Meritiede

Wikipedia

Meritiede eli oseanografia (kreikan okeanos, maailmaa ympäröinyt meri) pyrkii ymmärtämään ja kvantitatiivisesti ennustamaan merten ilmiöitä. Meret ovat vesimassa, joka peittää lähes kolme neljäsosaa maapallon pinnasta. Meritiede on monitieteinen ala. Merten ilmiöiden selittäminen vaatii usein sekä fysikaalista, kemiallista että biologista tarkastelua. Yleensä meritiede jaetaan fysikaaliseen, kemialliseen, biologiseen, meteorologiseen ja geologiseen meritieteeseen.

[muokkaa] Fysikaalinen meritiede

Fysikaalinen meritiede keskittyy meren fysikaalisesti mielenkiintoisiin ominaisuuksiin. Se pyrkii selittämään vesimassojen kerrostuneisuutta, liikettä ja sen muita fysikaalisia ilmiöitä, esimerkiksi merijäätä. Fysikaalisen meritieteen osa-alueita ovat myös valon taittumista vedessä tutkiva optinen meritiede ja ääniaaltojen etenemistä tutkiva akustinen meritiede.

Merten dynamiikkaa voidaan lähestyä klassisen mekaniikan avulla. Virtausmekaniikan keskeiset lait, Navierin-Stokesin yhtälöt, ovat eräs Newtonin lakien ilmentymä. Maapallon pyörimisen vuoksi yhtälöihin tulee lisäterminä Coriolisvoima, joka kääntää liikuvaa kappaletta kun sen liike kuvataan maan mukana pyörivässä koordinaatistossa. Muut keskeiset yhtälöt fysikaalisessa meritieteessä ovat jatkuvuusyhtälö ja meriveden tilanyhtälö. Tilanyhtälö kuvaa meriveden tiheyden riippuvuuden sen lämpötilasta, suolaisuudesta ja paineesta. Navier-Stokesin yhtälöjä ja jatkuvuusyhtälöä ratkotaan myös ilmakehän virtauksia mallinnettaessa.

Meret ovat monimutkainen fysikaalinen systeemi, jota ei voida ratkaista analyyttisesti. Tämän takia joudutaan usein turvautumaan numeerisiin merimalleihin. Jos numeerinen malli kattaa koko maapallon on kyseessä globaali malli, muutoin rajoitetun alueen malli. Merimallit voivat olla nk. kytkettyjä malleja, joissa varsinaiseen vesifaasin virtausmalliin on kytkettynä merijäämalli, aallokkomalli ja joskus ilmakehä-, jäätikkö- ja maamallitkin. Laajimpien mallikokonaisuuksien kohdalla puhutaan ilmastomalleista tai Earth System-malleista, etenkin jos mallisimulaatioitten aikaskaala on useita vuosia. Mallien kytkentä tapahtuu energiaa ja massaa vaihtamalla osamalleista toiseen. Esimerkiksi jäätyminen poistaa vettä vesifaasista, mutta lisää pintaveden suolaisuutta, sillä jäätyessään merivesi hylkii suolan pois. Osamallien väliset takaisinkytkennät tekevät systeemistä kovin vaikeastiennustettavan. Näiden takaisinkytkentöjen merkitys korostuu etenkin merijään osittain peittämillä napamerillä.

Vaikka täydellisille Navierin-Stokesin yhtälöille ei analyyttistä ratkaisua olekaan, on joitain tilanteita, joissa sen eri termien suuruusluokkaerot johtavat analyyttiseen ratkaisuun. Näillä ratkaisuilla on meritieteessä saatu muodostettua käsitys valtamerten virtausten dynamiikasta.

Yksi analyyttisistä ratkaisuista tuottaa nk. Ekmanin spiraalin, joka kuvaa tuulen synnyttämää virtausprofiilia veden pintakerroksessa (normaalisti alle 100 metrin syvyydessä) taikka merenpohjanläheistä virtausta. Ekmanin yhtälössä Coriolis-termin tasapainottaa kitkatermi. Virtausprofiilista voidaan edelleen integroida veden kulkeutuminen eli nk. Ekman-transportti. Ekman-transportti on tärkeä koko meren kiertoliikkeen kannalta, sillä jatkuvuusyhtälön mukaisesti pintakerroksessa tuulen kuljettaman veden korvaa syvältä kumpuava vesi. Edelleen pohjalla Ekmanin kulkeutumista johtuu vastaava vesimassojen vaihto. Merten kiertoliike ja vesimassojen sekoittuminen johtuu pääosin siis tuulen ja vuorovesien mekaanisen energian syötöstä ja esimerkiksi tiheyserojen aiheuttaman sekoittumisen merkitys on niille toista kertaluokkaa. Tämä sekoittuminen eli termohaliininen kierto on kuitenkin paikallisesti merkittävää.

Toinen tunnettu analyyttinen ratkaisu saadaan tilanteessa, jossa Coriolis tasapainottaa painegradienttitermin. Tämä on geostrofinen tasapaino ja kuvaa geostrofisia virtauksia keskellä, syvällä meressä. Ilmakehässä vastaavaa tasapainoa kutsutaan vapaan ilmakehän geostrofiseksi tuuleksi.

Edelleen analyyttinen ratkaisu Navierin-Stokesin yhtälölle saadaan, kun ulkoisia pakotteita (yleensä tuuli) ei vaikuta virtaukseen, jolloin hidastuvuuden tasapainottavat Coriolis, painegradientti ja/tai kitka. Tässä tilanteessa syntyvää virtausta kutsutaan inertiavirtaukseksi. Molemmat analyyttiset erikoistapaukset, Ekmanin spiraali ja inertiavirtaus on kyetty luonnossa havaitsemaan.

Vaikka meritieteessä ja ilmatieteessä ratkotaan samoja yhtälöitä, ovat tapahtumien suuruusluokat ja aikaskaalat hyvin erilaisia. Toiseksi vastaavaa synoptisten havaintoasemien verkkoa kuin ilmakehälle ei merille ole. Tämä vähentää paljon tietämystämme meren virtauksista ja kerrostuneisuudesta. Myös tulevien muutosten ennustaminen vaikeutuu.