Kategoriarkiv: Svensk

På väg hem

Det blåser kraftigt och vågorna går höga. Allting gungar och det är svårt att gå – vi vinglar fram i korridorerna och håller oss gott fast i trappräckena på väg ner till matsalen. Men vi har varit länge om bord nu och man är van vid att det rör på sig, så jag är inte sjösjuk.
Kanske har du hört talas om «the roaring forties», the «furious fifties» och «the screaming sixties»?  Det är där vi är nu… På de här breddgraderna (mellan 40 och 60S) blåser det nästan alltid stark vind från väst och det är lite land och bergskejdor i vägen som hindrar luftströmmen.
DSC_0038
Kaptenen ankrade up vid ett stort isflak och släppte ut oss på en eftermiddagspromenad!


Alla vet att när det blåser så blir det vågor, och att ju mer det blåser ju större blir vågorna. Vågorna är imponerande och de slår mot båten med en enorm kraft – men vinden gör mer än vågor! När vinden blåser över havsytan så «drar» den vattnet i ytan med sig (vi säger att vinden utövar en stress på ytan) men vattnet under, som inte rör på sig, drar åt andra hållet. Om inte jorden hade snurrat, så hade det varit enkelt: då hade vattnet flyttat sig med vinden. Hastigheten hade minskat ju längre ned i djupet vi såg, men allt vatten hade gått i samma riktning. Men jorden snurrar – ett varv varje dag – och då blir allt mer komplicerat… resultatet blir faktiskt att vattnet inte flyttar sig med vinden, utan på tvärs av den!

Det «varma» vattenmassan som strömmar in under shelfisen i Amundsenhavet kallar vi oceanografer  för «Circumpolar Deep Water» (CDW) och är till stor del vatten som för länge sen (kanske tusen år eller så) sjönk ner til botten i Nord Atlanten och så började en långsam resa söderut mot Antarktis. Långt söderut fångas det upp av «västvinddriften (eller den Antarktiska circumpolarströmmen)  som ohindrat strömmar runt, runt, runt den Antarktiska kontinenten.  Vindmönstret  här gör att ytvattnet i söder strömmar åt söder medan det i norr strömmar åt norr – så i mitten blir det inget ytvatten kvar! Det fylls då på underifrån; vattnet nere i djupet pumpas uppåt och kan till exempel strömma in på den relativt grunda (400-500 m) kontinentalsockeln i Amundsenhavet.
DSC_0047
Koreansk festmåltid!


Vi är på väg hemåt och vi har lämnat Antarktis bakom oss – några av forskarna ombord studerar virvlar den Antarktiska curcumpolarströmmen, de har precis börjat med sitt arbete, men jag är färdig. De instrument som skulle ut i vattnet är i vattnet, och de som skulle upp på shelf isen* är på plats. Det är fortfarande två veckor kvar innan vi kan mönstra av och gå i land, och dagarna går långsamt när de inte längre är fyllda med arbete ute på däck. I går kväll var det någon som plockade fram plastmuggar (den tjocka typen, som nästan är som frigolit) och tuschpennor och det blev allmän pysselkväll i matsalen… nu hänger de allihopa i en påse på CTD:n och väntar på att den ska i vattnet igen.  Vad tror du sker då?
DSC_0088
Nu är kopparna 11 cm höga… hur stora tror du de är när de kommer upp från 3000 m djup?
Gissa innan du klickar här för att se hur kopparna såg ut efter att ha sänkts til 3800 m djup

DSC_0106
Det finns utrymme för mindre kaffe i kopparna efter att de har varit i djupet.

Så här såg muggarna ut när de följt med CTD’n ned på 3800 m djup! Med hur manga procent har volymen på kopparna krympt?


* Vi har installerat fyra stycken isradar på isen – varannnan timme mäter de hur tjock shelfisen under dem är, och på så sätt får vi reda på hur fort den smälter. När Karen och Povl flög ut med helikoptern för att installera dem (jag höll på med mina riggar och kunde inte följa med) så passade de också på att ta reda på hur mycket vatten som är under isen. Hur man gör det? Enkelt – du behöver bara en (speciell) mikrofon, en metallplatta och en stor slägga. Så slår du allt vad du kan med släggan på metallplattan… och lyssnar ekot ekot! Det första kommer från undersidan av isen, det andra från havsbottnen! Om det första ekot kommer efter 0.24s och det andra efter 0.4667s, hur tjock är då isen? Hur långt är det ner till havsbottnen? Ljudets hastighet i vatten är ca 1500 m/s och i is är den 4000 m/s. För att få säkrare resultat så har man flera mikrofoner på en lång linje. När når det första ekot fram till en mikrofon som står hundra meter bort? När når det andra fram? Tänk på vad Schnell sa!
DSC_0054
Koreansk grillfest. Foto: Elin Darelius Chiche

Oppgaver og øvelser

Norsk

Svenska

Uppgifter: Vind och Vatten

DSC_0135Vind och strömmar har storlek och riktning, och vi använder därför vektorer för att beskriva dem, till exempel \(\vec{u}=u\vec{i} + v\vec{j}\). \(\vec{i}\) och \(\vec{j}\) är enhetsvektorer som pekar mot öst och norr (se figur nedan) medan \(u\) och \(v\) anger längden på vektoren eller styrkan på strömmen i den riktningen. Om vinden blåser mot norr med 10 m/s så är \(\vec{u}=10\vec{i}\); blåser den mot söder så är \(\vec{u}=-10\vec{i}\); och om den blåser mot nordöst så är \(\vec{u}=7.1\vec{i}+7.1\vec{j}\).

