Fasit til hjemmeeksamen i oseanografidelen av GEO1030 Vind, strøm og klima

Transkript

1 Fasit til hjemmeeksamen i oseanografidelen av GEO1030 Vind, strøm og klima Oppgave 1 a) Det er fire krefter som sammen og hver for seg driver overflatestrømmer i havene. Hvilke krefter er dette? Kompendiet gir a b c F g T (6.10) Hvor a er akselerasjonen, b er trykkgradientkrafta, c er Corioliskrafta, F er friksjonskrafta, g er tyngdekrafta og T er tidevannskrafta. Av de fem kreftene på høyre side av likningen kan ikke c være en drivende kraft, siden den står vinkelrett på hastigheten. Gjenstår b, F, g og T som kan drive havstrømmer. b) Hvorfor kan ikke corioliskraften være en drivende kraft? c kan ikke være en drivende kraft, siden den står vinkelrett på hastigheten og derfor ikke kan utføre noe arbeid eller gi noen energitilførsel. Arbeid er vektorproduktet kraft x vei. Arbeid pr. tidsenhet er vektorproduktet kraft x hastighet. Den oppstår fordi vi befinner oss i et roterende system (jordas rotasjon), og er dermed en fiktiv kraft uten motkraft. Den «bøyer» av banen til et objekt med en hastighet. c) Nansen observerte at i Polhavet gikk overflatestrømmen ofte til høyre for vindretningen, og med en hastighet mindre enn vindens. Forklar kort utfra dette og uten formler hvorfor stabil (uakselerert) vindrevet strøm kan tenkes å dreie til høyre med økende dyp og med avtakende hastighet (Ekmanspiralen). Kompendiet, Kap Hvis det øvre vannlaget setter opp en hastighet i vannlaget under med en hastighet som er mindre og rettet til høyre (på den nordlige halvkule, venstre på sørlige) for hastigheten i det øvre laget, så kan dette vannlaget igjen tenkes å sette opp en lavere hastighet, rettet til høyre for dette vannlaget igjen, osv. Helt til strømmen har snudd 180 grader i forhold til vindretningen. Totalt kan vi få en spiral som dreier til høyre med økende dyp, og der hastigheten avtar med økende dyp. Dette gir en totaltransport (Ekman-transport) som går 90 grader til høyre (NH) for vindretningen. d) I de store verdenshav ser vi at overflatestrømmen danner storstilte antisykloniske virvler som følger vindmønsteret i atmosfæren. Forklar kort hvorfor vind og strøm her synes å gå i samme retning. Kap. 6.3, to siste avsnitt. Vinden setter i begynnelsen opp en Ekman-transport som vil gi en opphopning av vann i vindvirvelens sentrum. Denne opphopningen vil igjen gi en trykkraft rettet normalt på vindretningen. Trykkraften kan balanseres av en Coriolis-kraft, dersom strømhastigheten er i vindens retning. I dette systemet har vi en strøm i vindens retning, der friksjon fra vind og underliggende vannlag balanserer hverandre, og en balanse mellom coriolis- og trykkraft på tvers av strømmens retning, en geostrofisk strøm. e) Hvilke strømmer inngår i de store virvlene i nordre og sørlige del av Stillehavet? Kap. 7 i Kompendiet: Fig. 7.6, Table 7.2, side 58: Nordre del: Nordlige ekvatorialstrøm, Kuroshio, Nordlige stillehavsstrøm, Californiastrømmen Søndre del: Sørlige ekvatorialstrøm, Østaustraliastrømmen, Antarktiske sirkumpolare strøm

