FYSISKE FORHOLD UTENFOR KYSTEN AV NORDNORGE

Transkript

1

2 KAPITTEL 7 4 FYSISKE FORHOLD UTENFOR KYSTEN AV NORDNORGE Bjørn Ådlandsvik og Marek Ostrowski Prosesser på havbunnen avhenger av de fysiske forholdene i havet. Strøm styrer sedimentasjonsforhold og bidrar dermed til å skape det undersjøiske landskapet. For dyrelivet på bunn er strømmen viktig ved at den bringer med seg matpartikler og sprer frittdrivende (pelagiske) livsstadier. en styrer i stor grad hvilke organismer en finner på ulike dyp. I dette kapitlet ser vi på de fysiske forholdene og spesielt strømmen i området vest for Nord-Norge. Vannmasser Langs kontinentalsokkelen og langs skråningen ned mot dyphavet utenfor Nordnorge finnes i hovedsak tre vannmasser. Innerst ved kysten er det naturlig nok kystvann som følger kyststrømmen. Dette vannet som kan følges fra Øster sjøen og som får påfyll fra elver langs kysten er relativt ferskt og med stor forskjell på sommer og vintertemperatur. Utenfor og under dette finner vi atlantisk vann. Dette har høy saltholdighet og relativt jevn og høy temperatur gjennom året. Under dette vannet finner vi intermediært (mellomliggende) vann. Dette er ferskere enn det atlantiske og betydelig kaldere. Overgangslaget mellom det atlantiske og det intermediære vannet kalles termoklinen. I dypere deler av Lofotenbassenget i Norskehavet finner vi også bunnvann som er både salt og kaldt. Strøm Strømmen i havet har ulike drivkrefter. Tidevannsstrømmen styres av månens og solens tyngdekraft. Andre drivkrefter er vind og tetthetsforskjeller i havet. Strømmen påvirkes av bunntopografien og jordrotasjonen som vil snu strømmen til høyre på vår halvkule. Som et resultat av dette har strømmen en tendens til å følge bunnkonturene med grunt vann til høyre. Dette kalles topografisk styring. Den viktigste strømmen utenfor Nordnorge er Atlanterhavsstrømmen som er en forlengelse av Golfstrømmen. Den fører det salte og varme atlantiske vannet nordover og bidrar til et gunstig klima med et mangfoldig dyreliv i forhold til breddegraden. Den sterke Atlanterhavsstrømmen har to kjerner, en indre stabil grein som følger sokkelskråningen og en mer variabel grein lengre ut på dypere vann. Nær Tromsøflaket deler Figur 1: Kart over området med de tre bankene (fra sør mot nord) Sveinsgrunnen, Malangsgrunnen og Nordvestbanken. Den lille firkanten viser dypområdet mellom Malangsgrunnen og Nordvestbanken. Atlanterhavsstrømmen seg, med en grein som følger sokkelskråningen (eggakanten) videre nordover mot Svalbard og en grein som følger Bjørnøyrenna inn i Barentshavet. Innenfor Atlanterhavsstrømmen finner vi den norske kyststrømmen. Den følger kysten nordover og inn i Barentshavet. Strøm varierer i tid og rom. Dette gjør det vanskelig å få et komplett bilde av sirkulasjonen med målinger. Strømmålere er stasjonære instrumenter som måler hvordan strømmen varierer i et punkt. Alternativt brukes også driftere som følger strømmen i et valgt dyp. Et rimelig alternativ er matematiske strømmodeller. De bruker grunnleggende fysiske lover til å beregne strøm basert på kjennskap til drivkreftene og topografien. Modellene er programmer som kjører på store datamaskiner. Begrensning på regnekraft og utilstrekkelig kjennskap til drivkreftene gjør at modellert strøm ikke alltid samsvarer med den virkelige strømmen. Modellert bunnstrøm Ved Havforskningsinstituttet har Jon Albretsen satt opp og kjørt en relativt finskala modell med 800 meters oppløsning som dekker det meste av MAREANO-området utenfor kysten FYSISKE FORHOLD UTENFOR KYSTEN AV NORDNORGE 77