Enhetsvektoren $\vec{i}$ har l{\"a}ngde 1 och pekar mot {\"o}st. Enhetsvektoren $\vec{j}$ har l{\"a}ngde 1 och pekar mot norr.
Enhetsvektoren i har längde 1 och pekar mot öst. Enhetsvektoren j har längde 1 och pekar mot norr.

Isförhållandena förändrar sig hela tiden beroende på vind och strömmar – så kaptenen måste hela tiden följa med och se på e.g. satellitbilder så att vi inte blir «fångade» (Araon är visserligen en isbrytare, men det går långsamt och går åt mycket bränsle om man ska köra genom tjock is.)  av drivis. Havisen är reltivt tunn och påverkas mest av vinden – en tumregel är att isen förflyttar sig med ca 2% av vindhastigheten och ca 30 grader till vänster om vinden (till höger i Arktis).

 

Uppgift 1

Vinden blåser 20 m/s mot väst och iskanten är 5 km från land

a) Utryck vinden och isens rörelse i vektorformat!

b) Hur långt söderut förflyttar sig isen på en timme?

c) Hur fort måste Araon köra för att hinna förbi udden (se figur) innan isen «stänger passagen»? Klarar vi det?

Karta över Amundsenhavet. Turkosa områden är shelfis, gråa områden är land. Araon (den röda pricken) vill köra bort mot den västra fronten av Getz shelfisen för att sätta ut riggar (markerade med kryss i kartan) där, men isen blåser in mot land... Hinner hon förbi udden?
Karta över Amundsenhavet. Turkosa områden är shelfis, gråa områden är land. Araon (den röda pricken) vill köra bort mot den västra fronten av Getz shelfisen för att sätta ut riggar (markerade med kryss i kartan) där, men isen blåser in mot land… Hinner hon förbi udden?

Uppgift 2

Vinden utövar en stress \((\vec{\tau}=\tau_x\vec{i} + \tau_y\vec{j})\) på vattenytan och sätter upp en ström i vattnet. Stressens storlek kan vi räkna ut från vinden: \(\vec{\tau}=C_{D}\left|\vec{u}\right|\vec{u}\), där \(\vec{u}=u\vec{i}+v\vec{j}\) är vinden på 10 m höjd.

a) Om det blåser 10 m/s mot nord och \(C_D=1.6\times10^{-3}\), hur stor är stressen då? I vilken riktning verkar den?

b) Man vet att storleken på \(C_D\) ändras när det är is på vattnet, och några forskare har föreslagit att \(C_D=10^{-3}\times(1.5+2.233C_i-2.333C_i^2)\) där \(C_i\) är andelen av havytan som är täckt av is (iskoncentrationen). För vilken iskoncentration är \(C_D\) störst? minst? Hur stor var iskoncentrationen i uppgiften ovan?

Uppgift 3

Under sin expedition på FRAM (1893-1896) så observerade Nansen att isen drev till höger (i Arktis) om vinden och han bad sin vän Vilhelm Bjerknes att få en av sina studenter att studera problemet. Det blev svensken Vagn Walfrid Ekman som förklarade isens rörelse, som är en effekt av friktion och jordens rotation. Ekman satte upp en teori för hur strömmen som vinden sätter upp uppförer sig. Strömmen ändrar sig med djupet (\(z\)) och vi kan skriva \(\vec{u(z)}=u(z)\vec{i} + v(z)\vec{j}\). Storleken på \(u(z)\) och \(v(z)\) kan vi beräkna från följande formler (som inte är så krångliga som de ser ut!)

\(
u(z)=\frac{\sqrt{2}}{1000fd} e^{z/d}\left[\tau_x cos(z/d-\pi/4) -\tau_y sin(z/d-\pi/4)\right]
\)

 

\(
v(z)=\frac{\sqrt{2}}{1000fd} e^{z/d}\left[\tau_x sin(z/d-\pi/4) +\tau_y sin(z/d-\pi/4)\right]
\)

 

där \(z\) är höjd (så djupen är negativa), \(f=1.46\times10^{-4}sin(latitud)\) är Coriolis faktorn och \(d=\sqrt{\frac{2\nu}{\left|f\right|}}\) är tjockleken på lagret som känner av vindens inverkan. Vi kallar det ofta Ekman lagret. \(\nu=10^{-2}m^2/s\) är viskositeten* – vattnets «tjockhet» eller tröghet (sirap har t.ex. högre viskositet än vatten**). Teorien är vida känd bland oceanografer och kallas bara för «Ekman spiralen».

