Apie vandenynų paleofizinę okeanografiją
50 views
Skip to first unread message
Andrej S
Jun 28, 2010, 11:43:16 AM6/28/10
to G-mokslai
Paleofizinė okeanografija - tai mokslas tiriantys skystosios vandenyno dalies elgesį praeityje. Dažnai, kalbant apie praeities eonų klimatines sąlygas ir gyvybės evoliuciją bei ekologiją, užsiminama apie vandenynines sroves, jų stiprumą ir kryptis (pvz. žiūrėkite žemiau nuorodas į G-mokslus). Tačiau, žinojimas kur kaip ir kokia kryptimi vyko vandens masių judėjimas vandenynuose, toli gražu ne pats lengviausias klausymas moksle. Visu pirma, egzistuoja fundamentiniai modeliavimo apribojimai, susiję su tuo, kad pilno dydžio fizinius eksperimentus neįmanoma padaryti iš principo, o vykdant kompiuterinį modeliavimą, atsiranda problemos susijusios su pačio modeliavimo skaitmenine prigimtimi (pvz. atsiranda paklaidos dėl suapvalinimų) bei su tuo, kad dabartinių kompiuterių galia yra toli gražu nepakankama, kad modeliuojamos sistemos savo dimensiškumu prilygtu tikrosioms (apie panašias modeliavimo problemas G-moksluose: Žemės magnetinio lauko prigimties paslaptis). Kitas svarbus dalykas yra tiesioginiai duomenys apie praeities okeanografines būsenas, kurios sužinomos naudojantis geologiniais ir mikropaleontologiniais duomenimis. Visu pirma, ne visados žinoma, kokią konfiguraciją ir topografiją turėjo pats vandenyno baseinas. Ne visados aišku kiek tiksliai vandens tuo metu buvo. Bei ne visuomet žinoma, koks yra indikatorių atitikimas su nuspėjamais parametrais. Kitas aspektas yra tai, kad žinios apie vandenyno būsenas gaunamos iš taškinių objektų - vandenynuose vykdomų gręžinių. Senesniems epochoms nėra netgi ir to, nes kaip visiems yra žinoma, sena vandenynų pluta yra subdukuojama į mantija ir tokiu būdu sunaikinama.
Bent jau į dalį šių problemų buvo stengiamasi atsakyti Peter Huybers ir Carl Wunsch, apžvalginiame straipsnyje "Annual Review of Marine Science" leidinyje. Autoriai, visu pirma apibrėžia paleookeanografijos mokslo domeną. Jų nuomone, šiam mokslui priklauso visi duomenys apie vandenyną pradedant nuo žemės vandenynų kondensacijos hado eone iki 1990 metų. Toks vėlyvas moderniosios okeanografijos domeno atsiradimas argumentuojamas tuo, kad iki tų metų vandenynų dinamikos parametrai, dėl įrangos netobulumo buvo matuojami pagal jų rodiklius (pvz. vandens temperatūra, druskingumas, fosforo koncentracija, radioaktyviosios anglies (14C) vandens masių amžiaus matavimai ir pan.). Taigi, iki to laiko vandens masių judėjimas buvo nustatomas tais pačiais metodais kaip ir praėjusių geologinių epochų atžvilgiu, nagrinėjant uolienų sudėtį, kurios susidarė vandenyno dugne. Tiesioginiai metodai atsirado, tuomet kai buvo išvystyta satelitinės žvalgybos metodika, leidusi atskleisti apytikslę trimatę vandenynų cirkuliacijos struktūrą.
Paleookeanografinių pokyčių žinojimas yra būtinas, tam kad nuspėti ateities vandenynų cirkuliacijos pokyčius, kurie yra pagrindiniai veiksniai valdantis žemės klimatą. Vien tiktai dabartinės būsenos toli gražu nepakanka, kad galima būtu prognozuoti, kas atsitiks su vandenynais laiko masteliuose didesniuose nei keli dešimtmečiai, nes pati vandenynų sistema yra labai inertiška ir daugelis efektų gali būti nagrinėjami tiktai stebint labai ilgais laiko masteliais (pvz. pilna vandenyno vandenų apytaka įvyksta apytiksliai per 1 000 metų).
Autoriai, teikiant daugiausiai dėmesio paskutiniam apledėjimo maksimumui (prieš 20 tūkst. metų), pateikia skirtingu paleofizinės okeanografijos problemų apžvalgas: bandinių paėmimo problemos, vandens masių įverčių problemos, vandens transporto problemos, judėjimo greičių pasiskirstymai, jūros lygio pokyčiai, laiko neapybrėžtumai, pagrindinės cirkuliacinių sistemų modeliavimo problemos ir kt.