2 (Vestenvindsdriften), Peru- eller Humboldtstrømmen f) Hva er størrelsesorden på hastigheter og transporter i disse strømmene? Kap. 7, Table 7.2, side 58: Transporter Sv, med størrelsesorden Sv. Hastigheter cm s -1, med størrelsesorden cm s -1. g) Hvor stor er coriolis-parameteren ved Stadt på Vestlandet (62 N)? Kap. 6 sier: Corolisparameteren, definert som: f 2 sin (6.7) Hvor er rotasjonshastigheten og er breddegraden. Verdien på er / 24hours s. Vi finner at f= s -1. h) Utenfor Stadt strømmer Den norske kyststrøm på et tidspunkt nordover med en hastighet på 0.5 m s -1 i overflaten. Anta videre at denne strømmen er geostrofisk balansert. Hvor mye skråner havoverflaten pr. mil mot vest? Nedover eller oppover? Kap.6 gir g v tan( ) (6.15) f Likningen gir tan(φ)=vf/g= Denne tangensverdien er det samme som skråningen pr. horisontal lengde.ved å multiplisere med 1 mil lik 10 4 m (ved bruk av geometri), får vi en skråning på m som vil si 6.54 cm pr. mil. Siden strømmen går nordover på den nordlige halvkule, så vil Coriolis virke til høyre, slik at vi får en Ekman-transport mot øst (høyre). Dermed vil skråningen være nedover mot vest, 6.54cm pr. Mil. Oppgave 2 Her har det blitt forelest mer enn det står i kompendiet (Kap. 7.4). I læreboka "Understanding.." står det noe, men ikke så mye. a) Hva mener vi med termohalin sirkulasjon? Hvilke krefter driver denne? Vi mener den vertikale sirkulasjonen på stor skala som skapes av forskjeller i temperatur og saltholdighet. Disse forskjellene resulterer i forskjeller i tetthet, og tyngdekraft og trykkraft blir de kreftene som driver denne sirkulasjonen. b) Hvor dannes dyp- og bunnvannet i Atlanterhavet? Hvor langt nord eller sør i Atlanterhavet sprer disse vanntypene seg? Hvilke dyp foregår utbredelsen i? Kap Dypvannet i Atlanterhavet dannes i Grønlandshavet nord for Jan Mayen og i Labradorhavet nær samme breddegrad som Grønlands sørspiss. Bunnvannet dannes i Weddelhavet, under overflaten, men i kontakt med isbreene som strekker seg ut i havet. Dypvannet sprer seg til ca. 40 grader sør, i dyp mellom 2000 og 4000 m. Bunnvannet sprer seg nordover på vestsiden av Den midtatlantiske rygg til ca. 40 grader nord, i dyp mellom 3000 og 5000 m. 6 poeng

3 c) Hvor dannes dyp- og bunnvannet i Stillehavet? Dette er et punkt som ikke har noe helt avklart svar. Noe dannes i Rosshavet, men hvor mye er ikke bestemt. Det er uklart i hvilken grad det dannes noe vesentlig dypvann i det nordlige Stillehav. Det som synes klart er at en vesentlig del av dyp- og bunnvann i Stillehavet kommer fra Atlanterhavet. d) Nevn kort hvordan den termohaline sirkulasjon påvirker klimaet. Den virker utjevnende på temperaturforholdene ved å frakte varme fra ekvator mot polene. e) Hva mener vi med estuarin sirkulasjon? Hvilke krefter driver denne? Hvilke dyp foregår sirkulasjonen i? Beskrevet i Kap. 10: Fig. 10.4, og i powerpoint lagt ut som pdf på nettet: Time11-12.pdf Det menes en vertikalsirkulasjon der strømmen av ferskere vann går ut av estuaret i overflaten, og den saltere strømmen inn går under denne. Kreftene som driver denne sirkulasjonen er trykkreftene og tyngekraften. f) Nevn eksempler på havområder med vanlig estuarin sirkulasjon, og med motsatt estuarin sirkulasjon. Motsatt estuarin sirkulasjon er når fordampningen overgår tilførselen av ferskvann, slik at det blir en innstrømming av vann i overflaten, og en utstrømming under. Eksempler på vanlig estuarin sirkulasjon i stor skala er f.eks. Østersjøen og Svartehavet, mens et klassisk eksempel på motsatt estuarin sirkulasjon er Middelhavet, som vist i slide nr. 7 (Fig.5.3) i pdf-filen Time Oppgave 3 a) Beskriv kort hvordan jord, sol og måne er plassert i forhold til hverandre når vi har henholdsvis spring og nipp tidevann. Hva kaller vi de månefasene som er forbundet med spring og nipp? Kap. 9.2, og lagt ut på nett: Time13.pdf: Når sol, måne og jord ligger tilnærmet på samme linje, vil tidevannet fra sol og måne adderes, og vi får spring tidevann. Altså når tidevannet står på sitt høyeste. Når linjene fra sol og måne til jorda danner 90 grader med hverandre, vil bidragene til tidevann fra sol og måne motvirke hverandre, og vi får nipp tidevann, altså det laveste tidevannet. Månefasene ved spring er ny- og fullmåne, og fasene ved nipp er halvmåne i tiltagende (første kvarter) eller avtagende fase (siste kvarter). 6 poeng b) På nettstedet kan månefasene for november finnes. På hvilke datoer skulle vi forvente spring og nipp tidevann? Spring 14. og 29. november, nipp 7. og 21. november. c) På Sjøkartverkets nettside