* Den molekylära viskositeten till vatten är mycket lägre, \(\nu=10^{-6}m^2/s\), men i havet gör virvlar och turbulens att den effektiva viskositeten blir större.

** se e.g. https://no.wikipedia.org/wiki/Viskositet för en animerad illustration av effekten av viskositet

Uppgift 4

a) Vilket värde har Coriolis faktorn i Amundsen havet? I Bergen?

b) Hur tjockt är Ekman lagret? Ett isberg kan vara flera hundra meter tjockt – tror du det påverkas av strömmen som vinden sätter upp?

c) Om det blåser 15 m/s mot väster och det är isfritt, hur stor är då \(\tau_x\) och \(\tau_y\)? (Se uppgift 2)

d) Åt vilket håll (och med vilken hastighet) flyter vattnet i ytan (z=0)? På Ekmandjupet (z=-d)? På vilket djup går strömmen i motsatt riktning av vinden?

e) Försök plotta strömmen! Varför tror du vi pratar om Ekman spiral?

f) När vi skickar ner vår LADCP*** får vi strömprofiler med en upplösning på 8 m (dvs vi får ett värde för strömmen var åttonde meter). Tror du vi klarar observera Ekman spiralen? Varför/varför inte?

g) När det blåser mot väster i Bergen, åt vilket håll går strömmen i ytan då?

*** Ett instrument som följer med CTD:n ner till botten och mäter strömmen i vattnet på vägen. Man får då strömprofiler i tillägg till profiler av salt och temperatur.

Uppgift 5

Om man summerar upp (integrerar) strömmen som vinden sätter upp i Ekman lagret så kan man räkna ut transporten, dvs hur mycket vatten som flyttas åt vilket håll på grund av vinden. Det kallar vi för Ekman transporten, \(\vec{Q_{Ekman}}=U\vec{i}+V\vec{j}\). Då får vi att

\(U=\frac{10^{-3}}{f}\tau_y\)

 

\(V=-\frac{10^{-3}}{f}\tau_x\)

 

Enheten på U och V är \(m^3/m/s\) (eller \(m^2/s\)) och de anger alltså hur mycket vatten som flyter förbi per meter per sekund. Uttrycken för \(\tau\) finner du i uppgift 2.

a) Om det blåser 15 m/s mot nordväst och det är isfritt, hur stor är då U och V? åt vilket håll flyttas vattnet?

b) Hur stor är vinkeln mellan vinden och transporten?

c) Om vi har två bojar (se Figur nedan) som ligger 10 km ifrån varandra och där en linje mellan bojarna är parallel med vinden, hur mycket vatten strömmar mellan bojarna under en timme? Vad tror du händer om linjen mellan A och B hade varit kustlinjen?

Illustration till uppgift 4. Vinden blåser parallelt med linjen A-B. Åt vilket håll går Ekman transporten? Vad hade hänt om linjen A-B varit kustlinjen?

När vinden blåser parallelt med kusten, kommer vattnet antingen att samlas upp mot kusten eller att «försvinna» från kusten.

d) Åt vilket håll tror du det blåser när vi får översvämning på Bryggen i Bergen (tidvattnet har så klart också stor betydning!)

e) Vid kusten av den Antarktiska kontinenten blåser vinden vanligtvis mot väster – längre norrut (60S) blåser det starka vindar mot öster. Skissera hur vinden blåser och åt vilket håll Ekman transporten går. Vad tror du sker i mitten? Diskutera i grupp innan ni läser svaret längre ner på sidan.

 

 

 

Konvergens och divergens i havet

När vinden och därmed Ekmantransporten har olik riktning (det räcker egentligen att den ändrar storlek) från ett område till ett annat (som i uppgift 4) så får vi «konvergens» (om ytvattnet «samlas ihop», i.e. om pilarna som visar Ekmantransport pekar mot varandra) eller «divergens» (om det försvinner eller tunnas ut, i.e. om pilarna går ifrån varandra). När vi har divergens och ytvattnet «försvinner» så måste det fyllas på med vatten underifrån. Vatten från djupet «sugs» upp till ytan av vinden. I områden där det här sker kontinuerligt (e.g. runt Antarktis) är det stor biologisk aktivitet eftersom vattnet nere i djupet är rikt på näringsämnen. Vindmönstret runt Antarktis lyfter upp relativt tungt vatten från djupet och bidrar till att vattnet i den övre delen av havet är tyngre än i andra områden. Vatten som sjunkit ner till botten i Nord Atlanten kommer här upp till ytan igen. Vill du läsa mer så googla t.ex «wind driven upwelling».

 

 

Attachments

Experiment: Coriolis

Jorden snurrar runt, runt, tunt… hela tiden, och det påverkar hur vattnet i havet strömmar och hur vinden blåser (Det påverkar dock inte åt vilket håll virveln i badkaret snurrar när du tömmer det!). Vi kallar det här för Corioliseffekten eller Coriolis kraften.

