6. Structura apelor oceanice

 

Apele din cadrul Oceanului Planetar prezintă o structură diferenţiată în funcţie de adâncime. Cele costiere vor avea carcteristici aparte faţă de apele din larg, generate de mai mulţi factori: temperatură, salinitate, absorbţia luminii etc. Energia solară care ajunge la suprafaţa oceanului este folosită în cea mai mare parte în procesele de evaporare. O parte din aceasta va fi înmagazinată la nivelul maselor de apă şi ulterior transformată. Ca urmare a încălzirii neuniforme, apele din oceane sunt structurate pe diferite niveluri: ape de suprafaţă, picnoclina şi apele de adâncime.

Apele de suprafaţă.
Deorece variabilitatea termică a acestora este mult mai mare, precum şi cea a proceselor de evaporaţie sau de aport din precipitaţii, stratul superior din oceane va fi cel mai neomogen la nivelul Terrei. Densitatea apelor este aici redusă, iar schimbul permanent la interfaţa Ocean-Atmosferă le determină o dinamică ridicată. Valurile şi curenţii contribuie la impunerea termenului de strat de amestec pentru aceste ape de suprafaţă.

Picnoclina.
pycno: densitate clina: salt sau pantă.
Stratul următor corespunde unei schimbări majore la nivelul densităţii, variabilă cu creşterea adâncimii. Efectul picnoclinei este de barieră pentru mişcările verticale ale apelor, constituind fundamentul circulaţiei de suprafaţă.

Apele de adâncime.
Din cauza prezenţei picnoclinei, acestea se "lovesc" ca de un plafon , fiind astfel împiedicate să se amestece rapid cu apele de suprafaţă. Singurul schimb direct cu atmosfera se produce doar în zonele polare, acolo unde apele de adâncime ies spre suprafaţă, ca urmare a absenţei picnoclinei. Temperatura medie este de 3,5 gr. C, iar omogenitatea acestor mase de apă este cea mai ridicată din întregul Ocean Planetar.

Structura apelor din ocean, pe un profil N-S. Scara este redusă, apele de adâncime coborând până la valori de 4000-600m. Credits NASA.

TEMPERATURA.
Cantitatea de radiaţie solară absorbită de apele oceanelor variază în funcţie de latitudine (care determină înălţimea soarelui pe boltă) şi de perioada anului. Gradul de acoperire cu nori constituie un alt factor determinant. Energia primită de la soare este relativ constantă la nivelul părţii superioare a atmosferei: 0,5 cal/cmp/1 minut. După trecerea prin atmosferă, la nivelul suprafeţei pământului ajunge doar 0,25 cal/cmp/1 minut, valoare medie în 24 de ore. Această radiaţie nu este păstrată la suprafaţa apelor ci este transmisă către adâncime. Presupunând prin absurd că toată radiaţia ar rămâne stocată doar în stratul superior de 1m grosime, atunci temperatura acestora ar creşte zilnic cu 3,5 gr. C. Observaţiile zilnice la nivelul apelor de larg indică însă o variabilitate mică de la o zi la alta, rezultat al disipării căldurii către apele de adâncime ( M. Grant Gross, 1990).

Toată această radiaţie primită de la soare nu este reţinută în întregime, o serie de procese de răcire controlând bilanţul radiativ dintre oceane şi atmosferă (evaporaţia, radiaţia reflectată etc.). Cantitatea totală de apă evaporată din oceane într-un an este echivalentă cu un strat de 1m grosime, valoare care se reîntoarce sub forma precipitaţiilor şi a apei continentale. Din acest motiv se păstrează o stare generală de echilibru în timp îndelungat. Distribuţia termică la suprafaţă corespunde apelor cele mai calde în zonele tropicale şi subtropicale (25-30 gr. C), iar a celor mai reci în zonele polare (până la -1,7 gr.C). Diferenţieri importante sunt cauzate de masele continentale distribuite neregulat (mai mult în Emisfera Nordică), în apropierea acestora apele fiind mai calde decât cele de larg. Circulaţia generală oceanică redistribuie temperatura la suprafaţa oceanului. Curentul Golfului (Gulf Stream) este responsabil de creşterea temperaturii apelor din Atlanticul de NE şi implicit de condiţiile climatice din Europa occidentală. Alţi curenţi reci transportă ape din regiunile polare către latitudini joase.

