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
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).
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.
Valurile sunt unde. Aceasta ar fi cea mai simplă și mai directă definiție a valurilor, iar sensul cuvântului wave în limba engleză este atât de undă cât și de val. Aceste mișcări ondulatorii ale suprafeței apei se pot observa pe mări și oceane, dar și pe lacuri sau râuri. Cu toții ați observat până acum un val: fie ați aruncat o piatră într-un lac și ați remarcat cercurile concentrice care se deplasează cât mai departe de locul impactului, fie ați plonjat în valurile mării, sau ați văzut efectele pe care o barcă cu motor le produce când se deplasează, generând valuri care se îndreptă spre maluri.
Marele val de la Kanagawa (Hokusai)
Această lucrare îi aparține artistului japonez Hokusai și a fost creată în secolul al XIX, fiind cea mai cunoscută reprezentare artistică a unui val. În ultimul plan se observă profilul unui munte, înzăpezit în partea superioară, care se numește...
Imaginea de mai sus exprimă o forță teribilă, apa a rămas parcă suspendată în timp și spațiu, poate de aici și fascinația pe care această lucrare o trezește oricărui iubitor al spațiului maritim. Ceea ce Hokusai a reușit să surprindă este de fapt energia transmisă apelor, o energie care se poate datora vânturilor, cutremurelor, activităților vulcanice, alunecărilor de teren submerse, sau altor forțe generatoare pe care le vom discuta în acest curs.
Înțelegem acum valurile ca mișcări ondulatorii ale apei (unde) care transmit un flux constant de energie, dar foarte important de reținut, fără un transport major al apei.
1. DESCRIEREA VALURILOR
Aceste unde pot fi descrise prin elementele morfologice și morfometrice specifice: creastă, șanț, Lungime (L), înălțime (H), perioadă (T) și viteză (c).
L: lungimea valului (lungimea exprimată în metri, între două creste succesive A și B) H: înălțimea valului (înălțimea măsurată în metri din șanț până la nivelul crestei) a: amplitudinea valului (m), care poate fi +/- T: perioada valului (intervalul de timp, măsurat în secunde, necesar trecerii succesive a doua creste printr-un punct fix. f: frecvența valului (f=1/T) c: viteza valului (parametru complicat, măsurat în funcție de adâncimea apei, dar care s-ar putea descrie simplist ca raportul dintre L (m)/T (s). Deci viteza se va exprima în m/s panta valului sau rugozitatea acestuia: H/L d: adâncimea apei (m)
2. CLASIFICAREA VALURILOR
2.1 după forma suprafeței mării valurile se pot clasifica în:
- progresive (se propagă dintr-o anumită direcție, adică majoritatea valurilor) - staționare (doar oscilații pe verticală, fără transmiteri în plan orizontal)
Știu că poate suna oarecum ciudat, ca un val să fie staționar, adică să stea pe loc. Astfel de mișcări sunt însă frecvente în natură și pot apărea la intersecția a două valuri care se deplasează din direcții opuse, valul rezultat fiind cunoscut în literatura de specialitate engleză ca standing wave.
Seișele sunt valuri staționare care apar în golfuri, porturi sau estuare, ca efect al unei variații bruște a presiunii aerului (vântului) sau apariției unor factori catastrofali (cutremure). Unda rezultată va traversa întregul bazin respectiv generând o mișcare armonică verticală. La întâlnirea malurilor sau a digurilor se vor produce procese de reflexie a valului, care se reîntoarce, intersectându-se cu valul inițial, rezultând de aici apariția unui val staționar, la intersecția acestora.
2.2 după relația dintre val și adâncimea apei - valuri de mare adâncă (acolo unde d > L/2) - valuri de tranziție L/20 < d < L/2 - valuri de ape mici apar acolo unde adâncimea apei (d) este mai mică decât L/20 și unde apar procese specifice de spargere a valurilor (deferlare)
2.3 după origine - valuri de vânt. Sunt cele mai întâlnite și sunt provocate de transmiterea energiei atmosferice către suprafața apei. Le vom discuta în detaliu imediat.
