störst? minst? Hur stor var iskoncentrationen i uppgiften ovan?
Uppgift 3
Under sin expedition på FRAM (1893-1896) så observerade Nansen att isen drev till höger (i Arktis) om vinden och han bad sin vän Vilhelm Bjerknes att få en av sina studenter att studera problemet. Det blev svensken Vagn Walfrid Ekman som förklarade isens rörelse, som är en effekt av friktion och jordens rotation. Ekman satte upp en teori för hur strömmen som vinden sätter upp uppförer sig. Strömmen ändrar sig med djupet (\(z\)) och vi kan skriva \(\vec{u(z)}=u(z)\vec{i} + v(z)\vec{j}\). Storleken på \(u(z)\) och \(v(z)\) kan vi beräkna från följande formler (som inte är så krångliga som de ser ut!)
där \(z\) är höjd (så djupen är negativa), \(f=1.46\times10^{-4}sin(latitud)\) är Coriolis faktorn och \(d=\sqrt{\frac{2\nu}{\left|f\right|}}\) är tjockleken på lagret som känner av vindens inverkan. Vi kallar det ofta Ekman lagret. \(\nu=10^{-2}m^2/s\) är viskositeten* – vattnets “tjockhet” eller tröghet (sirap har t.ex. högre viskositet än vatten**). Teorien är vida känd bland oceanografer och kallas bara för “Ekman spiralen”.
* Den molekylära viskositeten till vatten är mycket lägre, \(\nu=10^{-6}m^2/s\), men i havet gör virvlar och turbulens att den effektiva viskositeten blir större.
a) Vilket värde har Coriolis faktorn i Amundsen havet? I Bergen?
b) Hur tjockt är Ekman lagret? Ett isberg kan vara flera hundra meter tjockt – tror du det påverkas av strömmen som vinden sätter upp?
c) Om det blåser 15 m/s mot väster och det är isfritt, hur stor är då \(\tau_x\) och \(\tau_y\)? (Se uppgift 2)
d) Åt vilket håll (och med vilken hastighet) flyter vattnet i ytan (z=0)? På Ekmandjupet (z=-d)? På vilket djup går strömmen i motsatt riktning av vinden?
e) Försök plotta strömmen! Varför tror du vi pratar om Ekman spiral?
f) När vi skickar ner vår LADCP*** får vi strömprofiler med en upplösning på 8 m (dvs vi får ett värde för strömmen var åttonde meter). Tror du vi klarar observera Ekman spiralen? Varför/varför inte?
g) När det blåser mot väster i Bergen, åt vilket håll går strömmen i ytan då?
*** Ett instrument som följer med CTD:n ner till botten och mäter strömmen i vattnet på vägen. Man får då strömprofiler i tillägg till profiler av salt och temperatur.
Uppgift 5
Om man summerar upp (integrerar) strömmen som vinden sätter upp i Ekman lagret så kan man räkna ut transporten, dvs hur mycket vatten som flyttas åt vilket håll på grund av vinden. Det kallar vi för Ekman transporten, \(\vec{Q_{Ekman}}=U\vec{i}+V\vec{j}\). Då får vi att
\(U=\frac{10^{-3}}{f}\tau_y\)
\(V=-\frac{10^{-3}}{f}\tau_x\)
Enheten på U och V är \(m^3/m/s\) (eller \(m^2/s\)) och de anger alltså hur mycket vatten som flyter förbi per meter per sekund. Uttrycken för \(\tau\) finner du i uppgift 2.
a) Om det blåser 15 m/s mot nordväst och det är isfritt, hur stor är då U och V? åt vilket håll flyttas vattnet?
b) Hur stor är vinkeln mellan vinden och transporten?
c) Om vi har två bojar (se Figur nedan) som ligger 10 km ifrån varandra och där en linje mellan bojarna är parallel med vinden, hur mycket vatten strömmar mellan bojarna under en timme? Vad tror du händer om linjen mellan A och B hade varit kustlinjen?
Illustration till uppgift 4. Vinden blåser parallelt med linjen A-B. Åt vilket håll går Ekman transporten? Vad hade hänt om linjen A-B varit kustlinjen?