3 av Troms. Modellen drives av tidevann, vind og beskrivelse på randen fra en modell på større skala. Modellområdet med topografien vises i figur 1. Merk at topografien framstår som ganske glatt sammenlignet med den finskala topografien oppmålt i MAREANO. Dette fordi en grid-skala på 800 meter ikke oppløser finere detaljer på bunn. At modellen ikke kan kjenne til disse detaljene er en av feilkildene til det modellerte strømbildet. Modellen produserer strøm på fin tidsskala, men har lagret døgnmidler. Dette glatter i tid og fjerner tidevannsstrømmen fra modelldataene. Det er likevel viktig å ha med tidevannet i simuleringene fordi dette påvirker blandingen i modellen. Figur 2 viser midlere strømstyrke ved bunn fra modellen. Middelet er tatt over perioden fra januar til og med mai i Figuren viser at strømmen ikke er like sterk overalt. Den sterkere strømmen finnes i særskilte bånd knyttet til topografien. Sterkest er en kraftig nordgående strøm langs den grunnere delen av sokkelskråningen. Her er det topografien bratt samtidig som Atlanterhavsstrømmen når ned til bunn. Middelstrømmen her er opptil 30 cm/s. Nærmere kysten ser vi at det er svak middelstrøm oppå bankene og nederst i fordypningene. Sterkere strøm er det i skråningene på kanten av bankene, med strøm som følger dypene inn mot land. Noe av dette vannet strømmer ut igjen på nordsiden av fordypningene mens noe følger kysten til neste fordypning. Figur 2 viser bare strømstyrke og ikke retning. en er vist i egen figur 3. Den illu streres her som avvik i grader fra topografien. Lyse blå og grønne farger, nær null grader, er strøm som følger topografien med grunt vann til høyre. Sterkere blå farge mot magenta, nær minus 90 grader, er strøm på Figur 2: Styrken på modellert bunnstrøm i m/s. De sorte konturlinjene er dybdekoter på 100, 200, 300, 400, 600 og 1000 m dyp. Figur 3: en til den modellerte bunnstrømmen som vinkel i grader i forhold til topografien. Null angir at strømmen følger topografien med grunt vann til høyre. Positive verdier viser at strømmen har en komponent på tvers av topografien mot grunnere vann. tvers av topografien mot dypere vann. Pluss 90 grader, sterkt grønn og gult, er strøm på tvers av topografien mot grunnere vann. De røde fargetonene viser strøm som følger topografien i motsatt retning med grunt vann til venstre. I hovedsak, og spesielt i områder med bratt topografi og tilhørende sterk strøm, følger strømmen topografien. Et unntak er i sokkelskråningen i svingen vest for Malangsgrunnen. Selv med sterk skråning går strømmen her i motsatt retning. Oppe på bankene og nede i dyprennene mellom bankene med svakere strøm er den topografiske styringen svakere. Strøm varierer både i styrke og retning. For oppvirvling av sedimenter er det interessant å se hvor ofte det er sterk strøm. Figur 4 viser hyppigheten av døgnmidlet strøm sterkere enn 5 cm/s. Bildet viser tilsvarende som for styrken på midddelstrømmen at det er bånd hvor det Figur 4: Hyppigheten av døgnmidlet bunnstrøm sterkere enn 5 cm/s. Figur 5: en til den døgnmidlete bunnstrømmen. Figur 6: Midlet bunnstrøm i delområdet innrammet i figur 1. Strømmen er gitt ved piler (for hver