Temperatura medie pentru intervalul 2002-2008 pe baza imaginilor MODIS. Credits Giovanni.

Pe verticală apele prezintă o stratificare rezultată din procesele diferite de încălzire. Stratul superior, de amestec va fi mai cald, sub acesta extinzându-se un strat denumit termoclină. Caracteristica sa este dată de scăderea bruscă de temperatură pe o adâncime redusă. Pentru multe sectoare din ocean termoclina este aproape identică cu picnoclina. Apele de adâncime sunt omogene cu variaţii minore ale temperaturii.

SALINITATEA.
Variaţiile cele mai mari ale salinităţii caracterizează apele costiere, pentru cele de larg ecartul fiind mult mai redus. Fiind influenţată de aportul apelor continentale, de raportul precipitaţii/evaporaţie, salinitatea va fi însă mai omogenă în comparaţie cu temperatura. Dacă salinitatea variază între 30-37 psu, temperatura are o amplitudine mai mare, -1,7 - 30 gr. C.
Salinitatea medie a apelor de suprafaţă pentru anul 1998. Credits WO Atlas 1998.

Salinitatea medie a apelor la adâncimea de 2000m, pentru anul 1998. Credits WO Atlas 1998.

Pe verticală se constată valori cu oscilaţii mari la suprafaţă, (până la -200m) apariţia unui strat de salt numit haloclină (halos: sărat, cu ~100m grosime) şi un strat de adâncime cu valori constante (34-35 psu).

Valorile cele mai ridicate se înregistrează în Marea Roşie şi Golful Persic: 40-42 psu. Pentru bazinul Mediteranei valorile ating 37-38 psu.

MASELE DE APĂ.
Temperatura şi salinitatea determină apariţia maselor de apă. Acestea sunt volume uriaşe de apă cu aceleaşi caracteristici termo-saline. Se pot diferenţia următoarele tipuri de mase de apă:
- de suprafaţă (0-200m)
- intermediare (200-1500m)
- de adâncime (1500-4000m)
- de fund (peste 4000m)
Masele de apă Antarctice: coboară şelfurile antarctice, fiind foarte reci (maxim 2-3 gr. C.) şi mătură fundurile oceanice avansând dincolo de latitudinea de 40 gr. N.

Masele de apă Intermediare: se extind până la -1500m şi au temperaturi între 3-5 gr.C. cu salinitati de 34,7-35 psu.

Masele de apă Atlantice de Fund: sunt legate de apele reci din spaţiul Labradorului. Temperaturi în jur de 3 gr. C. şi salinităţi de 34,9 psu.

În oceane penetrează mase de apă din mediterane cu salinităţi mai ridicate. Peste pregul Gibraltarului trec ape din M. Mediterană cu salinităţi mai mari, care secţionează Atlanticul sub forma unei pene de ape sărate.

5. Apa de mare

 

Pentru înţelegerea caracteristicilor oceanului este necesar, în prealabil, să se cunoască proprietăţile apei de mare. Caracteristicile generale fizico-chimice, biologice sunt derivate în mod direct din cele ale structurii moleculei apei.

Fiecare moleculă de apă este alcătuită din doi atomi de hidrogen şi un atom de oxigen, care formează împreună un dipol tipic. Atomii de hidrogen, cu sarcină + sunt legaţi de atomul de oxigen, cu sarcină - la un unghi de 105 grade, printr-o legătură covalentă. Între mai multe molecule de apă, atomii de hidrogen sunt legaţi de cei de oxigen mult mai slab ca cei din interiorul unei singure molecule (de 20 de ori mai slab), printr-o legătură de hidrogen.

În lipsa unei legături de hidrogen nu ar mai exista oceane şi nici viaţă pe Terra.
Apa este una dintre puţinele substanţe care există în toate cele trei stări de agregare: lichidă, solidă şi gazoasă. Structura unei molecule de gheaţă este însă una diferită. Ca orice structură cristalină, aceasta este oarecum rigidă, permiţând doar vibraţii dar nu şi o deplasare liberă ca în cazul stării lichide.