Du behöver:

  • Skärbräda
  • linjal (gärna lång)
  • häftmassa (för att fästa linjalen på skärbrädan)
  • en penna
  • häftstift
  • ett vitt papper
  • en medhjälpare!

Klipp ut en stor* cirkel av pappret och fäst den i mitten med häftstiftet på skärbrädan (kolla med mamma eller pappa först om du får lov). Fäst linjalen med häftmassan (eller tejp) på skärbrädan så att den går över papperscirkeln. Rita nu ett rakt streck längst linjalen medan din kompis snurrar på pappret (med klockan). Hur ser det ut?

Pappret är «jorden» sett från sydpolen. Hur ser det ut från Nordpolen? Snurra pappret åt andra hållet!

 

 

* men inte så stor att diametern på cirkeln är större än längden på linjalen

 

 

Uppgifter: Raka linjer och smältande is

iskanten_antarktis
Så här ser en shelfis ut från sidan! Den röda pilen visar varmt vatten som strömmar in under isen

Fryspunkten till havsvatten sjunker med ökande salthalt och med ökande tryck – ju saltare vattnet är, eller ju högre trycket är ju mer kan man kyla det ner innan det fryser. Kranvatten fryser vid 0\(^\circ\)C – havsvatten vid -1.9\(^\circ\)C. På 1000 m djup kan man kyla ner vattnet till -2.6\(^\circ\)C innan det fryser. Under de stora shelfiserna i Antarktis kommer havsvatten i kontakt med is på stort djup. När vatten är i kontakt med is, så kommer det smälta is och kylas ner till fryspunkten. Under Filchner-Ronne shelfisen når vattnet ner vid grundningslinjen (se figur) till 1800 m djup . Då kan vattnet bli väldigt kallt!

Uppgift 1

Fryspunkten är en funktion av salthalt och tryck, \(T_f=T_f(S,P)\). För ett konstant P (dvs. på ett visst djup) och för små ändringar i S ändrar sig fryspunkten linjärt med salthalten och vi kan skriva \(T_f=kS+m\).

a) Vi vet att \(T_f(S=34.4,P=0)=-1.8879^\circ C\) och \(T_f(S=34.7,P=0)=-1.9051^\circ C\). Bestäm konstanterna \(k\) och \(m\).

b) Vad är \(T_f(S=34.5,P=0)\)?

c) Vad är \(T_f(S=0,P=0)\)? Stämmer det? Varför/varför inte?

På samma sätt kan vi, för en given salthalt, skriva \(T_f=kP+m\).

d) Vi vet att \(T_f(S=34.5,P=0)=-1.8936^\circ C\) och \(T_f(S=34.5,P=1000dbar)=-2.6466^\circ C\). Trycket ökar med ungefär 1 dbar per meter, så trycket är ca 100dbar på 100 m djup, 200dbar på 200 m djup och så vidare. Bestäm konstanterna \(k\) och \(m\).

e) Vad är fryspunkten när P=2000dbar (ca 2000 m djup)?

f) Min kollega Svein Østerhus har varit med och borrat genom den tjocka isen på Filchner-Ronne shelfisen i Weddell havet och gjort mätningar i havsvattnet i håligheten under isen. Den lägsta temperatur de mätte var -2.53\(^\circ\)C, salthalten var 34.5. Hur djupt måste de (minst) ha varit?

g) Hur kallt kunde vattnet ha blivit om det nått ner till grundningslinjen (1800 m)  och smält is där?

Uppgift 2

När is smälter i saltvatten så sker två saker: temperaturen sjunker, eftersom värmen från vattnet används till att smälta isen, och salthalten sjunker, eftersom saltvattnet blandar sig med smältvattnet från isen. För att smälta en viss mängd is behöver vi en viss mängd värme – ska vi smälta dubbelt så mycket is så behöver vi dubbelt så mycket värme. Förändringen i temperatur är \textit{proportional} med förändringen i salthalt: \(k=\Delta T/\Delta S\)=2.4. En linje med lutningen 2.4 i ett TS-diagram (ett diagram med salt på x-axeln och temperatur på y-axeln)  visar hur salthalt och temperatur förändras när is smälter i havsvatten – den kallas för Gade-linje (se figur) efter Professor Herman Gade från UiB.

gade
TS-diagram som visar två Gade linjer (röda linjer) och fryspunkten (svart linje). I uppgifterna ska vi bestämma linjernas ekvationer och finna skjärningspunkt! De streckade linjerna visar isopyknaler. Iso betyder lik, pykno betyder densitet – så alla vattenmassor (punkter) på linjen har samma densitet. Siffrorna anger densiteten i kg/m3.

 

a) Finn ekvationen (\(T=kS+m\)) som beskriver hur temperaturen förändrar sig när is smälter i vatten som har T=2\(^\circ\)C och S=34.6? Plotta den i et TS-diagram (En graf med salthalt på \(x\)-axeln och temperatur på \(y\)-axeln).

b) Hur salt är vattnet när T=0\(^\circ\)C?

c) Hur salt är vattnet när vattnet är på fryspunkten? Här behöver du använda uttrycket for fryspunkten som du kom fram till i uppgift 1 (P=0).

d) Figuren nedan visar ett TS-diagram med data från en CTD station som togs vid vid fronten av Filchner shelfisen när jag var där för några år sen. Vad var den lägsta temperaturen som vi mätte då? hur salt var det vattnet? Hur kan det ha blivit så kallt?

