Baggrund | VG3
Projecter »
Golfstrømmen som en flod i havet?
Golfstrømmen og vinden
Golfstrømmen og den termohaline cirkulation
Den termohaline cirkulation
T-S diagrammet
Verdens første lærebog i fysisk oceanografi, ”Der Ozean” blev skrevet af tyskeren Otto Krümmel i 1886. I bogen kan man finde et atlas over de vigtigste overfladestrømme i Verdenshavet gengivet i Fig. 2. Krümmels strømkort er mere omfattende og mere detaljeret end Franklins, men det skal ses i lyset af at der er en aldersforskel på 100 år mellem de to kort. Den helt afgørende vigtige forskel på de to kort er, at Krümmel ud fra observationer har indset, at Den Østamerikanske Kyststrøm deler sig op i to strømsystemer ved Kap Hatteras. Den store strømhvirvel beskrevet af Franklin genfindes hos Krümmel, selv om den her er forskudt sydover i Nordatlanten, men Krümmels kort viser desuden en overfladestrøm gående mellem Island og England og nord om Norge. Havvandet i denne strøm kommer ikke retur til Nordamerika som en overfladestrøm men som bundvand.
Den første veldokumenterede geografiske beskrivelse af Golfstrømmen blev givet i 1786 af Benjamin Franklin, forfatter, politiker, diplomat, trykker, videnskabsmand, opfinder og en af ophavsmændende til Den Amerikanske Uafhængighedserklæring. Franklin opfattede denne havstrøm som en slags flod i havet, der transporterede varmt og salt vand fra Den Meksikanske Havbugt (Golf) op langs den amerikanske østkyst i retningen mod Nordeuropa. Franklin havde desuden en klar opfattelse af, at Golfstrømmen var en del af en stor lukket strømhvirvel, som leverede returvand fra Nordeuropa til det nye og uafhængige Nordamerika, der dengang bestod af et mindre antal stater beliggende ved østkysten. Eftersom Den Amerikanske Uafhængighedserklæring kom 2. juli 1776 et par dage før 4. juli, så kan amerikanerne som de første tage æren for at beskrive Golfstrømmen om end i grove og ufuldstændige detaljer, og her er det vigtigt at notere sig at Golfstrømmen på den tid ikke var veldefineret i geografisk henseende.
Dog har Franklins hovedkort en historisk interessant detalje, fordi det viser sejlskibe, som sejler med og mod strømretningen i Golfstrømmen. Overleveringen fortæller, at det var de kloge amerikanske søfolk, som sejlede med strømmen og dermed kunne lægge 6 knob til deres fart over havbunden, mens de dumme britiske søfolk næsten ikke kunne komme frem i søen, fordi de sejlede med strømmen imod sig. Sådanne historier opstår nemt under en krig.
Endelig skal det bemærkes, at der på Krümmels endnu ikke var styr på Golfstrømmens geografi, bl. a. fordi strømmen ud for Nordøstamerika kaldes Floridastrømmen mens strømmen fra Nordamerika til Nordnorge benævnes Golfstrømmen. Det kan på den baggrund gøres gældende, at både Franklin og Krümmel er ansvarlige for, at der selv i dag er usikkerhed omkring Golfstrømmens geografiske udstrækning og placering.
I 1927 skriver den svenske oceanograf Otto Pettersson om Golfstrømmen og Den Nordatlantiske Strøm i artiklen ”Der Golfstrom und der Atlantischer Strom”. Hovedresultaterne af dette arbejde er gengivet i Fig. 3. Her er både tale om et søkort samt et strømkort, der i grove træk viser dybdeforholdene, overfladestrømmene samt dybvandstrømmene i Nordatlanten. Pettersson finder som Krümmel den store strømhvirvel, der sender vand til De Kanariske Øer og retur mod Den Meksikanske Havbugt, men også strømgrenen med retning mod Nordnorge, så her er vi meget tæt på det korrekte navn, Den Nordatlantiske Strøm, som strømmen kaldes i dag. Pettersson får også givet Golfstrømmen den korrekte geografiske placering mellem Floridastrædet og Kap Hatteras i sin artikel. Bemærk til sidst ud fra søkortet at hyppigt forekommende havdybder i Nordatlanten ligger på over 4000 m, og at man kan se dybdesignaturen af Den Midtatlantiske Bjergryg gående nord-syd. Vigtigst i den konkrete sammenhæng er dog Wyville Thompsonryggen mellem Skotland og Østgrønland, der blokerer delvis for vandudvekslingen mellem Det Arktiske Hav og Nordatlanten på store havdybder.
Et moderne kort af overfladestrømmene og isforholdene i Nordatlanten er gengivet i Fig. 4. Bemærk specielt her at haviskanten mellem Østgrønland og Nordnorge er forskudt højt mod nord som følge af Den Nordatlantiske Strøm men også, at den store golfstrømhvirvel ikke er varm men kold ved Den Kanariske Strøm som følge af passatvindene i dette område, der giver anledning til opvældning af koldt bundvand.
Golfstrømmen som en flod i havet?
Sædvanlige atlas viser Golfstrømmen som en ”flod i havet” eller som en varm jetstrøm, hvor det sidste er gået hen og blevet det benyttede fagudtryk. Det fremgår tydeligt af Fig. 5. En jetstrøm er karakteriseret ved at have en snæver rumlig afgrænsning og en meget stor transport af vand. For Golfstrømmens vedkommende så transporteres der 250 km3 vand i timen, hvilket er et ekstremt højt tal. Til sammenligning kan det nævnes, at den meget presseomtalte afsmeltning af Grønlands Indlandsis ligger på omkring de samme 250 km3 men vel at mærke per år.