När vinden blåser parallelt med kusten, kommer vattnet antingen att samlas upp mot kusten eller att “försvinna” från kusten.
d) Åt vilket håll tror du det blåser när vi får översvämning på Bryggen i Bergen (tidvattnet har så klart också stor betydning!)
e) Vid kusten av den Antarktiska kontinenten blåser vinden vanligtvis mot väster – längre norrut (60S) blåser det starka vindar mot öster. Skissera hur vinden blåser och åt vilket håll Ekman transporten går. Vad tror du sker i mitten? Diskutera i grupp innan ni läser svaret längre ner på sidan.
Konvergens och divergens i havet
När vinden och därmed Ekmantransporten har olik riktning (det räcker egentligen att den ändrar storlek) från ett område till ett annat (som i uppgift 4) så får vi “konvergens” (om ytvattnet “samlas ihop”, i.e. om pilarna som visar Ekmantransport pekar mot varandra) eller “divergens” (om det försvinner eller tunnas ut, i.e. om pilarna går ifrån varandra). När vi har divergens och ytvattnet “försvinner” så måste det fyllas på med vatten underifrån. Vatten från djupet “sugs” upp till ytan av vinden. I områden där det här sker kontinuerligt (e.g. runt Antarktis) är det stor biologisk aktivitet eftersom vattnet nere i djupet är rikt på näringsämnen. Vindmönstret runt Antarktis lyfter upp relativt tungt vatten från djupet och bidrar till att vattnet i den övre delen av havet är tyngre än i andra områden. Vatten som sjunkit ner till botten i Nord Atlanten kommer här upp till ytan igen. Vill du läsa mer så googla t.ex “wind driven upwelling”.
Wind and currents have a strength and a direction and therefor use vectors to represent them, for example: \(\vec{u}=u\vec{i} + v\vec{j}\). \(\vec{i}\) and \(\vec{j}\) are unit vecors pointing towards east and north (see figure) while \(u\) and \(v\) gives the length of the vectors or the strength of the current in that direction If the wind blows towards the north with 10 m/s we have \(\vec{u}=10\vec{i}\); if it blows towards south \(\vec{u}=-10\vec{i}\); and if it blows towards the northeast we get \(\vec{u}=7.1\vec{i}+7.1\vec{j}\).
Unit vecorihas length 1 and point to the east. The unit vector j has length 1 and points to the north.
The ice conditions change constantly due to wind and currents – so the captain must follow the evolution through e.g. satellite images so that we don’t get “caught” by the drifting ice. (Araon is an ice breaker, but breaking ice is slow and very fuel consuming) . The sea ice is realtively thin and its motion is most affected by the wind – a rule of thumb is that the ice more with about 2% of the speed of the wind and about 30 degrees to the left of the wind (in the north it moves to the right of the wind).
Exercise 1
The wind is blowing 20 m/s towards the west and the drifting ice is 5 km from land.
a)Express the motion of the wind and the ice on vector format
b) How far southward will the ice move in an hour?
c) How fast does Araon have to drive to make past the peninsula to the moorings on the other side before the ice closes the passage? Will we make it?
Map over the Amundsen Sea. Light blue areas are covered by ice shelves. grey areas are land. Araon (the red dot) want to get over to the western front of the Getz ice shelf to deploy moorings (crosses), but the ice is moving towardsland… will we get past the peninsula in time, or will we get stuck in the ice?
Exercise 2
The wind exerts a stress \((\vec{\tau}=\tau_x\vec{i} + \tau_y\vec{j})\) on the sea surface that sets up a current in the water.The size of the stress can be calculated if we know the strength of the wind: \(\vec{\tau}=C_{D}\left|\vec{u}\right|\vec{u}\), where \(\vec{u}=u\vec{i}+v\vec{j}\) is the wind at 10 m height.
a) If it is blowing 10 m/s towards the north and \(C_D=1.6\times10^{-3}\), how large is the stress then? In which direction is it acting?
b) We know that the size of \(C_D\) change when there is ice on the water and scientist have found that \(C_D=10^{-3}\times(1.5+2.233C_i-2.333C_i^2)\) where \(C_i\) is the fraction of the sea surface that is covered by ice (the ice concentration). For what ice concentration is \(C_D\) largest? smallest? How large was the ice concentration in the exercise above?