TS-diagram som visar data från en station vid fronten av Filchner shelfisen. Den svarta linjen visar fryspunkten (för P=0).
TS-diagram som visar data från en station vid fronten av Filchner shelfisen. Den svarta linjen visar fryspunkten (för P=0).

e) Finn Gade linjen som går genom punkten med det kallaste vattnet vi observerade och plotta den tillsammans med datan och linjen som ger frysepunkten (från uppgift 1, P=0) .

f) Det mesta av vattnet som kommer in under Filchner-Ronne isen är på fryspunkten (P=0). Hur salt var det kallaste vattnet som vi observerade när det kom in under shelfisen, dvs innan det smälte is?

Med hjälp av Gade linjen kan vi bestämma hur salt vattnet som kommer ut från håligheten under Filchner-Ronne shelfisen var när det strömmade in. Eftersom vi vet hur salthalten ändrar sig längst fronten (det blir saltare ju längre väst man går) så kan vi också säga var det vattnet strömmade in!

Attachments

Experiment: Hur kallt kan vattnet bli?

Du behöver:

  • En skål
  • En termometer
  • isbitar
  • lite vatten
  • något att röra med

Blanda vatten och isbitar i en skål och sätt i termometern. Rör om ordentligt en stund. Vad visar termometern?

Slå så i salt och rör om ordentligt. Vad händer med termometern? Vad sker om du slår i ännu mer salt? Hur kallt kan du få vattnet?

När en blandning av vatten och is är i jämvikt, så är temperaturen på fryspunkten. När du slår i salt, så sänks fryspunkten (ju saltare vattnet är, ju lägre är frysåunkten) och blandningen är inte längre i jämvikt. Värme från vattnet används till att smälta is och temperaturen sjunker – antingen tills all isen är smält, eller tills temperaturen i vattnet är på frysepunkten.

 

Alla mina riggar i vattnet

Den här veckan kommer det blog från min kollega Svein Østerhus som befinner sig på en annan forskningsbåt, på andra sidan av kontinenten men jag tänkte ändå att ni skulle få en kort uppdatering (och ett nytt problem) från mig!

6861600114_bb8d69230f_o
Foto: Povl Abrahamsen


Alla mina riggar är nu i vattnet – och det är en betydligt mindre nervös Elin som går och lägger sig om kvällen nu än det var tidigare. Det är mycket som ska förberedas, mycket man ska tänka på när man sätter ihop riggarna, så många bitar som ska passa ihop – och mycket som kan gå fel. Vanligvis har jag en tekniker med mig som har full koll på vilka muttrar som ska sitta var och i vilken ordning ringar och shacklar ska sitta, men nu var det jag som stod där ute på däck med skiftnyckeln i handen och skulle hålla ordning på allting – och se till att allting var färdigt när det var min tur. Men det gick bra! Och så var Araon till slut på rätt position och vi kunde börja!

Mr Ham, den koreanska riggteknikern, ger tecken till kranföraren och snart ligger min första oranga boj och guppar i vattnet bakom båten. Vi kör långsamt framåt och matar ut lina från vinshen allteftersom – var femtionde meter fäster jag och Karen instrumenter på linan. Det går fort, alla vet vad de ska göra. Bojen blir mindre och mindre och snart är 300 m med lina utvinschad och alla instrumenter är i vattnet. Det är bara ankaret (3 gamla
järnvägshjul) som står kvar på akterdäck – men snart försvinner också det ner i djupet med ett stort plask. Den stora oranga bojarna dras fram genomvattnet mot oss allteftersom ankaret sjunker, men tillslut fösvinner också de under ytan. Ankaret kommer till slut att landa på botten – vanligtvis någonstans mittemellan platsen där det blev släppt ner och platsen där den sista bojen
försvann under ytan – men för att vi ska veta exakt* var riggen står så «triangulerar» vi med hjälp av utlösaren. På tre olika platser skickar vi ner signaler till utlösaren och ber honom svara -och utifrån tiden det tar för svaret att komma tillbaka kan vi räkna ut avståndet mellan båten och utlösaren. Eftersom vi vet var båten är, så kan vi räkna ut var riggen står… kanske ni vill hjälpa till? Jag tror det är enklast att lösa problemet grafiskt!

När vi släppt ner ankaret till min första rigg så åkte vi först 443 m i riktning -40.2 grader (se förklaring längst ner) till första trianguleringspunkten. Då var avståndet till utlösaren 802m. Därifrån åkte vi 862 m i riktning 172 grader och fick ett avstånd på 754 m. På den sista punkten var avståndet till utlösaren 816 m. Då hade vi åkt vi 867 m i riktning 53.0 grader från punkt nummer 2. Det är 600 m djupt och utlösaren sitter 25 m över botten. Hydrofonen som vi använder för att prata med utlösaren sänker vi ner 10 m under ytan. Var står riggen? Hur långt hade ankaret drivit? Hur noggrann är trianguleringen? Kan du uppskatta felet?

