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

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

• Esim. Pohjois-Atlantin Sargassomerellä (myös jätepyörre)

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

Termohaliinikierto

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

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

• 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

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

Kuva: Royal Meteorological Society

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