Merivirrat
FY14 Geofysiikka
Veden liike merissä
- Merivirtojen perussyynä Auringon energian epätasainen jakaantuminen maapallon pinnalle leveyspiirien suhteen
- Virtauksia ja lämmönsiirtoa alhaisilta leveysasteilta napa-alueita kohti sekä ilmakehässä että merissä
- Maapallon pyöriminen vaikuttaa virtauskentän rakenteeseen
- Tuulen aiheuttama ajovirta ja kiertoliike
- Tuulista siirtyy energiaa myös merivirtojen käyttövoimaksi
- Merkitsevä vain parin sadan metrin paksuisessa kerroksessa
- Vaikuttaa vain n. 10 %:iin kaikesta merivedestä
- Termohaliininen kiertoliike
- Lämpötilan ja suolaisuuden muutosten aiheuttamiin tiheysvaihteluihin liittyvä (syvä) virtaus
-
Vuorovesi
- Lyhytjaksoista, lähinnä Kuun vetovoimasta johtuva
Suuret pyörteet
Kuva: Wikipedia CC0
Pohjois-Atlantin pyörre
Pohjois-Tyynenmeren pyörre
Etelä-Tyynenmeren pyörre
Etelä-Atlantin pyörre
Intianmeren pyörre
- Havaitunlaisen virtausrakenteen aiheuttavat Auringon säteilyenergia, painovoima, tuulet ja Coriolis-kiihtyvyys
Maapallon tuulivyöhykkeet
- Pohjoisessa ja etelässä vallitsevat länsituulten vyöhykkeet
- Päiväntasaajan molemmin puolin pasaatituulet (itätuulet)
- Napa-alueilla heikommat itätuulten vyöhykkeet
Kuva: Wikipedia BY-SA 3.0
- Ilman ja veden rajapinnalla tuulesta kohdistuu veden pintaan kitka
- Horisontaalinen liike veden pintaan
- Veden sisäisen kitkan kautta tuulen vaikutus ulottuu alempiin kerroksiin samalla vaimeten
- Tuulen ajovirta 10–100 m paksussa kerroksessa
- Pintavirtauksen nopeus 2–3 % tuulen nopeudesta
Ekman-spiraali
- Meren pinnalla tuuli pyrkii saamaan aikaan tuulen suuntaista aallokkoa ja virtausta
- Veden sisäisen kitkan ja Coriolis-ilmiön yhteisvaikutuksesta veden pintavirtaus liikkuu noin 45°:n kulmassa tuulen suuntaan nähden ja liikesuunta kääntyy edelleen syvemmälle mentäessä
Kuva: Wikimedia CC BY-SA 4.0
- Kerrosta, jonka pohjalla veden virtaus on muuttunut täsmälleen vastakkaiseksi kuin tuulen suunta, kutsutaan Ekman-kerrokseksi
- Aiheuttaa vesimassojen pyörremäisen kiertoliikkeen
- Kasaa vettä pyörteen keskelle
- Voidaan soveltaa pinnalla ajelehtivien kappaleiden liikkeiden arviointiin
Tuulen suunta
Geostrofinen virtaus
- Vesirunkoon voi muodostua paine-eroja vedenpinnan korkeuden tai veden tiheyden muuttuessa
- Tuulen aiheuttama veden kuljetus tärkein mekanismi
- Kun tasapaino syntyy Coriolis-kiihtyvyyden ja painekentän välillä, muodostuu geostrofinen virtaus
- Maapallon pyörimisen virittämä virtaus
- Geostrofinen pyörre säilyy pitkään, kunnes kitka vaimentaa sen (ellei ylläpitävää voimaa ole)
Kuva: NASA
- Keskimittaiset pyörteet leveydeltään 100 km
- Esim. Pohjois-Atlantin Sargassomerellä (myös jätepyörre)
Kuva: Wikipedia CC0
Pysyvät merivirrat
Kuva: Wikipedia CC0
- Pystysuunnassa virtaukset kilometrin syvyyteen
- Vaakasuuntainen sirkulaatio synnyttää suuria kokonaisen valtamerialtaan kattavia virtauspyörteitä
- Hydrostaattinen paine suurempi korkeamman veden kohdalla paine-erovoima
- Paine-erovoima kohdistuu suuremmasta paineesta pienempään, Corioliskiihtyvyys kohdistuu virtauksesta oikealle (pp) / vasemmalle (ep)
- Rannikot estävät veden kiertoa koko maapallon ympäri
lämmin
kylmä
Termohaliininen kiertoliike
- Meren pintakerroksessa veden tiheys on pienempi kuin syvällä (stabiili kerrostuneisuus)
- Mikäli kerrostuneisuus epästabiili (tiheämpää vettä päällä) konvektiivista sekoittumista, kunnes kerrostuneisuus neutraali
- Pintavirtaukset tapahtuvat lämpimässä pintakerroksessa kesätermokliinin yläpuolella
- Termohaliinisen kiertoliikkeen synnyssä on tärkeintä veden lämpenemisen tai jäähtymisen synnyttämät tiheyserot
- Napamerillä jään muodostuksesta seuraa voimakasta konvektiota, jolloin syntyy syvempien vesikerrosten (hidas) virtausjärjestelmä
- Raskas, kylmä vesi kulkeutuu syvällä navoilta päiväntasaajalle päin ja työntää vanhempaa ja lämpimämpää vesimassaa samalla ylöspäin
- Päiväntasaajalla pinnalle noussut vesi palaa navoille päin pintavirtauksena virtaussykli jatkuu
Kuva: Wikipedia CC0
Kuva: killerinourmidst.com
Kuva: mail.tku.edu.tw
Kumpuaminen ja painuminen
- Tuulen ajovirta aiheuttaa tietyissä tilanteissa myös huomattavaa pystysuuntaista virtausta
- Nousevaa virtausta pinnalle kutsutaan kumpuamiseksi ja laskevaa virtausta painumiseksi
- Kumpuaminen tuo syvemmältä kylmempää, ravinteikasta vettä pintaan (painumisalueet ravinneköyhiä)
- Avomerellä kumpuaminen laaja-alaista ja pysyvää
- Esim. päiväntasaajalla pintaveden divergenssi (hajaantuminen) vesi korvautuu pystyliikkeenä syvemmältä
- Rannikolla lyhytaikaisempaa ja paikallista
- Tuuli rannikon suuntaisesti (pp:llä rannikko vasemmalla), vesi kulkeutuu Ekman-teorian mukaan tuulen suunnasta oikealle eli avomerelle päin
- Rannikolta poistuva vesi korvautuu syvemmän veden kumpuamisella
Kuva: Wikipedia CC0
Esimerkki 1
Meren pinnalla kelluu pelastuslautta. Tuuli puhaltaa tasaisesti etelästä pohjoiseen nopeudella 10 m/s.