tredje gridcelle) mens fargetonene viser dybden. Svak strøm, mindre enn 2 cm/s er ikke inntegnet. Pilenes lengde svarer til strømstyrken. nesten alltid er sterk strøm. Spesielt er dette tydelig langs eggakanten. Oppe på bankene er strømmen svakere og når bare sporadisk opp i fart på 5cm/s. Bemerk at dette er beregnet på grunnlag av døgnmidlet strøm uten tidevann. Maksimal tidevannstrøm kan være sterkere. Variabiliteten i retning kan illustreres ved retningsstabilitet som vises i figur 5. En verdi på 1 svarer til at døgnmidlet strøm har konstant retning. Lavere verdier gir økt variabilitet ned mot 0 som betyr at ingen retning er foretrukket. Langs eggakanten og rundt Malangsgrunnen og Nordvestbanken og langs kysten innenfor disse bankene er retningen svært stabil, knyttet til topografien. Området med motsatt strøm på eggakanten vest for Malangsgrunnen varierer i utstrekning, vist ved et bånd av lav stabilitet rundt kjerneområdet med sørgående strøm. Oppå bankene hvor topografien er flatere er retningen mer variabel. 78 FYSISKE FORHOLD UTENFOR KYSTEN AV NORDNORGE

4 For å se mer detaljert på bunnstrømmen fokuserer figur 6 på dypet mellom Malangsgrunnen og Nordvestbanken (firkanten i figur 1). På dette mindre området illustreres bunnsirkulasjonen med piler. Dypområdet er ikke symmetrisk men har en avstikker mot nord innenfor Nordvestbanken. Strømmen kommer inn mot kysten langs sørsiden av dypet og bøyer av nordover innerst i dypet hvor den deler seg. Greinen som følger dypet ut igjen er til å begynne med svak og brei men blir sterkere utover etter som skråningen blir brattere. Greinen nordover langs kysten innenfor Nordvestbanken er relativt sterk i den bratte skråningen. Innerst mot kysten får bunnstrømmen her et bidrag ved at kyststrømmen fyller hele vannsøylen. Nede i dypet dannes det to virvler, en liten virvel over det dypeste område innerst og en mer avlang lengre ute. Begge virvlene er sykloniske, det vil si at de roterer mot urviseren. Observert strøm Dette delkapitlet består av tre deler. Første del ser på hvor dypt Atlanterhavsvannet trenger ned på skråningen utenfor Troms. Dette gjøres ved å kombinere toktbaserte oseanografiske observasjoner med den detaljerte topografiske kartleggingen fra MAREANO-prosjektet. Del to ser på årstidsvariasjoner i dette dypet og hvordan dette påvirker bunnstrømmen ved hjelp av data fra en strømrigg. Siste del ser på korttidsvariasjon i strømmen nær bunn med fokus på internt tidevann. Figur 7. Høyoppløselig bunntopografi av kontinental sokkelen og skråningen fra Lofoten til Senja. Posisjoner for målinger er inntegnet. Strømpilene kommer fra MAREANO-tokt med G.O. Sars oktober Heltrukne linjer viser snitt med strøm (blått) og hydrografi (rødt). Strømriggen er markert med en stjerne. Det topografiske datasettet har en oppløsning på 50x50 m og er hentet fra multistråle ekkolodd-data fra MAREANO. Kartet er rotert 58 mot øst. rende trekket i denne figuren er termoklinen, karakterisert ved et raskt fall i temperatur fra 5 til1 C fra 500 til 650 meters dyp. Vannsøylen over termoklinen består atlantisk vann som er relativt varmt (T > 5 C) vann med høyt oksygennivå. Under termoklinen finnes en intermediær (mellomliggende) vannmasse i Norskehavet. Dette vannet er mye kaldere (T < 1 C) og fattig på oksygen. Figur 8 viser at toppen på termoklinen og dypet med null strøm møter