Densitatea gheţii la temperatura de 0 gr. Celsius este de 0,92 g/cmc, în timp ce a apei în stare lichidă este de 1g/cmc. Din acest motiv o bucată de gheaţă pluteşte pe apă.

În procesul schimbării de stare, din lichid în solid, sunt eliminate cea mai mare parte dintre săruri, precum şi alte gaze dizolvate. Procesul reversibil este unul care se face treptat, deorece temperatura este încă una scăzută, vor exista structuri cristaline în interiorul soluţiei lichide. Prin creşterea treptată a temperaturii acestea dispar, iar dacă pragul termic este depăşit legăturile dintre molecule sunt rupte în totalitate, apa trecând în stare gazoasă. Din acest moment moleculele individuale se pot mişca şi roti independent. Cu cât temperatura va creşte în interiorul gazului cu atât moleculele se vor mişca mai rapid, presiunea fiind direct legată de valoarea temperaturii.

Sărurile din apa de mare.
În interiorul apei de mare există mai multe săruri dizolvate care-i determină acesteia o serie de proprietăţi fizice, şi foarte important, îi controlează densitatea. Din cele peste 70 de elementele existente în apă doar 6 dintre ele reprezintă mai mult de 99% din toate sărurile: Cl, Na, Mg, Ca, K şi S.
Totalitatea sărurilor dizolvate într-un litru de apă indică salinitatea soluţiei respective, care se măsoară în grame. Conductivitatea electrică reprezintă o metodă de măsurare a salinităţii, existând o corelaţie directă între aceşti doi parametri.

Gazele dizolvate în apa de mare.
În cadrul apei de mare există o cantitate mică de gaze dizolvate, datorită scimbului permanent existent între ocean şi atmosfera terestră. Spunem că apa de mare este saturată în gaze atunci când pentru o anumită temperatură şi salinitate, cantitatea totală de gaze ce intră în apă egalează cantitatea gazelor ce ies din aceasta, într-un anumit interval de timp. Creşterea temperaturii şi scăderea salinităţii vor duce la creşterea cantităţii totale de gaze dizolvate. Cea mai mare proporţie a gazelor dizolvate revine: azotului (48%), oxigenului (36%) şi CO₂ (15%) și argonului (1%). Pe măsură ce apele de suprafaţă coboară în adâncime, proporţia gazelor dizolvate se poate modifica ca urmare a difuziei moleculare sau prin amestecul apelor cu alte mase care conţin o cantitate diferită de gaze. Concentraţia acestor gaze dizolvate constituie una dintre proprietăţile conservative ale apei de mare, modificările putând apare doar ca urmare a unor procese bio-chimice. Ciclul azotului în apa de mare.


Particule existente în apa de mare.
Cele mai multe particulele din ocean există din cauza organismelor marine. O bună parte dintre ele servesc ca hrană pentru alte vieţuitoare de adâncime. Pentru a atinge fundul oceanului unele particule au nevoie de ani de zile. O altă categorie provine din râurile şi fluviile care se varsă în ocean, sau sunt aduse de vânturi de pe continente., ori pot rezulta din contactul apelor cu scoarţa. Prin procesul de dizolvare al unor astfel de particule se poate ajunge la modificări ale compoziţiei apelor de adâncime.

Proprietăţile fizice ale apei de mare.
Salinitatea determină cele mai importante caracteristici fizice ale apelor din oceane. Cu cât valoarea ei va fi mai ridicată cu atât temperatura de îngheţ va fi mai coborâtă. Dacă temperatura de îngheţ a apei dulci este de 0 grade Celsius, o apă de mare cu salinitatea de 35 psu va îngheţa în jur de -2 grade. Descreşterea punctului de îngheţ este liniară din acest motiv la o salinitate de 17 psu temperatura va fi de aproape -1 grade.

Densitatea apei de mare.

Temperatura, salinitatea şi presiunea controlează densitatea apei din mări şi oceane. Diferenţele apărute în cadrul densităţii determină direcţia şi viteza curenţilor de adîncime. Unitatea de măsură: grame/cmc. Pentru o temperatură constantă (de ex: 30 grade C) o schimbare a salinităţii de la 34 la 35 psu va reprezenta o modificare a densităţii de la 1,021 la 1,022.

