Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu - pomiary bezpośrednie

Jak w ostatnich 150 latach mierzono temperatury górnej warstwy oceanu? Jak zrozumienie procesów fizycznych i błędów pomiarowych pomaga w ujednoliceniu danych klimatycznych i zrozumieniu zmian klimatu? Specjalny tekst na ten temat przygotował dla Nauki o klimacie i Centrum Nauki Kopernik prof. dr hab. Piotr J. Flatau z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.

Rysunek 1: Eksponat Centrum Nauki Kopernik „Z głową w chmurach”, zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości CNK.

Po co mierzymy temperaturę oceanu?

W Centrum Nauki Kopernik w Warszawie znajduje się eksponat - zawieszone z sufitu i wiszące nad podłogą chmury konwekcyjne. W atmosferze tropikalnej takie wypiętrzone chmury regulowane są przez temperaturę oceanu, a jedną z zaskakujących hipotez zmian klimatycznych (hipotezą termostatu) jest pomysł, że poprzez odbijanie promieniowania słonecznego chmury ograniczają także maksymalne temperatury nad oceanem. Te sprzężenia zwrotne temperatury oceanu z innymi elementami meteorologii i oceanografii: chmurami, cyrkulacją atmosferyczną, prądami morskim czy opadami powodują, że pomiary powierzchniowej temperatury oceanu są ważnym elementem obecnej dyskusji nad zmianami klimatu.

Temperatura oceanu jest też jednym z najdłużej bezpośrednio mierzonych parametrów klimatycznych. Ponieważ powierzchnia oceanu stanowi około 70% powierzchni całej Ziemi, mierzone zmiany jej temperatury mają kluczowe znaczenie dla pomiarów globalnej temperatury powierzchni naszej planety.

Rysunek 2: Globalna zmiana temperatury oceanu w oparciu o dwie różne bazy danych klimatycznych, w których wykorzystano tylko pomiary temperatury nad oceanem (HadSST3 i NOAA). Szary pas pokazuje zakres niepewności dla analizy HadSST3, żółta linia - dane przed naniesieniem poprawek. Dane pokazują odchylenie od średniej z lat 1961-1990. Źródło: Jones, 2016.

Rysunek 3: Rozkład temperatury oceanu na Ziemi 13 grudnia 2010 (La Niña) oraz 3 grudnia 2015 (El Niño). Prezentowane wyniki oparte są o dane z przyrządów: Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), Moderate Imaging Spectroradiometer (MODIS) Terra and Aqua oraz Advanced Microwave Spectroradiometer-EOS (AMSR-E). Źródło: PODAAC.

Temperatura powierzchni oceanu jest także istotna w prognozie wielu zjawisk atmosferycznych. Rysunek 3 pokazuje rozkład temperatury w grudniu 2010 oraz w grudniu 2015 roku. Widać różne rozkłady temperatury powierzchni oceanu na Pacyfiku w tych dwóch latach.

Przełom 2010-2011 (górny rysunek) to okres La Niña natomiast przełom 2015-2016 (dolny rysunek) to okres silnego zjawiska El Niño. W czasie El Niño temperatura wody przy wybrzeżach Ameryki Południowej jest wyższa niż w czasie La Niña. Powoduje to znaczne zmiany w opadach nie tylko w Ameryce Południowej, ale wpływa także na pogodę w średnich szerokościach geograficznych.

El Niño/La Niña można diagnozować za pomocą indeksów opartych na pomiarach temperatury górnej warstwy oceanu.

Na zdjęciach satelitarnych temperatury oceanu możemy dostrzec wiele szczegółów przepływów oceanicznych. Na rysunku 4 widać duże obszary ciepłej wody na zachodnim Pacyfiku i wschodnim Oceanie Indyjskim, z którymi związane są opady w obszarze Indonezji. Po wschodniej stronie Pacyfiku zaznaczony jest wąski obszar zimniejszej temperatury, nazywanej „zimnym językiem”, gdzie rozwijają się zafalowania nazywane niestabilnością tropikalną.