4 er det mulig å ta ut varslet såvel som observert tidevann. Ta ut tidevannet for Oslo og Vardø for perioden , Bruk timesverdier. Som referansenivå kan det være praktisk å bruke "Middelvann". Hva synes tidevannsforskjellene å være i de to byene? Hvor stor er værets bidrag til vannstanden i de to byene? Varslet tidevann i Oslo: cm, i Vardø: cm Værets bidrag i Oslo: opp til 70 cm, i Vardø: opp til 29 cm d) I tidevannsvarslingen blir tidevannet beskrevet som en sum av harmoniske funksjoner med frekvenser eller perioder relatert til månen og solas bevegelser på himmelen. Den dominerende komponenten i denne summen av funksjoner er vanligvis den såkalte M2-komponenten som skyldes månen og har en periode på timer. Bruk Sjøkartverkets nettsider og finn M2-komponentens amplitude i Vardø, Tromsø, Narvik, Bodø, Trondheim, Bergen, Stavanger, Tregde og Oslo ut fra "Tidevannstabeller for den norske kyst med Svalbard, samt Dover, England". Sett opp resultatet i en tabell. Havn M2 (cm) Vardø 102 Tromsø 84 Narvik 100 Bodø 87 Trondheim 92 Bergen 45 Stavanger 16 Tregde 9 Oslo 14 e) Nevn kort hvordan tidevannet inngår i klimasystemet. Tidevannsstrømmene bidrar til vertikal blanding, og frakter også varme, og bidrar derved til en temperaturutjevning. Oppgave 4 a) Vi ligger i en bademadrass og dupper i dønninger på dypt vann utenfor Limasol på Kypros. Vi observerer at dønningene har en periode på rundt 5 sekunder. Utled ved hjelp av ligningene (8.2) og (8.4) i Forelesningsnotatenes Kap. 8 et utrykk mellom forplantningshastighet og periode for korte bølger (bølger på dypt vann). Hvilken forplantingshastighet har dønningen? Fra ligningene L c. (8.2) T finner vi g L c (8.4) 2

5 som innsatt for T= 5 s gir at c=7.8 m s -1. b) Hvilken bølgelengde har dønningen? Bølgelengde blir L=cT=39 m. gt c 2 c) Bademadrassen synes å duppe ca. 20 cm opp og ned, og vi antar at disse 20 cm tilsvarer bølgehøyden. Hvis bølgeformen kan beskrives av en sinusfunksjon, vil vannpartiklene bevege seg i sirkler, der partiklenes hastighet i sirkelbanen er en funksjon av sirkelradius og bølgeperiode. Hvilken hastighet får vannpartiklene i overflaten? Amplitude A=10 cm (bølgehøyden/2). Partikkelhastighet blir 2πA/T=0.13 m s -1. d) Hva blir forholdet mellom partikkelhastighet i overflaten og dønningens forplantningshastighet i dette tilfellet? Bruker ligning 8.5 fra kompendiet og finner at forholdet mellom partikkelhastigheten og bølgehastigheten er gitt ved formelen: (L/T) / (2πA/T) = 2πA/L. Kan også bruke svarene fra 4a og 4c. Forholdet blir 0.13/7.8= Forholdet er sjeldent større enn 1/10, noe som betyr at selv om bølgene beveger seg fort, så beveger vannpartiklene seg mye saktere rundt i sirkler.