Relaţia dintre temperatură şi salinitate în determinarea densităţii

În funcţie de valoarea densităţii este controlată adâncimea la care masele de apă respective se află în ocean.

Apa Oceanului Planetar se raceşte în ultmii ani? La această întrebare a răspuns Josh Willis, dovedind cum uneori te poţi înşela atunci când datele din măsurători sunt inexacte. Pentru a afla răspunsul citiţi întreg articolul aici.

4. Tectonica plăcilor. Relieful fundurilor oceanice

Crusta Pământului este împărţită în mai multe plăci tectonice sau plăci litosferice. Acestea plutesc pe Astenosferă în tendinţa găsirii unui echilibru relativ. Plăcile tectonice majore sunt: Euroasiatică, Antarctică, Africană, Australiană, Indiană, Nord Americană, Sud Americană, Pacifică. Alte plăci minore: Arabă, Caraibelor, Juan de Fuca, Cocos, Nazca, Filipine etc.

În 1915 Alfred Wegener a publicat The Origine of Continents and Oceans în care remarca asemănarea existentă între coastele estice ale Americii de Sud şi cele vestice ale Africii. Observaţiile sale nu erau o noutate, această potrivire aproape perfectă a celor două coaste fiind remarcată în trecut de Francis Bacon, Benjamin Franklin etc. Wegener nu a putut explica ce forţe au stat însă la producerea acestor deplasări. În 1947 o echipă din cadrul Woods Hole Oceanographic Institution, condusă de Maurice Ewing, confirmă existenţa unui lanţ muntos în centrul Atlanticului (dorsala medio-atlantică) şi observă dezvoltarea crustei oceanice pe roci bazaltice, diferite de cele granitice specifice crustei continetale. Până la elaborarea unui model unitar de deplasare a plăcilor au mai trecut însă mulţi ani, iniţial W. Jason Morgan a publicat un scenariu evolutiv bazat pe existenţa a 12 plăci, urmat ulterior de modelul lui Xavier Le Pichon fundamentat pe 6 plăci majore.

Deplasarea plăcilor este cauzată de mişcarea mantalei superioare, prin intermediul unor curenţi subcrustali, mişcare asemănătoare unui mare covor rulant. Scenariul general presupune existenţa unui supracontinet iniţial Rodinia (cuvânt rusesc care înseamnă mama uscatului) şi a unui ocean unitar Panthalasa (în lb. greacă semnifică mama tuturor mărilor). Rodinia s-a divizat acum ~600 de mil. ani în 8 continente, reunite ulterior într-un continet unitar Pangea. Spargerea survenită acum ~200 de milioane de ani a Pangeei a dus la formarea a două continente Laurasia şi Gondwana, care s-au separat la rândul lor în continetele actuale.

Tipuri de contacte între plăci.

Contacte divergente constructive: se formează crustă
Contacte convergente destructive: se consumă crustă
Contacte conservative sau de transformantă: plăcile se deplasează una în lungul celeilalte.

Procese asociate tipurilor de contacte dintre plăci.

Acolo unde magma din Astenosferă iese la suprafaţă (printr-o crăpătură în scoarţă cu aspect de şanţ, numită vale de rift) se crează crustă oceanică, iar cele două plăci se deplasează în direcţii opuse una faţă de cealaltă. Acest mecanism stă la baza apariţiei dorsalelor, lanţul muntos cel mai lung şi mai complex de pe Terra. Crestele sale se ridică cu 1000-200m deasupra fundurilor oceanice şi prezintă în centru o vale de rift. Procesele vulcanice asociate separă versanţii laterali, fiind asociate şi cu fenomene de seismicitate redusă.

Aspectul general al dorsalei oceanice cu valea de rift în partea sa centrală şi harta distribuţiei acestora.

Pentru contactele convergente destructive sunt specifice procesele de subducţie a uneia dintre plăci şi apariţia gropilor abisale (fose) în sectoarele respective. Vulcanismul asociat este unul foarte activ, însoţit de o seismicitate ridicată (cutremure apărute la adâncimi mari, între 100-700km). Arcele insulare se formează tocmai la contactul dintre două plăci oceanice, fiind des întâlnite în Pacificul de Vest. Convergenţa a două plăci continentale nu duce la apariţia foselor sau a arcelor insulare, ci doar la cea a munţilor (situaţie întâlnită în Turcia şi Pakistan). La contactul dintre subcontinetul indian şi Asia au apărut Munţii Himalaya.