Rysunek 4: 24 sierpień 2014 roku. Na zachodnim Pacyfiku widać olbrzymi obszar ciepłego oceanu. Po jego wschodniej stronie zaznaczony jest „zimny język” temperatury powierzchniowej i rozwijające się na nim zaburzenia t.zw. Tropical Instability Waves.

Rysunek 5 pokazuje obszar Atlantyku, w niebieskiej ramce widoczny jest Prąd Zatokowy (Golfsztrom), który niesie ciepłą wodę z obszarów podzwrotnikowych w kierunku północnym i później w stronę Europy, powodując, że zimy w Europie są cieplejsze niż w innych rejonach świata położonych na podobnych szerokościach geograficznych.

Rysunek 5: Temperatura oceanu 24 sierpnia 2014 roku. Widoczne są meandry Prądu Zatokowego (niebieska ramka).

Rysunek 6: Temperatura powierzchniowa oceanu względem „oka cyklonu” huraganu Frances. Widać, że huragan zostawia za sobą „zimny ślad”. Źródło: Pearn Niiler, UCSD

Pomiary temperatury górnej warstwy oceanu mają też znaczenie w prognozie cyklonów tropikalnych. Na rysunku 6, który pokazuje rozkład temperatury oceanu względem oka huraganu Frances widać, że przesuwa się ono w kierunku wysokich temperatur pozostawiając za sobą „zimny ślad” cyklonu. Ten zimny ślad oznacza, że energia huraganu jest pobierana w dużym stopniu z oceanu i jest zmieniana przez kondensację pary wodnej na energię kinetyczną wiatrów w huraganie. Ciepła anomalia temperatury oceanu pod przemieszczającym się sztormem może spowodować jego gwałtowną intensyfikację. Jest też możliwe (chociaż wciąż w dużym stopniu dyskutowane), że wzrost temperatury oceanu związany z globalnym ociepleniem może przyczynić się do wzrostu liczby albo intensywności huraganów w zmieniającym się klimacie.

Definicje

Rysunek 7: Definicje różnych temperatur powierzchni oceanu: (a) temperatura granicy powietrze-ocean (SSTint); (b) temperatura naskórkowa powierzchni oceanu mierzona w podczerwieni (SSTskin); (c) temperatura naskórkowa powierzchni oceanu mierzona w mikrofalach (SSTsub-skin), (d) temperatura warstwy powierzchniowej oceanu na głębokości z (SSTz); fundamentalna temperatura powierzchni oceanu (SSTfnd). Skrót SST używany na tym rysunku oznacza Sea Surface Temperature (temperatura powierzchni oceanu) [Źródło: https://www.ghrsst.org].

Ale co to właściwie jest temperatura powierzchniowa oceanu? Zanim zajmiemy się technikami pomiarowymi popatrzmy na rysunek 7, który ilustruje pionowy profil temperatury oceanu w górnej warstwie od pewnej podstawowej (fundamentalnej) wartości na głębokości około 10 metrów. Na rysunku pokazane są typowe rozkłady w czasie nocy i w czasie dnia. Ta „fundamentalna” temperatura powierzchniowa, oznaczona niebieskim krzyżykiem, jest obserwowana zazwyczaj pod koniec nocy w całej warstwie do 10 metrów i to właśnie ona jest wykorzystywana do opisu zmian powierzchniowej temperatury oceanu.

Jednak rysunek pokazuje że temperatur powierzchni oceanu jest „więcej”, bo zależą one od tego, na jakiej głębokości dokonywany jest pomiar. Na samej granicy atmosfery i oceanu, białym krzyżykiem zaznaczona jest temperatura SSTint. Jest ona zazwyczaj nieco mniejsza niż temperatura wody bezpośrednio poniżej; oziębienie to jest związane z wypromieniowaniem energii w podczerwieni. Jest to temperatura, jaka byłaby zmierzona na samej powierzchni wody, ale definicja ma znaczenie głównie teoretyczne, bo bezpośrednie pomiary temperatury na tej granicy nie są możliwe.