Kalbant apie bandinių paėmimo problemą, autoriai mini, kad nepaisant to, kad šiuo metu egzistuoja gan didelė šiuolaikinės vandenyno cirkuliacijos duomenų bazė, vis dar egzistuoja neapybrėžtumai. Kalbant apie praeitį, tokių stebėjimų yra dar mažiau. Kitas sunkumas yra, kad bet kokie didelio dažnio pakitimai yra sunkiai sukoreliuojami tarp skirtingų vietovių, kurios patyria skirtingą hidrodinaminį ir nuosėdų kaupimosi režimą. Kaip jau iš dalies minėta, iškyla trys pagrindinės problemos susijusios su paleookeanografiniais duomenimis: 1 tai kad praeities aplinkos sąlygų rodikliai ne visados yra tikslia surišti su fizinių atributu, pagal kuriuos jis nustatomas; 2 paleookeanografinis metraštis gerai žinomas tiktai tose vietovėse, kur nuosėdinės storymės yra didžiausios (prisegtame faile, galite pamatyti, pagal intensyvumą nurodytą nuosėdinių klodų storį - Nuogulu_storiai.jpg), dažniausiai jos tokios yra kontinentiniuose šlaituose, o mažiausi sedimentacijos greičiai yra vandenynų duburiuose (kurie ir sudaro didžiąją vandenynų dalį); 3 laikas visuomet žinomas bandinių paėmimo gylio intervalų pavidalu, bet jie turi būti paversti "absoliučiu" arba santykiniu laiku, kad palyginimas tarp vietovių būtu įmanomas (o tai yra sudėtinga procedūra, reikalaujanti sedimentacijos pobūdžio žinojimo, bei gyvūnų nuosėdų bioturbatorių buvimo ar nebuvimo žinojimą (nes jie sumaišo nuogulas, tokiu būdu suvidurkindami informaciją apie aplinką, laiko atžvilgiu)).
Vandens masių apibūdinimas pagal įvairius indikatorius irgi nėra vienareikšmis. Šiuo metu yra žinoma, kad visa pasaulinio vandenyno storymė yra labai struktūrizuota ir joje egzistuoja daug skirtingų vandens masių, kur pirmosios 10 dominuojančių sudaro tiktai 40 %, o 100 pirmų pagal tūrį tiktai 70 %. [pvz. galite pamatyti, koks sudėtingas yra šiuolaikinių vandens masių pasiskirstymas, priklausomai nuo jų temperatūrų ir druskingumo - Vandens _masiu _histograma.jpg. Šio pasiskirstymo pikas atitinka Ramiojo vandenyno abisalinius vandenys. Bet bendrai pačio pasiskirstymo sudėtingas pobūdis dar nėra paaiškintas]. Tuo tarpu patys indikatoriai gali pasakyti apie vandens temperatūrą: pvz. Mg/Ca santykis foraminiferų kriauklėse, atspindi vandens temperatūrą; d13C (santykis tarp 13C ir 12C anglies izotopų) atspindi organinės anglies koncentracijas vandenyje; Cd/Ca nurodo priedugninio vandens kiekį vandens storymėje. Taigi, turint daug skirtingų vandens masių - sunku naudojantis keliais rodikliais jas visas diferencijuoti, nustatant praeities vandenyno cirkuliacijos pobūdį. Egzistuoja aišku ir papildomi rodikliai, pvz. porinio vandens nuosėdose cheminiai tyrimai. Pvz. jie parodė, kad paskutinio apledėjimo maksimumo metu, vanduo buvo kur kas sūresnis (Pietų vandenyne druskingumas ties dugnu siekė 37 promiles) (to galima buvo tikėtis, nes iš vandenyno apyvartos buvo išimta 130 m pasaulinio vandenyno lygio ekvivalento vandens kiekis, kas sukeltu bendrą druskingumo padidėjimą 1,2 promilėmis). Tačiau, kaip tas perteklinis druskingumas tuomet buvo pasiskirstęs irgi nėra aišku.
Sekanti problema yra susijusi su vandens transporto pobūdžio nustatymu. Vandens masių kiekiai nėra susiję su jų produkcijos greičiais, todėl reikalingos tikslios žinios tarp šių vandens masių atsiradimo, transporto ir disipacijos į kitas vandens mases. Vienas iš būdu, nustatyti kada atsirado esama vandens masė ir kur bei kokiu greičiu ji juda - tai nustatyti jos amžių, naudojantis radioaktyviosios anglies metodu (14C). Radioaktyvioji anglis atsiranda aukštuose atmosferos sluoksniuose azoto (14N) atomams pagaunant neutroną. Jos pusėjimo trukmė yra lygi 5730 metų. Žinant pradienes radioaktyviosios anglies koncentracijas medžiagoje ir pamatavus esamas, galima tiksliai nustatyti objekto, ne senesnio kaip 50 tūkst. metų amžių (vėliau dėl mažų medžiagos koncentracijų datavimo tikslumas mažėja). Tokiu būdu, pvz. nustatyta, kad Šiaurės Atlanto vandenų amžius siekia 100 metų o Šiaurės Ramiojo vandenyno vandens masių amžius siekia iki 1500 metų. Nustatant trimačiai besimaišančio vandens amžių, naudojami sudėtingi skaitmeniniai modeliai, kurių dėka galima interpretuoti radioaktyviosios anglies koncentracijos pokyčius vandens storymėse. Dar didesni sudėtingumai atsiranda, kai reikia interpretuoti paleoduomenys, nes reikia juos koreguoti pagal jų susiklostymo amžių (nes matomas 14C amžius yra suma pačio vandens amžiaus plius to kiek ta medžiaga iš vandens pragulėjo nuosėdose). Tam atskirti naudojami paleontologiniai duomenys. Bentosiniai foraminiferai atspindi gyliųjų vandens sluoksnių amžių (kuris yra didesnis) o planktoniniai - viršutinių jaunų vandens sluoksnių. Taigi nustačius 14C metodu amžių skirtingose foraminiferose, galima nustatyti koks buvo amžių skirtumas tarp vandens sluoksnių ir kaip greitai vyko skirtingų vandens sluoksnių apytaka. Dar kitas metodas srovių pasiskirstymui nustatyti yra paladžio ir torio izotopų santykį (231Pa/230Th). Jei nebūtu maišymosi vandenynuose, tuomet šių elementų izotopų santykis nuosėdose būtu pastovus (0,093), bet dėl to kad maišymasis vis dėl to vyksta ir dėl to kad 231Pa ne taip gerai adhezuoja prie nuosėdinių dalelių, šis santykis varijuoja. Maišymasis daro 231Pa jautresni okeanografiniams pokyčiams (jo mažiau iškrenta į nuosėdas). Tokiu būdu, pvz. nustatyta, kad prieš 18-15 tūkst. metų prie Bermudų ir Portugalijos padidėjo šis santykis, kas nurodo į sumažėjusią ilguminę vandens cirkuliacija ledynmečio metu (teisingiau sakant apledėjimo maksimumo, nes mes vis dar gyvename ledynmetyje).