- catastrofale. Sunt acele valuri generate de cutremure, erupții vulcanice sau alunecări submerse, cunoscute și ca tsunami. Uneori, în această categorie de valuri catastrofale intră și valurile de furtună, chiar dacă la origine acestea sunt datorate vântului.
- valurile interne. Un alt termen care poate părea confuz, dar este cât se poate de sugestiv, deoarece exprimă acele mișcări ondulatorii care au loc în interiorul apelor (de obicei apar la nivelul picnoclinei). Ele se datorează diferenței de densitate dintre două mase de ape (deci diferențe de temperatură și salinitate). Din acest motiv sunt frecvent întâlnite la gurile de vărsare ale fluviilor sau în zona strâmtorilor. Se observă foarte bine pe imagini aeriene sau satelitare.
- valuri periodice. În această categorie intră mareele, care sunt tot valuri, dar cu lungimi foarte mari.
3. VALURILE DE VÂNT
Atunci când suflăm peste o cană de cafea/ceai care este fierbinte, generăm la suprafață mici valuri, cunoscute ca valuri capilare. Ele reprezintă un stadiu inițial în transmiterea energiei vântului către suprafața apei și au în general L<1.7cm. Toate celelalte valuri, cu lungimi peste această valoare mai sunt cunoscute și ca valuri gravitaționale.
Valurile de vând sunt influențate de trei parametrii:
Viteza și durata vântului sunt foarte importante, deoarece determină cantitatea de energie care intră în sistem. La început vântul are o viteză redusă și determină montarea mării. Cu cât viteza sa va fi mai mare cu atât înălțimea valurilor va fi mai ridicată. Durata este la fel de importantă, determinând perioada de agitație a mării. În clasificarea furtunilor acest parametru este foarte important, putându-se stabili și o clasificare a acestora în funcție de numărul orelor în care a suflat vântul.
Fetch-ul: reprezintă suprafața de apă măturată de vânt și se exprimă în km. În funcție de configurația bazinului maritim direcția vântului poate determina caracteristici diferite ale valurilor. Pentru litoralul românesc vânturile care vin din sector estic prezintă cel mai lung fetch.
Scara Beaufort Este o scară de clasificare a vântului, creată în 1805 de către Sir Francis Beaufort, U.K. Royal Navy
Hula: după ce valurile ies din aria de acțiune a vântului, energia se propagă către țărmuri, parcurgând uneori sute sau mii de km. Chiar dacă pe un țărm nu suflă vântul, fiind o atmosferă calmă, se pot uneori produce valuri, venite din alte zone de furtună. Acestea sunt valuri lungi, cu înălțimi inițial ridicate dar care după ce traversează distanțe mari pot ajunge la doar câțiva centimetri.
4. VALURILE CATASTROFALE (tsunami)
Sunt valuri cu înălțimi foarte mari care provoacă cele mai mari pagube, de cele mai multe ori cu pierderi de vieți omenești. Ele sunt determinate de procese seismice, vulcanice sau de alunecări care au loc la nivelul versantului continental. Lungimea acestor valuri este mare (120-200km) cu perioade (T) de 10-20 de minute. Important de reținut ar fi că înălțimea în larg este redusă (aprox. 0.5m), dar energia eliberată este impresionantă. Aceste valuri cresc brusc în cazul scăderii adâncimii, mai ales în cazul apariției unor platforme de țărm de tip B (vezi LP cu țărmurile înalte.