Kolorem czerwonym i kolorem żółtym zaznaczone są: temperatura powierzchni oceanu mierzona około 10 mikrometrów od granicy powietrze-woda (włos ludzki ma około 60 mikrometrów tak, że jest to pomiar bardzo blisko granicy oceanu). Okazuje się, że promieniowanie elektromagnetyczne w podczerwieni wnika do oceanu na bardzo niewielką głębokość. Nieco głębiej, bo na kilka milimetrów, wnikają fale w zakresie mikrofalowym. Temperatury wody wyznaczone na tych głębokościach nazywają się temperaturami naskórkowymi w zakresie fal podczerwonych lub mikrofalowych; można je pośrednio wyznaczyć z pomiarów satelitarnych.

Kolorem zielonym zaznaczona jest temperatura warstwy powierzchniowej oceanu na pewnej głębokości; ta temperatura jest mierzona, dla przykładu, za pomocą wiadra, czerpaka, dryfujących boi czy też wody zaburtowej pobieranej do chłodzenia silnika. Ponieważ pomiary wykonuje się na różnych głębokościach to zaproponowano oznaczać ją jako SST, ale z informacją na jakiej głębokości został wykonany pomiar - dla przykładu SST(18cm).

Temperatura oceanu zmienia się w czasie dnia, kiedy górna warstwa pochłania promieniowanie słoneczne; zachodzą w niej także dobowe zmiany temperatur i powstaje ciepła warstwa, która zazwyczaj znika pod koniec nocy. Rozkład z głębokością tej warstwy ciepłej nie jest do tej pory precyzyjnie zrozumiany. Jej struktura zależy od tego jak przeźroczysta jest woda, co zazwyczaj jest związane z ilością fitoplanktonu, jakie są prędkości wiatru na powierzchni oceanu i jaka jest pionowa struktura przepływu wody. W czasie nocy i dnia z powierzchni oceanu wypromieniowana jest energia w podczerwieni. Temperatura jest też kontrolowana przez parowanie wody.

Od kilku lat wszystkie sposoby pomiaru powierzchniowej temperatury oceanu redukowane są do wyznaczenia podstawowej temperatury zdefiniowanej powyżej. Innymi słowy, niezależnie od techniki pomiarowej i niezależnie od czasu wykonania pomiaru, staramy się wprowadzić korekty systematyczne, tak, żeby pomiary miały ten sam punkt odniesienia. W praktyce, te systematyczne poprawki są czasami niezwykle skomplikowane do zastosowania, zwłaszcza jeżeli pomiary były wykonywane kilkadziesiąt lat temu.

Pomiary bezpośrednie – najpierw były drewniane kubły

Kubły zrzucano ze statków na linie, wyciągano je z wody i wkładano do nich termometr, żeby zmierzyć temperaturę (rysunek 8). Tak zaczęły się – a było to mniej więcej 150 lat temu – pierwsze pomiary temperatury wody na powierzchni oceanu. Decyzja o rozpoczęciu pomiarów zapadła na konferencja meteorologii morskiej w 1853 roku, głównie w celu poprawy bezpieczeństwa żeglugi. Wykorzystywano do tego celu ochotnicze statki obserwacyjne, które prowadziły pomiary w trakcie regularnych rejsów. Okazuje się, że jest to obecnie najdłuższa seria pomiarowa, jaką mamy do oceny zmian temperatury na powierzchni Ziemi.

Rysunek 8: Drewniany kubeł, czerpak z płótna oraz współczesny czerpak z Niemiec [Carella2017].

Inne dane klimatyczne i sposoby oceny zmian temperatury opierają się na wskaźnikach paleoklimatycznych – czyli informacjach na temat zmian temperatury opartych nie na bezpośrednich pomiarach, lecz na ocenach pośrednich lub modelach numerycznych. Pomiary temperatury z kubła z wodą są pomiarami bezpośrednimi i dlatego są takie ważne.

Wprawdzie od 1853 roku istniał protokół pomiarów, tzw. „abstract log”, ale nadal wykorzystywano wiele różnorodnych technik, które utrudniają obecnie ujednolicenie wyników. Przez 150 lat zmieniały się metody pomiarowe – najpierw były to drewniane kubły, później czerpaki płócienne i gumowe, potem mierzono temperaturę w wodzie, która służyła do chłodzenia silników, od 1971 roku używano boi zakotwiczonych, a od 1978 roku boi dryfujących na powierzchni oceanu. Obecnie coraz częściej wykorzystuje się pomiary satelitarne. Czasami zmieniały się warunki zewnętrzne – w czasie wojny pomiary ze statków europejskich należały do rzadkości i większość pomiarów pochodziła ze statków amerykańskich, nie robiono też pomiarów w nocy, żeby nie zdradzać położenia statku.