Kitas su srovių kryptimis ir dydžiais susijęs aspektas yra geostrofinio vandens masių judėjimo aspektai. Geostrofinis judėjimas yra lakių medžiagų judėjimas tankio lauke, jį veikiant Koriolio jėgai. Geostrofinė lygtis aprašo, kaip vyks srovių judėjimas priklausomai nuo vandens masių druskingumo, temperatūros, gylio, slėgio ir geografinės padėties. Jos aprašo šiuolaikinių vandenynų vandens judėjimą ganėtinai tiksliai, išskyrus labai arti pusiaujo arba kai egzistuoja labai dideli skirtumai tarp vandens sluoksnių judėjimo greičių.
Įdomus dalykas yra tai, kad pastaraisiais metais yra pripažinta, kad daug ką okeanografinėje interpretacijoje nulemia stebėjimo mastelis. Prieš tai buvo manoma, kad vandenynai turi nepriklausomą nuo laiko erdvinę struktūrą, tačiau šiuo metu pripažįstama, kad jie yra nuolatinio pokyčio būsenoje, kur iki 90 - 99 % visos srovių energijos yra pernešama lokalių turbulentinių struktūrų.
Nustatant praeities geostrofinius parametrus naudojami tie patys foraminiferai. Išmatavus d18O (deguonies izotopų santykį), šių protistų kriauklių kalcite, galima nustatyti kaip temperatūrą taip ir vandens druskingumą, ir tuo pačių tai perskaičiuoti į vandens tankį, kurį galima panaudoti modeliavimuose. Teorinis pagrindas, kodėl deguonies izotopų santykio reikšmės siejasi su druskingumu susijęs su tuo, kad kai vanduo garuoja, vandenyne jis tampa druskingesnis bei tuo pačiu į garų fazę su didesniu tikėtinumu pereina lengvasis deguonies izotopas 16O, o skystoje fazėje (kuri tampa tuo pat metu ir druskingesnė) daugiau išlieka sunkiojo izotopo 18O.
Vienas iš pagrindinių aspektų, be tų kurie jau paminėti yra srovių greičių nustatymas ir paaiškinimas. Geostrofinė teorija, kaip mini autoriai nėra pakankama tam, kad paaiškinti kaip atsiranda matomas vandens masių judėjimo pobūdis (jų judėjimo stiprumas, pasipriešinimas trinties jėgai ir kt.). Tą paaiškinti galima tiktai nuokrypiais nuo geostrofinio modelio. Pagrindiniai faktoriai, kurie gali būti nuokrypių nuo geostrofizmo priežastimis yra vėjų įtaka, potvynių ir atoslūgių įtaka bei maišymasis, vandens tankio diferenciacija.
Kaip nustatyta, vėjai gali turėti stiprią įtaką vandens dinamikai vandenynuose. Nepaisant to, kad oro judėjimo perturbacijos yra aukšto dažnio (mažos trukmės) jų poveikis nuaidi iki jūros dugno kur kas greičiau nei ilgalaikiai vandenyno stratifikacijos pokyčiai.Kaip rodo tyrimai Šiaurės Atlanto cirkuliacijos pobūdis yra geriausiai paaiškinamas vėjo poveikiu vandenynui [prisegtas failas rodantis vėjo slėgį vandeniui sausio mėnesi - Veju _slegis _sausi.jpg]. Vėjo stiprumas praeityje gali būti nustatytas pagal dulkių ir žiedadulkių koncentracijas jūrinėse nuogulose. Tačiau, kaip rodo modeliavimai ir stebėjimo rezultatai, - dažniausiai tiesioginio atitikimo tarp vėjo slėgio vandeniui ir vandenynų srovių nėra, bet ta vėjo energija absorbuojama vandens ir gali išlikti turbulencijos pavidalu arba kitos mažesnio mastelio struktūrizacijos pavidalu ir priklausomai nuo konteksto gali pasireikšti skirtingai.