Falii transformante (roşu) se întâlnesc unde plăcile tectonice se deplasează în direcţii opuse (doar între creste) şi sunt însoţite de cutremure. În afara acestei zone, acolo unde plăcile se deplasează în aceiaşi direcţie şi la viteze similare, nu există seismicitate.

RELIEFUL FUNDURILOR ABISALE este reprezentat de câmpiile abisale, glacisurile abisale şi fosele sau gropile abisale. Aceste forme se întâlnesc între 4000-6000m adâncime, doar fosele coborând la valori mai mari. Din întreaga suprafaţă a Pământului aproximativ 30% este reprezentată de această categorie hipsometrică. Câmpiile abisale reprezintă cele mai netede suprafeţe de pe Terra, acoperite de sedimente fine şi ultrafine. Se pot dferenţia mai multe categorii: tipice (în Oc. Atlantic şi Indian), de fosă sau arhipelagice (în apropierea arcelor insulare, numeroase în Pacific). Glacisurile abisale racordează câmpiile abisale de alte forme de relief (dorsale sau munţi izolaţi, dealuri eubmarine etc.). Fosele reprezintă cele mai mari adâncimi de pe Terra. Pot fi periferice, de tip rever, oblice sau mixte.

Forme azonale de relief. În afara marilor unităţi morfologice descrise mai sus, în cadrul Oceanului Planetar, se întâlnesc coline, munţi abisali izolaţi, praguri abisale, depresiuni sau şanţuri abisale. O categorie aparte o formează munţii de tip guyot. Aspectul lor plat dovedeşte o evoluţie în regim subaerian şi o modelare intensă, care a dus la forma plată din partea superioară. Descoperirea lor s-a produs în anul 1945, atunci când Harry Hammond Hess făcea măsurători cu sonarul de la bordul vasului său. Au fost botezaţi după asemănarea cu clădirea de geologie a Universităţii Princeton, care avea un acoperiş plat şi purta denumirea de Guyot Hall. Arnold Guyot a fost un geograf celebru din sec. XIX.

Un guyot tipic, Bear Seamount din Oceanul Atlantic.

 

 

1. Noţiuni generale, definiţia Oceanului Planetar, componente

Oceanografia este o disciplină din cadrul ŞTIINŢELOR PĂMÂNTULUI, care studiază Oceanul Planetar. Prin această noţiune (O.P.) înţelegem totalitatea mărilor şi oceanelor de pe Terra. Deseori denumită oceanologie sau ştiinţă marină, această disciplină prezintă următoarele ramuri principale:
1. Geologia marină sau oceanografia geologică
2. Oceanografie chimică
3. Oceanografie fizică
4. Biologia marină

Geologia marină reprezintă studiul fundului mării din punct de vedere geologic. Aici este inclusă şi tectonica plăcilor.
Oceanografia chimică studiază chimismul apelor marine şi interacţiunea chimică cu atmosfera.
Oceanografia fizică sau fizica marină, este focusată asupra proprietăţilor fizice ale apei: temperatură, salinitate, regimul valurilor, curenţilor etc.
Bilogia marină urmăreşte totalitatea organismelor existente în apa de mare şi modul în care acestea interacţionează între ele.

În afara acestei structuri se pot identifica şi discipline secundare, care folosesc o parte sau chiar toate ramurile principale: inginerie costieră sau oceanografică, oceanografie satelitară, meteorologie marină, arheologie marină etc. 

Abordarea sistemică a Oceanului Planetar presupune acceptarea ideii că există un singur sistem de mari dimensiuni, compartimentat în subsisteme cu o anumită organizare, structură şi funcţionare. 

Originea numelor.
Okeanos: fiul cel mai mare dintre titani, fiul lui Uranus şi al Gaiei.
graphos: descriere. Oceanografia: ştiinţa care descrie Oceanul Planetar.
logos: cunoaştere. Oceanologia: ştiinţa al cărui scop este cunoaşterea Oc. Pl.