Co się dzieje z wodą w kuble, kiedy zostanie wciągnięty zza burty na pokład statku? W czasie dnia na kubeł świeci Słońce, a wiatr powoduje parowanie. Materiał, z którego jest wykonany czerpak powoduje, że zmiany temperatury wody zachodzą szybciej lub wolniej, w zależności od tego, jaka jest temperatura powietrza. Naukowcy stosowali różne techniki do oceny zmian temperatury wody zaburtowej w stojącym na pokładzie wiadrze. Jedną z metod jest pomiar w laboratorium (rysunek 9); wyniki daje się opisywać równaniami, które uwzględniają różne czynniki: dochodzące promieniowanie słoneczne, wypromieniowanie w podczerwieni, wielkość czerpaka i rodzaj materiału z jakiego jest skonstruowany, prędkość wiatru, mieszanie wody, początkowe różnice temperatur i wilgotności pomiędzy powietrzem i wodą. Dla przykładu (rysunek 10), jeżeli pomiar następował po 3 minutach od wyciągnięcia kubła, a woda była o 5 stopni cieplejsza niż powietrze, w tym czasie schładzała się o ok. 0,2 stopnia Celsjusza – innymi słowy w raportach w systematyczny sposób była zaniżana temperatura powierzchni oceanu. Ten „zimny błąd” jest obecnie uwzględniany przy korekcji danych pomiarowych temperatury oceanu i jego uwzględnienie stanowi jedną z metod ujednolicenia danych klimatycznych.

Rysunek 9: Ilustracja pomiarów eksperymentalnych do oceny zmian temperatury wewnątrz różnego rodzaju kubłów i czerpaków. Użyto precyzyjnych termometrów do pomiarów temperatury powietrza i wody, wentylatora i urządzenia do mieszania wody [Carella2017].

Rysunek 10: Zmierzona temperatura wody (ciągła, czarna linia) w zależności od czasu i początkowych różnic pomiędzy temperaturą wody i powietrza. Przypadek d1: temperatura wody jest o 5 stopni Celsjusza cieplejsza niż temperatura powietrza, d2: woda o około 1°C zimniejsza niż otaczające powietrze, d3: woda o 5°C zimniejsza niż temperatura powietrza. Pokazane są tylko wyniki dla przypadku, kiedy woda jest słabo wymieszana. Prędkość wiatru 3,5 m/s. Zacienionym kolorem pokazane są wyniki modelu [Carella2017].

Pomiary bezpośrednie - dryftery

Jeżeli wrzucić piłkę do wody, to popłynie wraz z prądem rzeki. Pod koniec lat 1970. zaczęto konstruować boje dryfujące po oceanie (dryftery), składające się ze sferycznej kuli, w której umieszczono przyrządy do pomiaru temperatury, baterie oraz system do komunikacji z przelatującym nad boją satelitą. Na podstawie pozycji boi z odbiornika GPS można wyznaczyć jej prędkość i kierunek, natomiast satelitarna transmisja danych umożliwia zebranie danych dla oszacowania temperatury oceanu na głębokości około 18 centymetrów poniżej granicy ocean-powietrze.

Typowa boja ma średnicę 40 centymetrów i jest przyczepiona liną do swego rodzaju „dziurawej skarpetki” w kształcie cylindra o długości 7 metrów, ograniczającej dryf do prędkości i kierunku prądów występujących około 15 metrów poniżej powierzchni oceanu. Jeżeli wrzucić dużą ilość dryfujących boi do oceanu, w odległościach około 500 kilometrów od siebie, to można z ich pomocą ocenić temperaturę wody przy powierzchni na bardzo dużych obszarach.