Potvynių ir atoslūgių įtaka vandenynų dinamikai irgi yra labai didelė. Pvz. paskutinio apledėjimo maksimumo metu, jūros lygis buvo nukritęs 130 metrų žemiau dabartinio - tai nusausino didelius kontinentų šelfų plotus bei turėjo didelės įtakos giliųjų vandens sluoksnių potvynių padidėjimui, kas veikiausiai sukėlė padidintą vandens masių maišymąsi. Taip pat kalbant apie vandenynų maišimąsi, šiuo metu yra nustatytą, kad šiame procese svarbią reikšmę turi gyvieji organizmai kurie paros metu kyla ir leidžiasi tarp vandens sluoksnių, taip paskui save tempiant ir vandens mases. Kad, nustatyti šio veiksnio įtaką, reikia žinoti kokia buvo jūrinės pelaginės biotos sudėtis praeityje.
Autoriai pateikia įdomias mintis apie vandens tankio įtaką vandens masių judėjimui vandenynuose. Dažnai galvojama, kad vandenyno vandens masių judėjimas yra analogiškas atmosferos konvekcijai (tiktai atvirkščiai). Bet pačios sistemos skiriasi savo šilumos gavimo ir disipacijos į erdvę pobūdžiu. Atmosferoje, ji šildoma iš apačios ir sklaido šiluma viršuje (t.y. klasikinė konvekcija), tuo tarpu vandenynas kaip šyla, taip ir šąla viršutiniame sluoksnyje. Ir jeigu skęstantis šaltas vanduo išstumia šiltesni vandenį iš giliųjų duburių ir taip palaiko konvekcija, tai kodėl tie duburiai tiesiog neužsipildo šaltu vandeniu ir nebūna stabilus? Kaip parodė matematinės analizės rezultatai, atlikti jau 1909 metais Johan'o Sandström'o, vien tiktai tankio skirtumų varoma okeanografinė sistema būtu labai lėta ir neatitiktu realių stebėjimu (šis teiginis turi Sandström'o teoremos pavadinimą). Taigi, šis veiksnys (tankių skirtumai) negali būti lemiantis aiškinantis vandenynų dinamiką.
Taip pat, kaip ne kartą minėta straipsnyje (ir G-moksluose), svarbią reikšmę vandenyno dinamikos pobūdžiui turi jūros lygis bei tektoniniai veiksniai. Jūros lygio pokyčiai gali pakeisti ne tik vandenyno baseino topografiją (gylių pasiskirstymą), bet ir topologiją (pvz. pažemėjus jūros lygiui apledėjimo maksimumų metu susijungdavo Š. Amerika su Eurazija ir išnykdavo rišys tarp Ramiojo ir Šiaurės Leduotojo vandenynų). Tuo tarpu nuledėjimo metu, pasikeičia taip pat ir reljefo pobūdis, nes tose vietose, kur buvo ledynas pradeda kilti buvusios užspaustos teritorijos o kitose vietose jos santykinai leidžiasi.
Dar kitas dalykas susijęs su praeities laiko eilučių interpretavimu - tai nuosėdų amžiaus neapibrėžtumo problema. Visu pirma 14C (radioaktyviosios anglies) metodu galima nustatyti tik maksimum iki 50 tūkst. metų senumo nuogulas (ir tuo pačiu paleookeanografinius archyvus). Tai tiktai mažytė dalelė viso geologinio laiko. Egzistuoja ir kiti radioizotopiniai metodai, bet jie nėra tokie tikslus kaip minėtas. Tačiau, šiuo metu naudojami ir kiti metodai, kurie yra paremti žemės orbitiniais ciklais, kurie atsispindi nuosėdų sudėtyje. Naudojantis jais, galima sukoreliuoti netgi labai senus laikotarpius bei gręžinius esančius dideliais atstumais vieni nuo kitų. Tačiau, kaip visados šis metodas kenčia nuo įvairios prigimties triukšmo (pvz. dėl spragų nuosėdose, laikinio suvidurkinimo ir pan.).
Autoriai savo apžvalgoje paminėjo įdomią modelių tikslumo temą. Kur gali slypėti netikslumai modeliuojant, net ir puikiai žinant įvesties parametrus? O gi visu pirma egzistuoja programinio kodo klaidos, kur didėjant kodo dydžiui ir jo sudėtingumui - klaidų tikimybė monotoniškai didėja. Taip pat reikia turėti omeny, kad visados egzistuoja sisteminės ir atsitiktinės įvairios paklaidos. Pirmosios auga proporcingai laikui ~t, o antrosios proporcingai laiko kvadratinei šakniai ~t^(1/2). Autorių atlikti modeliavimo rezultatai parodė, kad dešimtmečių trukmės prognozės ir modeliavimo metodai yra neadekvatus didesniems laiko masteliams, kur rezultatai visiškai neatitinka stebėjimų.
Autorių manymu, dabarties ir praeities vandenynų būseną būtina tirti dėl trijų pagrindinių priežasčių (jie taip pat davė rekomendacijas patiems tyrimams): 1 Dėl to, kad vandenynai yra pagrindinis žemės klimatinės sistemos komponentas; 2 dėl svarbios gręžiniuose randamos geologinės medžiagos reikšmės, būtina suprasti kaip vyksta rodyklinių indikatorių susidarymas; 3 dabartinė vandenyno būsena negali būti suprasta be atsigręžimo į geologinį metraštį, vien dėl to, kad kai kurios vandenyno dalis pasiekė pusiausvyrą būseną prieš daugelį tūkstantmečių (taigi, tokio tipo sistemos gali būti suprastos tiktai daugelio tūkstantmečių stebėjimo metu, nagrinėjant vandenynines nuogulas).