Oceanul Atlantic: sau Marea lui Atlas. Numele este vechi şi neschimbat până astăzi.
Oceanul Pacific: denumire recentă dată de Magellan în martie 1521, datorită apelor liniştite întâlnite aici pe toată perioada traversării sale (Mare Pacifiquo).
Oceanul Indian: cunoscut în antichitate ca Oceanus Aetiopicus.

1845: la Societatea Regală de Geografie se încearcă validarea celor mai potrivite nume pentru oceane şi mări.

Pentru denumirile unităţilor de relief din cadrul oceanelor vezi articolul următor, semnat de G. Agapova.

Distribuţia apelor şi uscatului. În Emisfera Nordică: uscat 39 %, oceane 61%. În Emisfera Sudică: uscat 24%, oceane 76 %

OCEANELE: 

- sunt bazine de mari dimensiuni

- care despart continentele

- au fundul dezvoltat pe crustă de tip oceanic

- prezintă circulaţie de profunzime şi de suprafaţă

- au relaţii strânse cu circulaţia generală a atmosferei

- prezintă maree cu o mare varietate de amplitudini

Oceanul Planetar reprezintă 70.8% din suprafața Terrei. Adâncimea sa medie: -3730m. Uscatul are o altitudine medie de 840m.

Oceanele acumulează 98% din întreagă apă de pe Terra, care se găsește în stare lichidă.

Distribuția sa este inegală în cele două Emisfere: 39% în Emisfera Nordică și 81% în cea Sudică.

MĂRILE MEDITERANE 

- sunt bazine cu dimensiuni mai mici

- situate între continente

- comunică cu oceanele prin strâmtori

- fundul chiuvetei este dezvoltat atât pe crustă oceanică cât şi continentală

- chiuveta prezintă o tectonică activă

- circulaţia apelor este generată de vânt sau are caracter geostrofic

Mările mediterane intercontinentale: Mediterana Arctică, Europeană, Americană, Austral-Asiatică.

Mări mediterane intracontinentale: pot fi de ingresiune (au salinităţi mici, M. Baltică) sau instalate în jgheaburi tectonice (salinităţi mari, ape calde M. Roşie, G. Persic).

Alte informaţii despre mediterane.

Componentele Mării Mediterane: 1. M. Alboran, 2. M. Balearelor, 3. M. Tireniană, 4. M. Adriatică, 5. M. Ionică, 6. M. Ligurică, 7. M. Egee, 8. M. Marmara, 9. Marea Neagră cu Marea Azov. 

Componentele Mediteranei Americane: 1. Bazinul Mexic, 2. Baz. Yukatan, 3. Baz. Cayman, 4. Baz. Columbiei, 5. Baz. Venezuelei.

MĂRILE MARGINALE 

- sunt mări deschise

- nu comunică prin strâmtori ci au deschideri largi către ocean

- cu mai multe compartimente care se alătură oceanului.

Cele mai importante fiind: M. Nordului, M. Mânecii, M. Irlandei, M. Chinei de Est, M. Bering, M. Japoniei. Lista mărilor marginale.

LP 5: Salinitatea MN

Scopul laboratorului:
analiza regimului salinității MN pe baza datelor de Earth Observation

Sursa datelor:

http://marine.copernicus.eu/

Salinitatea medie a apelor de suprafață (1992-2016)

 Setul de date. Subset date: apele costiere din fața Deltei Dunării.  Download

Datele reprezintă valori medii lunare, care acoperă intervalul 1992-2016. Ele sunt structurate într-un tabel *xlsx care conține două foi: date brute și grafice. Am realizat o prelucrare primară a setului de date, folosind PivoteTable Fields. Aici veți găsi calculate valorile medii anuale, pentru sectorul costier deltaic al Mării Negre.

Activitate practică: realizați un referat în care să analizați regimul salinității MN din zona de studiu. Cerințe:
- calculați valoarea medie a salinității pentru perioada 1992-2016
- când s-au înregistrat cele mai ridicate/scăzute valori? Care este amplitudinea de variabiliate a salinității? (diferența dintre valoarea maximă și cea minimă)
- care este valoarea medie a salinității pentru fiecare anotimp în parte? Comentați aceste rezultate identificând anotimpurile cu valorile maxime/minime.
- observații personale asupra setului de date

Termen de predare a proiectelor: 31 mai 2025 (grupele 105, 106, 107)