Exercise 3
During their expedition on FRAM (1893-1896) the Norwegian oceanographer Nansen observed that the ice was drifting to the right of the wind (he was in the Arctic) and he asked his friend Vilhelm Bjerknes to get one of his students to study the problem. It was the Swedish scientist Vagn Valfrid Ekman who ended up explaining that the motion of ice is an effect of friction and the rotation of the Earth. Ekman developed a theory describing how the current that is set up by the wind behaves. The current changes with depth and we can write: \(\vec{u(z)}=u(z)\vec{i} + v(z)\vec{j}\).
The size of \(u(z)\) and \(v(z)\) can be calculated from the following formaulas (which are not as complicated as they look!)
where \(z\) is height (so the depths are negative), \(f=1.46\times10^{-4}sin(latitud)\) is the Coriolis faktorn (caused by the rotation of the Earth) and \(d=\sqrt{\frac{2\nu}{\left|f\right|}}\) is the thickness of the layer that is affected by the wind. We often call this layer the “Ekman layer”. \(\nu=10^{-2}m^2/s\) is the viscosity* – the “thickness” of the water (syrup has a higher viscosity than water**). The theory is well known amongst oceanographers and is referred to as the Ekman spiral.
* The molecular viscosity of water is much lower \(\nu=10^{-6}m^2/s\), but turbulence and eddies make the effective viscosity in the ocean much higher
What is the value of the Coriolis factor in the Amundsen Sea? In Bergen?
How thick is the Ekman layer? An iceberg can be several hundred of meters thick – do you think it is affected by the current set up by the wind?
If the wind is blowing towards west with 15 m/s and there is no ice – how large is then \(\tau_x\) and \(\tau_y\)? (See exercise 2)
In what direction (and with what speed) is the water in the surface (z=0) flowing? At the Ekman depth(z=-d)? At what depth is the current flowing in the opposite direction to the wind?
Try to plot the current! Why do you think we talk about an Ekman spiral?
When we send down our LADCP*** we get current profiles with a resolution of 8m (i.e we get one measurements for the current every 8 m) Do you think we are able to observe the Ekman spiral? Why/why not?
*** the LADCP is an instrument that we send down together with the CTD all the way to the bottom and that measures the current in the water on its way down (and up) so that we get profiles of current in addition to profiles of temperature and salinity.
Illustration to exercise 4. The wind is blowing parallel to the line A-B. In what direction is the Ekman transport? what would have happened if A-B was the coast line?
Exercise 5
If you sum up (integrate) the current set up by the wind in the Ekman layer we get the transport, that is how much water that is moved in what direction due to the wind. We often call that the Ekman transport \(\vec{Q_{Ekman}}=U\vec{i}+V\vec{j}\), where
\(U=\frac{10^{-3}}{f}\tau_y\)
\(V=-\frac{10^{-3}}{f}\tau_x\)
The unit of U and V is \(m^3/m/s\) (or \(m^2/s\)) and they give the amount of water that is flowing by per meter per second. The expression for \(\tau\) is given in exercise 2.
If it is blowing 15 m/s to the northeast and there is no ice, how larger is then U and V? In what direction is the water transported?
How large is the angle between the wind and the transport?
We have two buoys (see figure below) that are place 10 km apart and where a line between the buoys are parallel to the wind. How much water flows between the buoys per second? What do you think would have happened I the line between A and B would have been the coast?
In what direction do you think the water is blowing when the Bryggen in Bergen is flooded (the tides are also important, off cpurse!)
Along the coast of the Antarctic continent the wind is normally blowing towards the west – further north (60S) the wind is blowing to the east. Make a sketch showing the direction of the wind and the Ekman currents. What do you think happens in the middle? Discuss with your friends before reading the answer at the bottom of the page.
Convergence and divergence in the ocean
When the wind and thus the Ekman transport changes direction (or magnitude) from one region to another we get “convergence” or divergence. When we have divergence the surface water in an area “disappears” (i.e. it moves away and is not replenished) and new surface water must be provided from below. The water from depth is sucked up to the surface by the wind. In areas where this happens continuously (e.g. around Antarctica) we find large biological activity, since the water from depth is rich in nutrients. If you want to read more, then google e.g. “Wind driven upwelling”.