Nuorodos į G-mokslus susijusiomis temomis:
Didelis plioceno klimato jautrumas CO2 koncentracijų pasikeitimams ir dabartinių klimato pokyčių scenarijai
Jūros lygio kitimai paskutiniame tarpledynmetyje (125 Ka prieš dabartį) ir ateities scenarijai
Madagaskaro gyvūnų įvairovė - atsakingos srovės, bet ne tektonika
Nuorodos:
Peter Huybers, Carl Wunsch. 2010. Paleophysical Oceanography with an Emphasis on Transport Rates. Annual Review of Marine Science, Vol. 2: 1-34 - Straipsnis "Annual Review of Marine Science" žurnale apie paleofizinę okeanografiją.
--
AS
Bent jau į dalį šių problemų buvo stengiamasi atsakyti Peter Huybers ir Carl Wunsch, apžvalginiame straipsnyje "Annual Review of Marine Science" leidinyje. Autoriai, visu pirma apibrėžia paleookeanografijos mokslo domeną. Jų nuomone, šiam mokslui priklauso visi duomenys apie vandenyną pradedant nuo žemės vandenynų kondensacijos hado eone iki 1990 metų. Toks vėlyvas moderniosios okeanografijos domeno atsiradimas argumentuojamas tuo, kad iki tų metų vandenynų dinamikos parametrai, dėl įrangos netobulumo buvo matuojami pagal jų rodiklius (pvz. vandens temperatūra, druskingumas, fosforo koncentracija, radioaktyviosios anglies (14C) vandens masių amžiaus matavimai ir pan.). Taigi, iki to laiko vandens masių judėjimas buvo nustatomas tais pačiais metodais kaip ir praėjusių geologinių epochų atžvilgiu, nagrinėjant uolienų sudėtį, kurios susidarė vandenyno dugne. Tiesioginiai metodai atsirado, tuomet kai buvo išvystyta satelitinės žvalgybos metodika, leidusi atskleisti apytikslę trimatę vandenynų cirkuliacijos struktūrą.
Paleookeanografinių pokyčių žinojimas yra būtinas, tam kad nuspėti ateities vandenynų cirkuliacijos pokyčius, kurie yra pagrindiniai veiksniai valdantis žemės klimatą. Vien tiktai dabartinės būsenos toli gražu nepakanka, kad galima būtu prognozuoti, kas atsitiks su vandenynais laiko masteliuose didesniuose nei keli dešimtmečiai, nes pati vandenynų sistema yra labai inertiška ir daugelis efektų gali būti nagrinėjami tiktai stebint labai ilgais laiko masteliais (pvz. pilna vandenyno vandenų apytaka įvyksta apytiksliai per 1 000 metų).
Autoriai, teikiant daugiausiai dėmesio paskutiniam apledėjimo maksimumui (prieš 20 tūkst. metų), pateikia skirtingu paleofizinės okeanografijos problemų apžvalgas: bandinių paėmimo problemos, vandens masių įverčių problemos, vandens transporto problemos, judėjimo greičių pasiskirstymai, jūros lygio pokyčiai, laiko neapybrėžtumai, pagrindinės cirkuliacinių sistemų modeliavimo problemos ir kt.
Kalbant apie bandinių paėmimo problemą, autoriai mini, kad nepaisant to, kad šiuo metu egzistuoja gan didelė šiuolaikinės vandenyno cirkuliacijos duomenų bazė, vis dar egzistuoja neapybrėžtumai. Kalbant apie praeitį, tokių stebėjimų yra dar mažiau. Kitas sunkumas yra, kad bet kokie didelio dažnio pakitimai yra sunkiai sukoreliuojami tarp skirtingų vietovių, kurios patyria skirtingą hidrodinaminį ir nuosėdų kaupimosi režimą. Kaip jau iš dalies minėta, iškyla trys pagrindinės problemos susijusios su paleookeanografiniais duomenimis: 1 tai kad praeities aplinkos sąlygų rodikliai ne visados yra tikslia surišti su fizinių atributu, pagal kuriuos jis nustatomas; 2 paleookeanografinis metraštis gerai žinomas tiktai tose vietovėse, kur nuosėdinės storymės yra didžiausios (prisegtame faile, galite pamatyti, pagal intensyvumą nurodytą nuosėdinių klodų storį - Nuogulu_storiai.jpg), dažniausiai jos tokios yra kontinentiniuose šlaituose, o mažiausi sedimentacijos greičiai yra vandenynų duburiuose (kurie ir sudaro didžiąją vandenynų dalį); 3 laikas visuomet žinomas bandinių paėmimo gylio intervalų pavidalu, bet jie turi būti paversti "absoliučiu" arba santykiniu laiku, kad palyginimas tarp vietovių būtu įmanomas (o tai yra sudėtinga procedūra, reikalaujanti sedimentacijos pobūdžio žinojimo, bei gyvūnų nuosėdų bioturbatorių buvimo ar nebuvimo žinojimą (nes jie sumaišo nuogulas, tokiu būdu suvidurkindami informaciją apie aplinką, laiko atžvilgiu)).