Insulele Hawaii sunt cele mai afectate de aceste valuri, fiind situate în centrul Pacificului. Ele primesc valuri catastrofale venite de pe întreaga ramă a Arcului de Foc al Pacificului. În ultimii 150 de ani insulele Hawaii au fost afectate, în medie, de 1 tsunami/4 ani. Marele cutremur din Alaska (28 martie 1964) a generat un val tsunami care a produs pagube în lungul insulei Vancouver, California de Nord, dar care a atins și insulele Hawaii. Primul val a ajuns la Midway după 4.9 ore, la Honolulu după 5.3 ore și la Hilo după 5.4 ore. Perioada valurilor a variat între 15-23 de minute, întregul Ocean Pacific fiind măturat în aproximativ 12 ore (COX, D.C. and Pararas-Carayannis, G. 1969, A Catalog of Tsunamis in Alaska, World Data Center A- Tsunami Report, No. 2)
Timpul necesar (ore) valurilor tsunami pentru a ajunge în Hawaii, în urma cutremurelor din 1960 de la Conception (Chile) și 1964 (Alaska). Valul din 1960 a dus la decesul a 61 de oameni și a produs pagube estimate la 24 mil. $ (usgs.gov)
Tsunami Animation: Sumatra, 2004
5. PROPAGAREA VALURILOR ÎN REGIUNILE COSTIERE
Imediat ce frontul de valuri întră în sectorul de coastă, caracterizat printr-o scădere a adâncimii suferă o serie de transformări: procese de refracție, difracție și reflexia.
Refracția reprezintă schimbarea vitezei și a direcției crestelor valului atunci când întâlnesc obstacole (bancuri de nisip, bare submerse, capuri sau platforme de țărm). Acest fenomen este cel mai frecvent atunci când valurile abordează oblic un țărm. Va rezulta un curent longitudinal de țărm, care se va deplasa în lungul șanțurilor dintre barele submerse. Ortogonalele sunt liniile perpendiculare trasate pe crestele valurilor pentru a indica deplasarea acestora. Energia valurilor se va concentra către zona capurilor și se va disipa în golfuri. Animația următoare ilustrează întregul proces.
Difracția reprezintă fenomenul de abatere de la direcția inițială de deplasare a valurilor, în momentul depășirii unui obstacol (banc, dig, etc.) sau la trecerea printr-o portiță. Efectul imediat îl constituie apariția unui efect de adăpost în spatele obstacolului.
Reflexia valurilor reprezintă întoarcerea undei valului în direcția inițială din care acesta a venit, fenomen datorat apariției unui obstacol (dig, faleză etc.).
6. SPARGEREA VALURILOR
În momentul în care valurile intră în sectorul de țărm (dincolo de aprox. 10m adâncime) ele devin instabile, producându-se spargerea sau deferlarea acestora. În funcție de modul de producere al spargerii diferențiem:
- deferlare prin revărsare sau împroșcare (spilling) apare în cazul unei pante reduse a țărmului
- deferlarea prin plonjare (plunging) este forma cea mai cunoscută de spargere a valurilor (vezi Marele val de la Kanagawa)
- deferlarea prin colapsare (collapsing) este o formă de spargere asemănătoare cu plonjarea, doar că este neterminată. Valul se ridică, dar nu se mai arcuiește și se prăbușește pe verticală. Este un tip de spargere specific țărmurilor cu pante mari.
- deferlarea prin inundare (surging) apare în cazul plajelor care au pante ridicate, valul alunecând direct pe plajă, fără a se sparge.
Vânturile dominante reprezintă principala forţă ce generează deplasarea apelor de suprafaţă. Direcţia curenţilor va fi însă diferită de cea a vântului, lucru constatat încă din Antichitate. Fenomenul a fost explicat de către Ekman în 1902, care arată că într-o mare staţionară, omogenă, fără alte acceleraţii au loc anumite procese tipice:
Vagn W. Ekman (1874-1954)
- sub influenţa unor vânturi dominante şi constante se constată o deplasare a apelor de suprafaţă cu 45 gr. spre dreapta, în Emisfera Nordică şi spre stânga în cea sudică, ca urmare a forţei Coriolis. Viteza acestor curenţi de suprafaţă este de 2% din cea a vântului.
- fiecare strat de apă pe profil vertical se va deplasa şi el spre dreapta, faţă de stratul superior
- cu cât creşte adâncimea cu atât scade viteza curentului, generată de procesele de frecare existente între stratele de apă şi de vâscozitatea acesteia. Din acest motiv curenţii de vânt nu se extind la adâncimi foarte mari.
- pe un profil vertical se constată o mişcare spiralată a direcţiilor de deplasare (spirala lui Ekman. La anumite adâncimi, de obicei 100m, apa se va deplasa într-o direcţie opusă faţă de cea de suprafaţă.