W ostatnich dwóch dekadach na oceanach dryfuje około 1300 boi powierzchniowych, a niektóre z nich, poza pomiarami prądów i temperatury, dostarczają informacji na temat ciśnienia powietrza blisko powierzchni wody i/lub jej zasolenia. Czasami wrzuca się dryftery do oceanu przed przejściem cyklonów tropikalnych, co pozwala na zmierzenie tzw. zimnego śladu cyklonów, czyli spadku temperatury oceanu spowodowanego przez oddziaływanie między oceanem, a cyrkulacją atmosferyczną w cyklonie.

Fakt, że boje dryfują, popychane przez wiatr i prądy oceaniczne, nie jest samo w sobie dobry dla globalnych pomiarów temperatury, bo po pewnym czasie dryftery lądują na brzegu, lub znajdują się za blisko siebie. Dlatego każdego roku wrzuca się do oceanu kilkadziesiąt nowych dryfterów. Pomiary temperatury dokonywane dryfterami wykorzystują najczęściej mały czujnik – termistor zatopiony w żywicy epoksydowej i ochraniany stalową rurką, która wystaje ze sferycznej obudowy boi blisko jej dna. Dokładność pomiarów wynosi około 0,1°C, ponieważ jednak boje dryfują w oceanie przez kilka lat, to mogą pojawiać się systematyczne zmiany w absolutnej wartości temperatury raportowanej przez termometry, chociaż zazwyczaj są one stosunkowo niewielkie. Boje powierzchniowe są istotnym źródłem globalnych pomiarów temperatury powierzchni oceanu, ponieważ można je wrzucić w zasadzie w dowolnym miejscu, natomiast pomiary ze statków wykonywane są najczęściej na trasach pomiędzy ważnymi gospodarczo rejonami.

Warto zastanowić się nad tym, co to są „globalne pomiary temperatury”? Na lądach stacje pomiaru temperatury rozmieszcza się w odległości około 300 kilometrów od siebie, a pomiary wykonuje się w tzw. czasach synoptycznych, czyli w tych samym czasie na całym świecie. Słowo „synoptic” wywodzi się z greckich słów „razem” i „ogląd”, stąd synoptyczny w oceanografii i meteorologii oznacza wspólny pomiar. Ocean światowy jest rozległy i dlatego jednoczesne pomiary co 300 km były w nim zawsze trudne. Pomiary z dryfterów pozwoliły otrzymać bardziej „synoptyczny” i globalny obraz temperatury wody.

Rysunek 11: Dryfter - boja dryfująca z „dziurawą skarpetką”.

Rysunek 12: Boja dryfująca (biało niebieska) z czerwoną „skarpetką”.

Rysunek 13: Rozkład położenia boi dryfujących i zakotwiczonych w lipcu 2017 roku. Źródło: JCOMMOPS.

Sieć boi w obszarach równikowych

Jednym z najważniejszych osiągnięć ostatnich dwóch dekad było ustawienie w obszarze równikowym Pacyfiku, Oceanu Indyjskiego i Atlantyku sieci pomiarowej (TAO/TRITON, RAMA, PIRATA) zakotwiczonych boi (rysunek 14), które są wykorzystywane nie tylko do pomiarów powierzchniowych temperatur oceanu, ale także do pomiarów poniżej tej warstwy oraz pomiarów atmosferycznych. Boje te są umieszczane na różnych długościach geograficznych pomiędzy szerokością geograficzną 10S i 10N. Boje zakotwiczone odgrywają istotną role w kalibracji przyrządów satelitarnych. Wymagają jednak stosunkowo częstych i kosztownych konserwacji, raz na kilkanaście miesięcy przypływa do nich statek i prowadzone są wtedy wymiany przyrządów. Przyszłość tej sieci, ze względu na koszty, stoi obecnie pod znakiem zapytania.

Rysunek 14: Zdjęcie boi używanej w sieci TAO w równikowym Pacyfiku Źródło: PMEL

Rysunek 15: Mapa sieci boi zakotwiczonych TAO na Pacyfiku. Źródło: PMEL

prof. dr hab. Piotr J. Flatau

W drugiej części artykułu przeczytacie o specyfice pomiarów satelitarnych. Zapraszamy!

Opublikowano: 2018-05-02 10:42
Tagi

ocean pomiary i obserwacje

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.