Vandens masių apibūdinimas pagal įvairius indikatorius irgi nėra vienareikšmis. Šiuo metu yra žinoma, kad visa pasaulinio vandenyno storymė yra labai struktūrizuota ir joje egzistuoja daug skirtingų vandens masių, kur pirmosios 10 dominuojančių sudaro tiktai 40 %, o 100 pirmų pagal tūrį tiktai 70 %. [pvz. galite pamatyti, koks sudėtingas yra šiuolaikinių vandens masių pasiskirstymas, priklausomai nuo jų temperatūrų ir druskingumo - Vandens _masiu _histograma.jpg. Šio pasiskirstymo pikas atitinka Ramiojo vandenyno abisalinius vandenys. Bet bendrai pačio pasiskirstymo sudėtingas pobūdis dar nėra paaiškintas]. Tuo tarpu patys indikatoriai gali pasakyti apie vandens temperatūrą: pvz. Mg/Ca santykis foraminiferų kriauklėse, atspindi vandens temperatūrą; d13C (santykis tarp 13C ir 12C anglies izotopų) atspindi organinės anglies koncentracijas vandenyje; Cd/Ca nurodo priedugninio vandens kiekį vandens storymėje. Taigi, turint daug skirtingų vandens masių - sunku naudojantis keliais rodikliais jas visas diferencijuoti, nustatant praeities vandenyno cirkuliacijos pobūdį. Egzistuoja aišku ir papildomi rodikliai, pvz. porinio vandens nuosėdose cheminiai tyrimai. Pvz. jie parodė, kad paskutinio apledėjimo maksimumo metu, vanduo buvo kur kas sūresnis (Pietų vandenyne druskingumas ties dugnu siekė 37 promiles) (to galima buvo tikėtis, nes iš vandenyno apyvartos buvo išimta 130 m pasaulinio vandenyno lygio ekvivalento vandens kiekis, kas sukeltu bendrą druskingumo padidėjimą 1,2 promilėmis). Tačiau, kaip tas perteklinis druskingumas tuomet buvo pasiskirstęs irgi nėra aišku.
Sekanti problema yra susijusi su vandens transporto pobūdžio nustatymu. Vandens masių kiekiai nėra susiję su jų produkcijos greičiais, todėl reikalingos tikslios žinios tarp šių vandens masių atsiradimo, transporto ir disipacijos į kitas vandens mases. Vienas iš būdu, nustatyti kada atsirado esama vandens masė ir kur bei kokiu greičiu ji juda - tai nustatyti jos amžių, naudojantis radioaktyviosios anglies metodu (14C). Radioaktyvioji anglis atsiranda aukštuose atmosferos sluoksniuose azoto (14N) atomams pagaunant neutroną. Jos pusėjimo trukmė yra lygi 5730 metų. Žinant pradienes radioaktyviosios anglies koncentracijas medžiagoje ir pamatavus esamas, galima tiksliai nustatyti objekto, ne senesnio kaip 50 tūkst. metų amžių (vėliau dėl mažų medžiagos koncentracijų datavimo tikslumas mažėja). Tokiu būdu, pvz. nustatyta, kad Šiaurės Atlanto vandenų amžius siekia 100 metų o Šiaurės Ramiojo vandenyno vandens masių amžius siekia iki 1500 metų. Nustatant trimačiai besimaišančio vandens amžių, naudojami sudėtingi skaitmeniniai modeliai, kurių dėka galima interpretuoti radioaktyviosios anglies koncentracijos pokyčius vandens storymėse. Dar didesni sudėtingumai atsiranda, kai reikia interpretuoti paleoduomenys, nes reikia juos koreguoti pagal jų susiklostymo amžių (nes matomas 14C amžius yra suma pačio vandens amžiaus plius to kiek ta medžiaga iš vandens pragulėjo nuosėdose). Tam atskirti naudojami paleontologiniai duomenys. Bentosiniai foraminiferai atspindi gyliųjų vandens sluoksnių amžių (kuris yra didesnis) o planktoniniai - viršutinių jaunų vandens sluoksnių. Taigi nustačius 14C metodu amžių skirtingose foraminiferose, galima nustatyti koks buvo amžių skirtumas tarp vandens sluoksnių ir kaip greitai vyko skirtingų vandens sluoksnių apytaka. Dar kitas metodas srovių pasiskirstymui nustatyti yra paladžio ir torio izotopų santykį (231Pa/230Th). Jei nebūtu maišymosi vandenynuose, tuomet šių elementų izotopų santykis nuosėdose būtu pastovus (0,093), bet dėl to kad maišymasis vis dėl to vyksta ir dėl to kad 231Pa ne taip gerai adhezuoja prie nuosėdinių dalelių, šis santykis varijuoja. Maišymasis daro 231Pa jautresni okeanografiniams pokyčiams (jo mažiau iškrenta į nuosėdas). Tokiu būdu, pvz. nustatyta, kad prieš 18-15 tūkst. metų prie Bermudų ir Portugalijos padidėjo šis santykis, kas nurodo į sumažėjusią ilguminę vandens cirkuliacija ledynmečio metu (teisingiau sakant apledėjimo maksimumo, nes mes vis dar gyvename ledynmetyje).