sokkelskråningen ved samme dyp. Termoklinen gir derfor et et skille i bunnstrømmen. I grunnere områder der bunnen ligger over termoklinen forventes det at bunnstrømmen er knyttet til Atlanterhavsstrømmen mens bunnstrømmen i dypere områder vil opptre mer uavhengig. Lokalt viser modellkjøringene at det likevel kan være sammenheng mellom overflate og bunn i dypere områder ved at strømmen i hele vannsøylen styres av topografiske trekk. Endringer i strømforholdene nær bunn mellom juni 2007 og oktober 2008 En rigg for strømmåling var satt ut i MAREANO området. Posisjonen er merket med en stjerne i figur 7. Riggen hadde tre målere i dyp på 100, 300 og 580 meter. Den dyp este var 19 meter over bunn og representerer strømforhold ene nær bunn. Alle målerne registrerte temperatur, strømstyrke og retning. Riggen med målere er tegnet inn i figur 8b. De to øverste instrumentene var i atlantisk vann og kjernen av Atlanterhavsstrømmen mens det dypeste lå i nedre del av termoklinen, KAPITTEL 7 Dybden på Atlanterhavsstrømmen utenfor Lofoten i oktober 2009 Figur 7 viser et høyoppløselig bunnkart for sokkelen utenfor Troms basert på flerstråle ekkodata fra MAREANO. Oppå denne bakgrunnen er det tegnet inn strømpiler i 30 meters dyp, målt fra et tokt med forskningsfartøyet G.O. Sars i oktober Strømpilene samles og øker i styrke nær eggakanten. Dette viser posisjonen til kjernen av Atlanterhavsstrømmen som flyter mot nordøst i dette området. Figur 8a viser et vertikalt snitt på tvers av den samme strømmen. Kjernen i Atlanterhavsstrømmen strekker seg nedover på yttersiden av eggakanten. Strømmen er sterkest nær overflaten og avtar med dypet til den er nær null ved et dyp på omlag 520 m. Figur 8b viser temperaturfordelingen fra et nærliggende hydrografisk snitt fra samme tokt. (Tegnet som rød linje i figur 7). Det domine- Figur 8. Vertikale snitt fra tokt med G.O. Sars i oktober (a) Komponenten av strømmen langs sokkelskråningen. Positive verdier viser nordøstlig strøm (inn i papiret). Dypere strøm er under deteksjonsgrensen for måleinstrumentet (ADCP, akustisk doppler strøm profilerer) og er derfor utelatt. Horisontal akse viser avstand i km topografi-griddet. (b) snitt. Stasjonene er merker med vertikale prikkede linjer. Plassering av strømrigg med målere er tegnet inn i sort (riggen lå ikke på snittet, se figur 7 for plassering). FYSISKE FORHOLD UTENFOR KYSTEN AV NORDNORGE 79

5 Figur 9 viser tidsseriene fra alle tre strømmålerne. Seriene er glattet med et sju-dagers glidende middel for å fjerne korttidsvariasjoner (bl.a. tidevann). Fargene på pilene viser temperaturen. Fra september til oktober 2007 var forholdene tilsvarende som under MAREANO-toktet med G.O. Sars i 2009, med temperatur 4 C nær bunn og en temperatur på 7-8 C høyere opp i det Atlantiske vannet. Fra midten av desember blir Atlanterhavsstrømmen sterkere og dypere og dekker hele vannsøylen til bunns. Denne situasjonen forsatte til mars Deretter går sirkulasjonen nær bunn tilbake til forholdene under termoklinen med svak strøm og temperatur under 2 C. I denne perioden er det bare det øverste instrumentet som viser Atlanterhavsstrømmen som en stødig sterk strøm mot nordøst. Tabellene 1 og 2 gir en statistisk sammenligning for to 2,5 måneders perioder med sterk vinterstrøm og svakere vårsirkulasjon. Periodene er tegnet inn i figur 9. I vintersituasjonen (tabell 