Jorden snurrer rundt, rundt, rundt… hele tiden, og det påvirker hvordan vannet i havet strømmer og hvordan vinden blåser (det påvirker dog ikke hvilken retning virvelen i badekaret snurrer når du tømmer det). Vi kaller det for Corioliseffekten eller Coriolis kraften.
Du trenger:
Skjærebrett
Linjal (gjerne lang)
Lim (for å feste linjalen på skjærebrettet)
En penn
Tegnestifter
Et hvitt papir
En medhjelper!
Klipp ut en stor* sirkel av papiret og fest den i midten av skjærebrettet med en tegnestift (sjekk med mamma eller pappa først om du får lov). Fest linjalen med lim (eller tape) på skjærebrettet slik at den går over papirsirkelen. Tegn så en rett strek langs linjalen samtidig som medhjelperen din snurrer på papiret (med klokken). Hvordan ser det ut?
Papiret er «jorden» sett fra sydpolen. Hvordan ser det ut fra nordpolen? Snurr papiret den andre veien!
* men ikke så stor at diameteren til sirkelen er større enn lengden på linjalen.
Jorden snurrar runt, runt, tunt… hela tiden, och det påverkar hur vattnet i havet strömmar och hur vinden blåser (Det påverkar dock inte åt vilket håll virveln i badkaret snurrar när du tömmer det!). Vi kallar det här för Corioliseffekten eller Coriolis kraften.
Du behöver:
Skärbräda
linjal (gärna lång)
häftmassa (för att fästa linjalen på skärbrädan)
en penna
häftstift
ett vitt papper
en medhjälpare!
Klipp ut en stor* cirkel av pappret och fäst den i mitten med häftstiftet på skärbrädan (kolla med mamma eller pappa först om du får lov). Fäst linjalen med häftmassan (eller tejp) på skärbrädan så att den går över papperscirkeln. Rita nu ett rakt streck längst linjalen medan din kompis snurrar på pappret (med klockan). Hur ser det ut?
Pappret är “jorden” sett från sydpolen. Hur ser det ut från Nordpolen? Snurra pappret åt andra hållet!
* men inte så stor att diametern på cirkeln är större än längden på linjalen
The world is turning around and around… all the time! And this has a big influence on where ocean currents go and how winds blow (It doesn’t, however, influence the vortex that appears when you drain your bath tub!). We call this the “Coriolis effect” or “Coriolis force”.
For the experiment, you’ll need:
a cutting board
a long ruler
glue or tape (to glue the ruler to the cutting board)
a pencil
a couple of pens
a white paper
a second pair of hands (someone to help you with the experiment)
Cut out a large* circle from he paper and pin it to the middle of the cutting board with the pencil (check with your parents first that they are ok with that!). Glue or tape the ruler onto the cutting board such that it goes over the paper circle.
Now draw a line along the ruler’s edge while your helper turns the paper circle clockwise. What do you see?
The paper circle represents the world as seen from the South Pole. What would the same thing look like from the North Pole? Turn the paper circle the outer way round to find out!
*but the diameter needs to be smaller than the length of the ruler!
Mens Elin er på tokt i Amundsenhavet er eg på tokt til Filchner-Ronneisen som ligg heilt sør i Atlanteren, i Weddellhavet.
Isdekke i Antarktis er som ein hatt. Inne på kontinentet ligg den fleire tusen meter iskappa, toppen av hatten, men ut mot randområda blir isen tynnare og flyt på havet som ein hattebrem. Denne flytane delen av isen heiter isbrem på norsk, men som oftast seier vi isshelf. «Hattebremmen» er ikkje like brei rundt heile Antarktis-kontinentet, men delt opp i to store og mange mindre isbremmar.
Fleire av dei små isbremmane, spesielt på den Antarktiske halvøya og i Amundsenhavet blir dramatisk tynnare på grunn av auka tilførsel av varme frå havet. Isbremmane spelar ei viktig rolle i stablisering av isdekket i Antarktis og i produksjonen av det kaldaste og tyngste vatnet i havet. Det store spørsmålet er kva som skjer med dei største; Ross- og Filchner-Ronne-isbremmane, og om vi kan risikere at is-kappa over vest Antarktis kollapsar.