Oletetaan, että pinnan läheinen merivirtaus määräytyy Ekman-teorian mukaisesti eli pintavirtaus poikkeaa noin 45° oikealle tuulesta pohjoisella pallonpuoliskolla, ja sen nopeus on tyypillisesti noin 2 % tuulen nopeudesta.
a) Miksi pelastuslautta ei liiku täsmälleen tuulen mukana?
b) Arvioi, kuinka suuri on pelastuslautan nopeus ja mihin ilmansuuntaan se kulkee.
c) Kuinka kauas lautta kulkisi 24 tunnissa, jos se seuraa pintavirtausta?
d) Mitä eroa olisi, jos sama tilanne tapahtuisi päiväntasaajalla?
a) Lautta seuraa veden liikettä, ei suoraan tuulta. Coriolisilmiö kääntää veden virtauksen suuntaa tuuleen nähden.
b) Pintaveden nopeus on
v_{vesi} = 0,02v_{tuuli} = 0,02 \cdot 10 \ \text m/ \text s = 0,2 \ \text m/ \text s
Suunta on 45° oikealle tuulesta eli koilliseen.
c) Oletetaan, että lautta etenee tasaisella nopeudella. Vuorokaudessa kuljettu matka on
s = v_{vesi}t = 0,2 \ \text m/ \text s \cdot 86400 \ \text s = 17280 \ \text m \approx 17 \ \text {km}
d) Coriolisilmiön voimakkuus (coriolistaajuus) riippuu leveysasteesta:
Päiväntasaajalla Coriolis-voimaa ei ole, jolloin virtauksen suunta olisi lähempänä suoraan tuuleen suuntaa (vain kitkan vaikutus).
f = 2 \Omega \sin \varphi
Golfvirta ja NAO
- Saa alkunsa lämpimän, tyynen Sargassomeren länsireunalta
- Lämpimän veden ja kylmän rannikon välissä kulkee päävirtaus, jossa runsaasti sisäisiä pyörteitä
- Päävirtaus jatkaa pohjoiseen varsinaisena Golfvirtana
- Kuljettaa mukanaan lämpöenergiaa
- Jäähtyessään pohjoisen haaran vesi painuu syvemmälle ja palaa alkulähteille
-
Pohjoisesta tulee lisää kylmää, vähäsuolaista vettä
-
Pohjoisesta tulee lisää kylmää, vähäsuolaista vettä
- Vaikuttaa ilmastoon, mutta Grönlannin ja Pohjois-Atlantin ilmasto-olosuhteet vaikuttavat painuvan veden määrään
- Kvasisäännölliset vaihtelut 10–20 vuoden jaksoissa: Pohjois-Atlantin värähtely (NAO)
Kuva: Wikipedia CC BY-SA 4.0
Kuva: Wikipedia CC0
ENSO-ilmiö ja El Niño
- Merien ja ilmakehän välinen vuorovaikutus (El Niño – Southern Oscillation)
- Normaali tilanne (La Niña):
- Merivirrat kulkevat päiväntasaajan ympärillä länteen ja paluuvirta päiväntasaajalla itään
- Normaali konvektiokierto, sateet merellä
- Amerikkojen länsirannikoilla kuivaa
- El Niño:
- Päiväntasaajan lämpimän veden alue siirtyy itään, jolloin haihtumisen ja sateiden sijainti muuttuu
- Etelä-Amerikan rannikolla sateista, Indonesiassa ja Pohjois-Australiassa kuivaa
- Vaikuttaa maapallon keskilämpötilaan
- La Niña kylmä, El Niño lämmin
Meriveden pintalämpön poikkeama keskilämpötilasta (Huom! yksikkö °F) El Niño- ja La Niña -vuosina
Kuva: NOAA
Kuva: IRI
2–7 vuoden sykleissä, kesto 9 kk – 2 a
Merivirrat
By pauliinak
Merivirrat
FY14 Geofysiikka