1, figur 10a) hadde strømmen omtrent samme retning hos alle målerne og fulgte topografien i måleområder (fig. 10a). De to øverste målerne har høy retningsstabilitet mens måleren nær bunn har mer variabel retning. I vårperioden derimot er egenskapene til strømmen i 580 m frakoblet det som skjer i 100 og 300 m (tabell 2, figur 10b). Strømstyrken er omtrent halvert i forhold til vinterperioden. Forskjellen i strømretning fra 100 til 580 meter er mer enn 40 grader. en nær bunn har avtatt ytterligere og viser at korttidsvariasjon dominerer sirkulasjonen i denne perioden. Korttidsfluktuasjoner For å se nærmere på variabiliteten på kort tidskala er to 5 dagers perioder valgt ut. Periodene er fra januar med Atlantisk vann til bunns og april hvor den dypeste måleren lå under termoklinen. Tabell 4 og 5 oppsummerer statistikk fra disse seriene mens figur 11 viser progressive vektordiagram. (Et progressivt vektordiagram viser hvordan en partikkel ville beveget seg med strømmen dersom strømmen fra måleren var gyldig over et større område.) I vintersituasjonen (tabell3, figur 11a) beveger en vannpartikkel sluppet i 580 m dyp seg stødig mot nordøst med en fart på 7 km per 12 timer. Strømmen viser bare svake tegn på syklisk oppførsel. Om våren under termoklinen (tabell 4, figur 11b) er strømbildet ,5 45,3 0,97 7, ,0 48,2 0,94 7, ,8 50,2 0,52 6, ,4 43,0 0,90 7, ,1 35,3 0,52 6, ,6 84,3 0,36 2,7 Tabell 1 Statistikk for glattet strøm fra strømriggen med bredde N og lengde E for perioden Tabell 2 Statistikk for glattet strøm for perioden Figur 9. Tidsserier av temperatur og strøm fra strømriggen utenfor Lofoten (bredde N, lengde E). Måleperioden er fra juni 2007 til oktober Tidsseriene fra topp til bunn viser resultater fra 100, 300 og 580 m. Fargeskala angir temperaturen mens strømstyrken vises langs venstre akse. Tidsperiodene for 2,5 måneders periodene er markert med vertikale prikkede linjer. Figur 10., retning og retningsstabilitet midlet over de to 2,5 måneders periodene. (a) , (b) Kartet kommer fra den høyoppløselige bunntopografien fra MAREANO. 80 FYSISKE FORHOLD UTENFOR KYSTEN AV NORDNORGE

6 annerledes, preget av sterke oscillasjoner og liten middelbevegelse. Figur 12 sammenligner utviklingen av temperaturen ved den nederste måleren i de samme periodene. I januar (fig. 12a) er temperaturen relativt uendret bortsett fra en lokalt minimum nær slutten. I april (fig. 12b) viser temperaturen sykliske fluktuasjoner med periode rundt 12 timer og amplityde i området 1-2 C. Dette peker mot interne tidevannsbølger i termoklinen. Slike bølger dannes ofte av tidevannstrøm over ujamn topografi når vannsøylen er lagdelt, slik som forholdene er i sokkelskråningen vest for Troms ,3 47,3 0,97 7, ,8 48,1 0,97 7, ,4 46,7 0,81 7, ,0 39,2 0,96 7, ,8 42,0 0,81 6, ,1 101,1 0,19 2,6 Tabell 3 Strømstatistikk for perioden januar 2008 Tabell 4 Strømstatistikk for perioden april 2008 KAPITTEL 7 Figur 11. Progressive vektordiagram fra strømmåleren i 580 m. (a) januar 2008 og (b) april De horisontale og vertikale aksene gir avstand i km fra startpunkt, merk at skalaene er ulike. Tallene langs kurvene gir tid fra start i timer. Fargeskalaen angir tiden kontinuerlig. Figur 12. Fluktuasjoner i temperatur registrert med strømmåleren i 580 meters dyp. (a) januar 2008, (b) april skalaene er forskjellige. FYSISKE FORHOLD UTENFOR KYSTEN AV NORDNORGE 81