Verdas kaldaste havvatn blir produsert under Filchner-Ronne-isbremmen i Antarktis, i volum verdas største flytane lekam. Dette superkalde havvatnet er kjelda til det tyngste vatnet i verdshava, det Antarktiske botnvatnet, som dekker mesteparten av botn i Stillehavet, Indiahavet og Atlanteren. Isbremmane er også ei motkraft som hindrar innlandsisen i å strøyme ut i havet. Om isbremmane smeltar, aukar utstrøyminga av innlandsis til havet og havnivået vil dermed stige.
Inntil nå ser vi ingen teikn til auka smelting av Filchner-Ronneisen, men nokre klimamodellar viser at dette kjem til å endre seg i nær framtid (50 år). I følgje ein modell vil smeltinga av undersida av Filchner-Ronne isbremmen auke frå i dag 20 cm/år til 4 m/år i 2060 p.g.a auka tilførsel av varme frå havet. Dette vil få dramatiske konsekvensar med kraftig stigning av havnivået.
Det er langt frå sikkert at dette vil skje, men det er eit veldig viktig klimaspørsmål og det er grunnen til at eg nå er her sør i isøydet. Vi må forske på om havsirkulasjonen vil endre seg slik at meir varmt havvatn strøymer innunder isbremmane, og så må vi bygge observatorium der vi kan måle endringar i havstraumane over mange tiår.
Det er slike observatorium vi nå bygger inne på Filchner-Ronneisen og i havet utafor. I havet der vi kan segle med isbrytarar består observatoria av måleriggar slike som Elin har omtala. For å gjere observasjonar under isbremmen må vi første bore oss gjennom isen og til det treng vi mykje utstyr og drivstoff. I år har den tyske isbrytaren Polarstern frakta utstyr og drivstoff fram til Ronneisen der vi bygger eit depot med mange tusen liter drivstoff. Til å frakte det til der vi skal bore, bruker vi beltevogner av same type som blir brukt til å preparere skiløyper og slalåmbakkar. Sledane som vi frakter tankane med drivstoff på er berre eit stort stykke plastikk.
For å lage eit hol gjennom den mange hundre meter tjukke isen bruker vi varmt vatn som vi pumper gjennom ein slange og fram til boren. Boren er eit tungt røyr med ei dyse som spyler og smeltar isen mens den sakte blir senka ned gjennom isen.
Inne i isen er det -25°C og vatnet i holet frys difor etter kort tid, så vi må vere raske med å sette ut instrumenta som skal måle i havvatnet under isen. Instrumenta er kopla til ein kabel som går gjennom isen slik at dei kan sende data til overflata. Når instrumenta er på plass er det berre å la holet fryse igjen og starte med å observere kva som skjer havstraumane under isen.
Slik ser en isbrem ut fra siden. Den røde pilen viser varmt vann som strømmer inn under isen.
Frysepunktet til havvann synker med økende saltholdighet og med økende trykk – jo saltere vannet er eller jo høyere trykket er, jo mer kan man kjøle det ned før det fryser. Ferskvann fryser ved 0\(^\circ\)C – havvann ved -1.9\(^\circ\)C. På 1000 m dyp kan man kjøle ned vannet til -2.6\(^\circ\)C innen det fryser. Under de store isbremmene i Antarktis kommer havvann i konatakt med is på store dyp. Når vann er i kontakt med is, så smeltes isen og vannet kjøles ned til frysepunktet. Under Filchner-Ronne isbremmen finnes grunningslinjen (se figur) på 1800 m dyp. Da kan vannet bli veldig kaldt!
Oppgave 1
Frysepunktet er en funksjon av saltholdighet og trykk; \(T_f=T_f(S,P)\). For konstant P (dvs. på et visst dyp) og for små endringer i S endrer frysepunktet seg lineært med saltholdigheten og vi kan skrive \(T_f=kS+m\).
a) Vi vet at \(T_f(S=34.4,P=0)=-1.8879^\circ C\) og \(T_f(S=34.7,P=0)=-1.9051^\circ C\). Bestem konstantene \(k\) og \(m\).
b) Hva er \(T_f(S=34.5,P=0)\)?
c) Hva er \(T_f(S=0,P=0)\)? Stemmer det? Hvorfor/hvorfor ikke?