Kitas su srovių kryptimis ir dydžiais susijęs aspektas yra geostrofinio vandens masių judėjimo aspektai. Geostrofinis judėjimas yra lakių medžiagų judėjimas tankio lauke, jį veikiant Koriolio jėgai. Geostrofinė lygtis aprašo, kaip vyks srovių judėjimas priklausomai nuo vandens masių druskingumo, temperatūros, gylio, slėgio ir geografinės padėties. Jos aprašo šiuolaikinių vandenynų vandens judėjimą ganėtinai tiksliai, išskyrus labai arti pusiaujo arba kai egzistuoja labai dideli skirtumai tarp vandens sluoksnių judėjimo greičių.
Įdomus dalykas yra tai, kad pastaraisiais metais yra pripažinta, kad daug ką okeanografinėje interpretacijoje nulemia stebėjimo mastelis. Prieš tai buvo manoma, kad vandenynai turi nepriklausomą nuo laiko erdvinę struktūrą, tačiau šiuo metu pripažįstama, kad jie yra nuolatinio pokyčio būsenoje, kur iki 90 - 99 % visos srovių energijos yra pernešama lokalių turbulentinių struktūrų.
Nustatant praeities geostrofinius parametrus naudojami tie patys foraminiferai. Išmatavus d18O (deguonies izotopų santykį), šių protistų kriauklių kalcite, galima nustatyti kaip temperatūrą taip ir vandens druskingumą, ir tuo pačių tai perskaičiuoti į vandens tankį, kurį galima panaudoti modeliavimuose. Teorinis pagrindas, kodėl deguonies izotopų santykio reikšmės siejasi su druskingumu susijęs su tuo, kad kai vanduo garuoja, vandenyne jis tampa druskingesnis bei tuo pačiu į garų fazę su didesniu tikėtinumu pereina lengvasis deguonies izotopas 16O, o skystoje fazėje (kuri tampa tuo pat metu ir druskingesnė) daugiau išlieka sunkiojo izotopo 18O.
Vienas iš pagrindinių aspektų, be tų kurie jau paminėti yra srovių greičių nustatymas ir paaiškinimas. Geostrofinė teorija, kaip mini autoriai nėra pakankama tam, kad paaiškinti kaip atsiranda matomas vandens masių judėjimo pobūdis (jų judėjimo stiprumas, pasipriešinimas trinties jėgai ir kt.). Tą paaiškinti galima tiktai nuokrypiais nuo geostrofinio modelio. Pagrindiniai faktoriai, kurie gali būti nuokrypių nuo geostrofizmo priežastimis yra vėjų įtaka, potvynių ir atoslūgių įtaka bei maišymasis, vandens tankio diferenciacija.
Kaip nustatyta, vėjai gali turėti stiprią įtaką vandens dinamikai vandenynuose. Nepaisant to, kad oro judėjimo perturbacijos yra aukšto dažnio (mažos trukmės) jų poveikis nuaidi iki jūros dugno kur kas greičiau nei ilgalaikiai vandenyno stratifikacijos pokyčiai.Kaip rodo tyrimai Šiaurės Atlanto cirkuliacijos pobūdis yra geriausiai paaiškinamas vėjo poveikiu vandenynui [prisegtas failas rodantis vėjo slėgį vandeniui sausio mėnesi - Veju _slegis _sausi.jpg]. Vėjo stiprumas praeityje gali būti nustatytas pagal dulkių ir žiedadulkių koncentracijas jūrinėse nuogulose. Tačiau, kaip rodo modeliavimai ir stebėjimo rezultatai, - dažniausiai tiesioginio atitikimo tarp vėjo slėgio vandeniui ir vandenynų srovių nėra, bet ta vėjo energija absorbuojama vandens ir gali išlikti turbulencijos pavidalu arba kitos mažesnio mastelio struktūrizacijos pavidalu ir priklausomai nuo konteksto gali pasireikšti skirtingai.
Potvynių ir atoslūgių įtaka vandenynų dinamikai irgi yra labai didelė. Pvz. paskutinio apledėjimo maksimumo metu, jūros lygis buvo nukritęs 130 metrų žemiau dabartinio - tai nusausino didelius kontinentų šelfų plotus bei turėjo didelės įtakos giliųjų vandens sluoksnių potvynių padidėjimui, kas veikiausiai sukėlė padidintą vandens masių maišymąsi. Taip pat kalbant apie vandenynų maišimąsi, šiuo metu yra nustatytą, kad šiame procese svarbią reikšmę turi gyvieji organizmai kurie paros metu kyla ir leidžiasi tarp vandens sluoksnių, taip paskui save tempiant ir vandens mases. Kad, nustatyti šio veiksnio įtaką, reikia žinoti kokia buvo jūrinės pelaginės biotos sudėtis praeityje.