Däcksenheten som pratar med utlösaren använder en ljudhastighet på 1497 m/s när den beräknar avståndet till utlösaren. Med hjälp av data från en CTD-profil så beräknade jag den faktiska ljudhastigheten (som är en function av salthalt, temperatur och tryck) och kom fram till att medelhastigheten bara var 1447 m/s. Spelar det någon roll i uträkningarna ovan? Kan du korrigera dina beräkningar? Riktningarna angivs som «grader motsols från x-axeln». X-axeln pekar mot öst, så om vi åker mot öst så är vinkeln noll grader, om vi åker mot norr så är vinkeln 90 grader och om vi åker söderut så är vinkeln -90 grader.

Blog1_1
Foto: Elin Darelius Chiche

 

Oppgaver og øvelser

Norsk

Svenska

Riggar på väg upp – och riggar på väg ned

Med CTD och LADCP (strömmätare som sitter på CTD:n) får vi reda på hur vattnet strömmar och vilken temperatur det har just nu, när vi är här – men vi vill så klart också veta vad som händer när vi rest hem igen. Därför sätter vi ut instrumenter på så kallade riggar som kan stå kvar och mäta när vi åkt hem, och så kan vi komma tillbaka och hämta dem senare. Jag har aldrig varit i Amundsenhavet tidigare, så jag har inga riggar att plocka upp jag ska bara sätta ut nya. Mina svenska, engelska och Koreanska kollegor har riggar i vattnet – och det var med stor spänning vi tidigare i veckan närmade oss platsen där en av dem för två år sen sattes ut. Karen skickade hydrofonen över relingen och ner i vattnet och knappade in utlösarens speciella kod. Långt under oss nere på botten stod den och väntade snällt på att få höra från oss – och när den efter två år nu äntligen gjorde det så svarar den glatt «jag är här!». Karen knappade in en ny kod som betyder «släpp», och snart fick hon ett nytt svar «jag har släppt, jag är på väg upp!». Alla spejade ut i dimman – ivriga att vara den första som fick syn på de gula bojarna.
– Där är den! Där borta!
Besättningen är snabbt ut i en mindre båt för att börja arbetet med att plocka upp riggen – de vet vad de ska göra, det här har de gjort förr. Några timmar senare är alla instrument ombord och vi arbetar för fullt. All data ska lastas över från instrumenten till datorer och hårddiskar, sedan ska instrumenten gås över och få nya batterier och programmeras. Imorgon ska de ner i vattnet igen!
Koreanerna hade inte lika tur; deras första rigg hade gått av en bit ovanför botten och det var bara utlösare och ett par temperatursensorer som kom upp. Deras andra rigg var helt borta – troligtvis är det ett stort isberg som dragit den med sig. Men de sista tre kom upp som på beställing!

Första riggen är redo att gå i vattnet – dags att säga «Hej då» till mina «mikrokatter». Förhoppningsvis ses vi igen om två år! (Foto: Nicole Waite)

I går hade vi möte med besättning och tekniker för att gå igenom hur mina riggar ser ut och för att bestämma hur vi bäst sätter ut dem. Besättningen talar dålig eller ingen engelska*, så mötet hölls på koreanska – och bara då och då kom det en fråga på engelska till mig. I en knapp timme lät det ungefär så här:

ㄻㅊ널촘ㅈ괴ㅓㄴ모거모 ㅏㄱ mooring ㅓ로ㅕ추마 ADCP ㅕ루 멍로 ㅏㅕ고러ㅏㅓ Shackleㄷ ㅣ찰머놀ㄹ러ㅏmooring 몬염ㅍ뒤곤?mooring름 ㅡㅐㅐA-frame 갸ㅜㅎ 멀촘너 .

Foto: Nicole Waite
… och där försvinner utlösaren över relingen! (Foto: Nicole Waite)

 

Jag har i lugn och ro förberett mina instrumenter och min utrustning – i tron om att det fortfarande var flera dagar kvar tills de skulle i vattnet. Koreanerna hade fyra riggar kvar att sätta ut först. Men så blåste det upp och helt plöstligt gick vågorna höga – och kaptenen gav order om att det var för farligt att arbeta på däck… så nu har de vänt hela arbetsschemat på huvudet och vi kör med full fart västerut, till västra delen av Getz shelfis. Där är det mer is och förhoppningsvis mindre vågor, och desutom kan vi då använda tiden med dåligt väder till att förflytta oss, istället för att ligga och vänta på att vi ska kunna sätta ut riggar. Så nu är det helt plöstligt min sista rigg som står överst på dagordningen …och jag har tyvärr inte tid att skriva mer till er just nu!