På samme måte kan vi, for en gitt saltholdighet, skrive \(T_f=kP+m\).
d) Vi vet at \(T_f(S=34.5,P=0)=-1.8936^\circ C\) og \(T_f(S=34.5,P=1000dbar)=-2.6466^\circ C\). Trykket øker med omtrent 1 dbar per meter, så trykket er ca 100dbar på 100 m dyp, 200dbar på 200 m dyp og så videre. Bestem konstantene \(k\) og \(m\).
e) Hva er frysepunktet når P=2000dbar (ca 2000 m dypt)?
f) Min kollega Svein Østerhus har vært med og boret gjennom den tykke isen Filchner-Ronne isbremmen i Weddellhavet og gjort målinger av vannet under. Den laveste temperaturen de målte var -2.53\(^\circ\)C. Saltholdigheten var 34.5. Hvor dypt må de (minst) ha vært?
g) Hvor kaldt kunne vannet ha vært om du målte nede ved grunningslinjen (1800 m)?
Oppgave 2
Når is smelter i saltvann skjer to ting; temperaturen synker ettersom varmen fra vannet brukes til å smelte isen, og saltholdigheten synker ettersom saltvannet blander seg med smeltevannet fra isen. For å smelte en viss mengde is trenger vi en viss mengde varme – skal vi smelte dobbelt så mye is trenger vi dobbelt så mye varme. Forandringen i temperatur er proporsjonal med forandringen i saltholdighet: \(k=\Delta T/\Delta S\)=2.4. En linje med stigningstall 2.4 i et TS-diagram (et diagram med salt på x-aksen og temperatur på y-aksen) viser hvordan saltholdighet og temperatur forandres når is smelter i havvann. Den kalles for en Gade-linje (se figur) etter Professor Herman Gade fra UiB.
TS-diagram som viser to Gade linjer (røde linjer) og frysepunktet (svart linje). I oppgavene skal vi bestemme linjenes ligninger og finne skjæringspunkt. De stiplede linjene viser iopyknaler. Iso betyr lik, pykno betyr tetthet – så alle vannmasser (punkter) på linjen har samme tetthet. Tallene angir tetthet i kg/m3.
a) Finn ligningen (\(T=kS+m\)) som beskriver hvordan temperaturen forandrer seg når is smelter i vann som har T=2\(^\circ\)C og S=34.6? Plot den i et TS-diagram (en graf med saltholdighet på \(x\)-aksen og temperatur på \(y\)-aksen).
b) Hvor salt er vannet når T=0\(^\circ\)C?
c) Hvor salt er vannet når vannet er på fryspunktet? Her trenger man å bruke uttrykket for frysepunktet som du kom fram til i oppgave 1 (P=0).
d) Figuren nedenfor viser et TS-diagram med data fra en CTD stasjon som ble tatt ved fronten av Filchner isbremmen da jeg var der for noen år siden. Hva var den laveste temperaturen som vi målte da? Hvordan kan det ha blitt så kaldt?
TS-diagram som viser data fra en stasjon ved fronten av Filchner isbremmen. Den svarte linjen viser frysepunktet (for P=0).
e) Finn Gade linjen som går gjennom punktet med det kaldeste vannet vi observerte og plott den sammen med dataene og og linjen som angir frysepunktet (fra oppgave 1, P=0).
f) Det meste av vannet som kommer inn under Filchner-Ronne isbremmen er på frysepunktet (P=0). Hvor salt var det kaldeste vannet som vi observerte når det kom inn under isbremmen, dvs før det smeltet is?
Med hjelp av Gade linjen kan vi bestemme hvor salt vannet som kommer ut fra hulrommet under Filchner-Ronne isbremmen var når det strømmet inn. Ettersom vi vet hvordan saltholdigheten endrer seg langs fronten (det blir saltere jo lenger vest man går) så kan vi også si hvor vannet strømmet inn.