Autoriai pateikia įdomias mintis apie vandens tankio įtaką vandens masių judėjimui vandenynuose. Dažnai galvojama, kad vandenyno vandens masių judėjimas yra analogiškas atmosferos konvekcijai (tiktai atvirkščiai). Bet pačios sistemos skiriasi savo šilumos gavimo ir disipacijos į erdvę pobūdžiu. Atmosferoje, ji šildoma iš apačios ir sklaido šiluma viršuje (t.y. klasikinė konvekcija), tuo tarpu vandenynas kaip šyla, taip ir šąla viršutiniame sluoksnyje. Ir jeigu skęstantis šaltas vanduo išstumia šiltesni vandenį iš giliųjų duburių ir taip palaiko konvekcija, tai kodėl tie duburiai tiesiog neužsipildo šaltu vandeniu ir nebūna stabilus? Kaip parodė matematinės analizės rezultatai, atlikti jau 1909 metais Johan'o Sandström'o, vien tiktai tankio skirtumų varoma okeanografinė sistema būtu labai lėta ir neatitiktu realių stebėjimu (šis teiginis turi Sandström'o teoremos pavadinimą). Taigi, šis veiksnys (tankių skirtumai) negali būti lemiantis aiškinantis vandenynų dinamiką.
Taip pat, kaip ne kartą minėta straipsnyje (ir G-moksluose), svarbią reikšmę vandenyno dinamikos pobūdžiui turi jūros lygis bei tektoniniai veiksniai. Jūros lygio pokyčiai gali pakeisti ne tik vandenyno baseino topografiją (gylių pasiskirstymą), bet ir topologiją (pvz. pažemėjus jūros lygiui apledėjimo maksimumų metu susijungdavo Š. Amerika su Eurazija ir išnykdavo rišys tarp Ramiojo ir Šiaurės Leduotojo vandenynų). Tuo tarpu nuledėjimo metu, pasikeičia taip pat ir reljefo pobūdis, nes tose vietose, kur buvo ledynas pradeda kilti buvusios užspaustos teritorijos o kitose vietose jos santykinai leidžiasi.
Dar kitas dalykas susijęs su praeities laiko eilučių interpretavimu - tai nuosėdų amžiaus neapibrėžtumo problema. Visu pirma 14C (radioaktyviosios anglies) metodu galima nustatyti tik maksimum iki 50 tūkst. metų senumo nuogulas (ir tuo pačiu paleookeanografinius archyvus). Tai tiktai mažytė dalelė viso geologinio laiko. Egzistuoja ir kiti radioizotopiniai metodai, bet jie nėra tokie tikslus kaip minėtas. Tačiau, šiuo metu naudojami ir kiti metodai, kurie yra paremti žemės orbitiniais ciklais, kurie atsispindi nuosėdų sudėtyje. Naudojantis jais, galima sukoreliuoti netgi labai senus laikotarpius bei gręžinius esančius dideliais atstumais vieni nuo kitų. Tačiau, kaip visados šis metodas kenčia nuo įvairios prigimties triukšmo (pvz. dėl spragų nuosėdose, laikinio suvidurkinimo ir pan.).
Autoriai savo apžvalgoje paminėjo įdomią modelių tikslumo temą. Kur gali slypėti netikslumai modeliuojant, net ir puikiai žinant įvesties parametrus? O gi visu pirma egzistuoja programinio kodo klaidos, kur didėjant kodo dydžiui ir jo sudėtingumui - klaidų tikimybė monotoniškai didėja. Taip pat reikia turėti omeny, kad visados egzistuoja sisteminės ir atsitiktinės įvairios paklaidos. Pirmosios auga proporcingai laikui ~t, o antrosios proporcingai laiko kvadratinei šakniai ~t^(1/2). Autorių atlikti modeliavimo rezultatai parodė, kad dešimtmečių trukmės prognozės ir modeliavimo metodai yra neadekvatus didesniems laiko masteliams, kur rezultatai visiškai neatitinka stebėjimų.
Autorių manymu, dabarties ir praeities vandenynų būseną būtina tirti dėl trijų pagrindinių priežasčių (jie taip pat davė rekomendacijas patiems tyrimams): 1 Dėl to, kad vandenynai yra pagrindinis žemės klimatinės sistemos komponentas; 2 dėl svarbios gręžiniuose randamos geologinės medžiagos reikšmės, būtina suprasti kaip vyksta rodyklinių indikatorių susidarymas; 3 dabartinė vandenyno būsena negali būti suprasta be atsigręžimo į geologinį metraštį, vien dėl to, kad kai kurios vandenyno dalis pasiekė pusiausvyrą būseną prieš daugelį tūkstantmečių (taigi, tokio tipo sistemos gali būti suprastos tiktai daugelio tūkstantmečių stebėjimo metu, nagrinėjant vandenynines nuogulas).
Nuorodos į G-mokslus susijusiomis temomis:
Didelis plioceno klimato jautrumas CO2 koncentracijų pasikeitimams ir dabartinių klimato pokyčių scenarijai
Jūros lygio kitimai paskutiniame tarpledynmetyje (125 Ka prieš dabartį) ir ateities scenarijai
Madagaskaro gyvūnų įvairovė - atsakingos srovės, bet ne tektonika
Nuorodos:
Peter Huybers, Carl Wunsch. 2010. Paleophysical Oceanography with an Emphasis on Transport Rates. Annual Review of Marine Science, Vol. 2: 1-34 - Straipsnis "Annual Review of Marine Science" žurnale apie paleofizinę okeanografiją.
--
AS
Reply all
Reply to author
Forward
0 new messages