*Jag frågade La, en av oceanograferna som pratar bra engelska var han lärt sig språket. De andra som pratar bra engelska har alla gjort doktorgrad eller bott utomlands – men jag visste att han inte har gjort det. Efter en stund kom det fram att han under studietiden en gång i veckan pratat engelska med de enda i Korea som är villiga att prata engelska med dig helt gratis: Jehovas vittnen och mormoner! «Men jag är fortfarande Buddhist, jag ville bara lära mig prata engelska och hade inte råd med privat lärare…»

Oppgaver og øvelser

Norsk

Svenska

Uppgifter: Riggar och tidsserier

Vi reser på tokt till Amundsenhavet vartannat år då gör vi en massa mätningar och får en bild av vad som händer just då, när vi är där. Men vi vill ju såklart också veta vad som händer när vi inte är där. Därför sätter vi ut «riggar». Riggar är kort och gott ett ankare, en lina som vi sätter fast instrumenter på och så flytelementer som håller den uppe. Riggen får stå kvar på botten och mäta (vanligtvis ström, salt och temperatur men jag ska också ha instrumenter som mäter koncentrationen av syre i vattnet) tills vi kommer tillbaka ett år eller två senare för att hämta upp den. Hur riggen ser ut och vilka instrumenter man sätter på den beror så klart på vad man ska studera! I tabellen i uppgift 2 ser du några av instrumenten vi använder och her ser du hur en av mina riggar ska se ut:

rigg

Uppgift 1

Nu kan du få designa din! Hur skulle din rigg sett ut om du vill

  1. studera hur vattnets salthalt och temperatur förändrar sig i de övre 200 m under ett år i ett område som är 500 m djupt?
  2. studera en bottenström som når upp till 300 m över botten?
  3. ta reda på hur mycket varmt vatten som strömmar in under in shelfis? Det är 800 m djupt. Tänk på att isbergen kan nå ner till 300 m djup!

 

Uppgift 2

Gör beräkningarna för din egen rigg eller för en rigg som har:

1 x Utlösare (25 möb); 3 x  SBE37 (25, 150 och 300 möb), 1 x RCM (50 möb), 1 x ADCP (300 möb) och  5 x SBE56 (50, 75, 100, 200, 250 möb). Möb=meter över botten.

Instrumenterna har följande dimensioner (alla har omtrent sylinderform):

a) Hur mycket väger instrumenterna på riggen i luft? i vatten?

Riggen måste också ha flytelementer (glaskulor) för att stå vertikalt!

b) Hur stor är uppdriften från en glaskula? Glaskulornas diameter är 43 cm och de väger 22 kg (i luft).

c) Hur många glaskulor behöver vi för att hålla riggen uppe?

Uppgift 3

När det är stark ström så dras riggen ner mot botten – det är inte bra. För det första får man inte mätningar från de djup man hade tänkt och för det andra så kan många instrument inte mäta när de lutar för mycket. En ADCP kan till exempel inte mäta strömmen om den lutar mer än 15\(^\circ\). Därför sätter vi på extra flytelementer för att hålla riggen upprätt också när det är stark ström. Kraften som det strömmande vattnet utövar på riggen är proportional mot arean som vattnet träffar.

a) Hur stor andel av riggens «area» utgör linan?

b) Hur mycket minskar motståndet om vi bytar till en lina som bara är 6 mm i diameter?

c) Ett instrument har dragits ned till 170 m över botten (möb) och dragits 218 meter nedströms, ett annat instrument har dragits ned till 65 mab och dragits 105 meter nedströms. Formen på linan kan beskrivas med en (halv) parabel. Finn uttrycket för parabeln!

d) Trycksensorn på en ADCP visar att den nu sitter 40 m över botten. Hur mycket lutar den då? Kan vi använda mätningarna?

e) Hur högt upp måste ADCP ha suttit för att vi skulle kunnat använda mätningarna?

f) Varför tror du vi hellre sätter en ADCP högt uppe så att den tittar ner, hellre än att den sitter närma botten och tittar upp?

mooring2
En av mina riggar i stark ström. Vi använder datorprogram för att räkna ut hur riggarna kommer uppföra sig i starkt ström. Programmet talar också om till exempel hur tungt ankaret måste vara!

 

Uppgift 4

När vi hämtar upp riggen igen och lastar ner datan från instrumenterna så får vi tidserier av ström, temperatur och salthalt. Nu ska vi titta på data från riggar som stod ute i Amundsenhavet 2012.

a) Läs in och plotta strömmätningarna från rigg S4 i 17-24 juni, 2012. (Riggdata_S4_1).  Strömmätningarna är i cm/s. Vad är det vi ser?

b) Hur stor är medelströmmen? i vilken riktning går den? (\(u\) ger strömstyrkan i \(x\)-riktning (mot öst) och \(v\) ger strömmen i \(y\)-riktning (mot norr))

c) Om du ska tillpassa eller beskriva observationerna med en funktion, vilken väljer du då?

d) Bestäm konstanterna med hjälp av regression.