- media direcţiilor dintr-o coloană de apă, la diferite orizonturi, va fi exprimată de un vector mediu orientat cu 90 gr. dreapta faţă de direcţia vântului (în Emisfera Nordică şi spre stânga în cea Sudică). Acest vector exprimă transportul mediu de apă, numit şi transport Ekman. Orientarea vectorului este deci perpendiculară faţă de direcţia vântului.
Spirala lui Ekman
Neuniformitatea distribuţiei uscatului şi adâncimile variabile ale sectoarelor de coastă influenţează foarte mult aceste mişcări ideale. De exemplu, pentru apele costiere direcţia curentului de suprafaţă poate fi de 15 gr., în timp ce pentru apele de larg, teoretic se poate ajunge la 45 gr. Picnoclina reprezintă limita maximă de extindere a acestor curenţi generaţi de vânt.
În cazul unor vânturi paralele cu ţărmul, aplicând legea lui Ekman, se ajunge la următoarea situaţie:
În Emisfera Nordică, un vând din sud, paralel cu ţărmul, va produce o deplasare a apelor spre larg, acestea fiind ape mai calde. Ele vor fi înlocuite de ape mai reci, de adâncime, curentul apărut purtând denumirea de upwelling. Schimbarea de situaţie va duce la o acumulare a apelor spre ţărm, generând o deplasare ulterioară a lor spre adâncime. (downwelling).
Fenomenul de upwelling este specific tuturor ţărmurilor vestice ale continentelor, vara ducând la apariţia ceţii (apele mai reci de adâncime, în contactul cu masele de aer cald de la suprafaţă). Adâncimea de provenienţă a acestor mase de apă poate atinge 100-200m. Venind de la o astfel de adâncime, ele sunt sărace în oxigen dizolvat, dar încărcate cu nutrienţi. Prezenţa acestora în abundenţă favorizează dezvoltarea fitoplanctonului şi implicit generează o bogată resursă piscicolă.
Distribuţia globală a sectoarelor de upwelling. Credits NOAA.
Curenţii geostrofici.
Vânturile dominante deplasează apele de suprafaţă către centrul bazinelor, deorece pentru apele de larg, transportul mediu net se realizează la 90 gr. faţă de direcţia vântului. Vor rezulta astfel sectoare de covergenţă, adevărate coline la suprafaţa apei, dar cu înălţimi de maxim 1-2m, pe distanţe de mii de kilometri. În oceanografie această diferenţă de nivel a apelor poartă denumirea de topografie dinamică. Apa acumulată în aceste coline are o densitate mai redusă faţă de cea din bază. Diferenţa de nivel va iprima o deplasare ulterioară din creste către zonele mai joase, mişcare influenţată ulterior de forţa Coriolis. Într-un ocean ideal, fără vâscozitate şi frecare, forţa gravitaţională acţionează în jos, fiind balansată de forţa Coriolis care acţionează spre dreapta (Emisfera Nordică), rezultând astfel un curent geostrofic. Cunoscând variaţia acestei topografii dinamice este posibilă calcularea vitezelor şi direcţiilor acestor vectori. Curenţii majori din Oceanul Planetar sunt de tip geostrofic.
Circulaţia termohalină.
Corespunde maselor de apă situate sub stratul picnoclinei. Dinamica acestora este guvernată în principal de variaţiile densităţii (aceasta la rândul ei datorată temperaturii şi salinităţii). Din acest motiv, circulaţia de adâncime mai este cunoscută şi ca circulaţie termohalină. Curenţii de adâncime se deplasează în general pe direcţii N-S, ei trecând dintr-o emisferă în alta. Sunt astfel conectate mase de apă din ambele regiuni polare. Topografia submersă joacă un rol foarte important în trasarea acestei circulaţii. Prezenţa dorsalelor marine poate limita deplasarea unor mase reci, cu densităţi mari, care pot fi izolate în anumite sectoare. Deplasarea spre suprafaţă se face în zonele polare sau în cele de upwelling. Cu toate acestea un anumit schimb se produce şi la nivelul picnoclinei, până în prezent greu de estimat.