e) Ett isberg flyter med strömmen i närheten av S4 – sätt upp ett uttryck (på vektorform) för hur isberget kommer att förflytta sig och plotta trajektorien i en ny figur. Beskriv rörelsen!

f) Plotta strömmen en vecka fram i tiden med hjälp av din funktion från (d).

g) Läs in datan från S4 24/6 – 1/7 och plotta den i samma figur – stämmer din model? Varför/varför inte? (Filen heter: Riggdata_S4_2)

Uppgift 5

Läs in och plotta tryckmätningarna från rigg C2. Här var strömmen mycket starkare än vad vi trodde, och vi hade inte satt på tillräckligt med flytelementer 🙁 (Filen heter: Riggdata_C2)

a) Vad är det vi ser? (hint: se uppgift 2)

b) Hur djupt sitter instrumentet när det är svag ström? (1 m \(\approx\) 1 dbar)

c) Hur djupt dras det ned maximalt?

d) Hur stor del av tiden har det dragits ner mer än 40 m? 80 m?

e) \(u\) ger strömstyrkan i \(x\)-riktning (mot öst) och \(v\) ger strömmen i \(y\)-riktning (mot norr). Använd Pythagoras sats och sätt upp ett uttryck för strömstyrkan. Räkna så ut den! Hur stark är den starkaste strömmen? medelströmmen? Hur många kilometer/timme är det?

f) Är det något samband mellan strömstyrka och tryck (dv neddragning)? Hur ser det ut? Beskriv sambandet matematiskt och förklara med ord!

 

Uppgift 6

Instrumenten går på batteri – och varje gång de gör en mätning går det åt lite (eller mycket om det är en ADCP) energi. Vi vill såklart att instrumenten ska göra mätningar helt tills vi kommer tillbaka och hämtar dem – så vi räknar i förväg ut hur ofta vi kan göra mätningarna utan att batteriet tar slut. Men vi måste också ta hänsyn till e.g. tidvatten när vi bestämmer hur ofta vi ska mäta.

a)Det dagliga tidvattnet (en av komponenterna) har en period på 25.8h. Tidvattnet kan beskrivas med en sinus kurva. Amplituden (och fasen) beror på var vi är – men anta att  amplituden är 10 cm/s och fasen 0. Sätt upp ett uttryck som beskriver tidvattnet och plotta det trettio dagar fram i tiden.

b) Om vi gjort mätningar bara en gång om dagen (i.e. var 24 h), hur hade vår tidserie sett ut då?

c) Vilken period har «svängningen» som vi då observerat?

d)Tidvattnet som vi observerar är en summa av många tidvattenskomponenter med olika perioder. En annan heldaglig tidvattenskomponent har en period på 23.93h.  Sätt upp uttrycket för den tidvattenskomponenten om amplituden är 9 cm/s (fasen kan du sätta till noll) och plotta summan av de två komponenterna. Vad är det du ser? Hur ändras amplituden? Hur långt är det mellan två «amplitudmaximum»? Kan du förklara vad som sker? (tips – plotta både de enskilda komponenterna och summan av dem). Jämför resultatet med dina resultat från uppgift 3g!

 

Attachments

Experiment: Arkimedes princip

Alla vet att Arkimedes satt i sitt badkar och ropade «Heureka» – men vet du varför?

För det här experimenten behöver du

  • Ett stort glas eller t.ex. en hög (och inte alltför vid) skål eller karaff (genomsiktlig)
  • En lien plastkopp (som får plast i glaset/skålen/karaffen)
  • ett par mynt eller stenar (eller något annat «tungt»)
  • ett äpple (eller något annat som flyter)

Fyll glaset med vatten och sätt i plastkoppen. Fyll den sedan med så många mynter som det går utan att den sjunker. Markera (med en penna som går att torka bort, eller genom att hålla fingret) hur högt vattnet går.

Om vi nu i stället lägger mynten i vattnet, vad sker då? Tror du  vattennivån ändras? åt vilket håll? upp eller ner?

Gissa innan du försöker!

Gör om försöket med äpplet. Vad händer då?

 

 

 

Experiment: Vad flyter i Döda havet?

Du har säkert sett bilder på folk som ligger och flyter i Döda havet med en tidning eller en bok… men vad är det mer som flyter där?

Du behöver:

  • 2 stora skålar eller plastburkar
  • vatten och (mycket) salt
  • diverse grönsaker (eller andra saker som du vill testa)

Blanda väldigt salt vatten i den ena skålen (Salthalten i Döda havet är 33.7%, men ta ca 1 kg salt till 4 liter vatten, det räcker fint! Saltet löser sig lättare om vattnet är varmt.) och fyll den andra med vanligt kranvatten. Sätt upp en hypotes (gissa) vilka grönsaker som flyter i färskvatten och vilka som flyter i «Döda havet» innan du testar!. Är det någon som flyter i det ena men inte i det andra? är det något som sjunker i Döda havet?

Flyter kokosnöten? Från Forskningdagarna i Bergen. Foto: UNI research
Flyter kokosnöten? Från Forskningdagarna i Bergen. Foto: UNI research