Golfstrømmen er imidlertid kun en jetstrøm i en vis forstand, fordi Golfstrømmen hele tiden danner strømhvirvler og hele tiden skifter geografisk position. I 1971 blev der udlagt 110 overfladebøjer ved Floridas østkyst, og disse bøjer blev fulgt fra satellit i perioden 1971 – 1981, så man kunne følge bøjernes drift i løbet af denne 10-års periode. Resultatet fra dette måleprogram er gengivet i Fig. 6 som klart viser, at bøjerne kun i generelle træk bevægede sig op langs kysten for siden at bevæge sig mod Nordeuropa. Kun nogle få bøjer formåede at tage turen hele vejen rundt tilbage til udganspunktet. Bøjerne op langs den amerikanske østkyst fulgte ikke et smalt jetstrømspor men fordelte sig ud over et ganske stort geografisk område, som det klart fremgår.
Et moderne satellitbillede af overfladetemperaturen i Fig. 7, også kendt som SST (Sea Surface Temperature), kan også bruges til at beskrive Golfstrømmen i generelle træk. Igen ses det at der er varme vandmasser ud for den amerikanske østkyst. Det ses helt klart hvordan Golfstrømmen ved Kap Hatteras sætter kursen mod Nordeuropa, men nu som Den Nordatlantiske Strøm, der ved sin begyndelse er en jetstrøm, men en jetstrøm med mange strømhvirvler og mæandre.
Strømhvirvlerne ses helt tydeligt i Fig. 8, hvor man i samme figurs nederste venstre hjørne ser Kap Hatteras som et fremspring på den østamerikanske kyst. Hvirvlernes inderste kerne ses at være varm, og man taler derfor om de såkaldte ”warm core rings”, der transporterer vand rundt med uret, dvs. har en anticyklonisk rotation. Endelig skal det bemærkes at overgangen fra det varme vand i Golfstrømmen og Den Nordatlantiske Strøm til det omkringliggende atlanterhavsvand er særdeles brat. Ligesom i meteorologien tales der i oceanografien om, at her er en front.
Det overses alt for tit at Golfstrømmen og Den Nordatlantiske Strøm i høj grad drives frem af vinden. Også under den sidste istid, hvor havisgrænsen gik langt mod syd, fandtes der således både en Golfstrøm og en nordatlantisk strøm om end ikke så kraftig som i dag. Vinde giver som bekendt anledning til driftstrømme, der er vinddrevne overfladestrømme på vores roterende Jord. Blæser vindene i princippet i uendelig lang tid med samme fart og retningen, så får driftstrømmen en fart på omkring 3% af vindens fart mens strømretningen forskydes med 45 grader til højre for vindens retning på nordlig halvkugle. Den såkaldte simple ekmanmodel giver dette resultat. Men ekmanmodellen forudsætter en lang række ting foruden kravet om den konstant blæsende vind. Her skal kort nævnes at havet skal være uendelig stort og dybt, at hele Jorden skal være uden kystlinier og at en lang række naturkræfter såsom trykkræfter ikke spiller nogen rolle. Sådan ser den virkelige verden ikke ud!
Et eksempel fra den reelle verden er givet i Fig. 9, der viser at vindene i Nordatlanten varierer mellem vinter og sommer. Der findes med andre ord ikke konstante vinde. Dog kan der alligevel siges noget generelt om vindene i Nordatlanten. Der er altid en generel tendens til at vindene blæser fra Nordamerika til Nordeuropa på mellembredder og høje bredder. Dette område kaldes for Vestenvindbæltet. En tilsvarende men omvendt tendens gør sig gældende i det subtropiske område, hvor passatvindene findes året rundt. Dette faktum lå til grund for verdens første model for Golfstrømmen som en vinddreven strøm.
Modellen blev udviklet af Henry Stommel tilbage i 1948, og den var en videreudvikling af ekmanmodellen, som i dag har mere end 100 år på bagen. Stommelmodellen benytter i sit udgangspunkt et vindkort for Nordatlanten for henholdsvis vinter og sommer. Nordatlanten opfattes som et rektangulært havbassin med en konstant dybde og dermed flad bund. Her tages der altså ikke hensyn til, at havbunden består af en shelf, havbassiner og undersøiske bjergrygge for nu at nævne nogle få men karakteristiske geomorfologiske træk ved havbunden. Havvandets massefylde antages endelig at være den samme overalt, hvilket også er i strid med de faktuelle kendsgerninger, men alligevel er modellen et stort skridt fremad i den rigtige retning, fordi den har faste rande, dvs. kystlinier og en havbund, som alle giver anledning til gnidning mellem havet og randene.
Hovedresultaterne fra stommelmodellen er gengivet i Fig. 10 og 11. I Fig. 10 antog Stommel at corioliskraften (som blev udledt af Simon Laplace i 1777 længe før Caspard Gustave Coriolis’ fødsel i 1792) var konstant overalt i Nordatlanten. Denne antagelse førte ikke ubetinget noget godt med sig, fordi modelantagelse alene viste, at der transporteres vand rundt i en jævn bred strøm fra Nordamerika til Nordeuropa på mellembredder og høje bredder gående i vindens retning. Denne østgående strøm ledsages af en tilsvarende returstrøm fra Europa og tilbage mod Den Meksikanske Havbugt. Vandtransporten i modellen har helt symmetriske træk både øst-vest samt nord-syd, og strømningsmønstret har karakter af at ligne 4 lidt forskellige Piet Hein superellipser, hvor rotationen er anticyklonisk, som den også bør være. Men det er også det hele.
Modellen giver dog en mulighed for at beregne vandtransporterne i modelbassinet, fordi de indtegnede isolinier angivet med tallene 20, 40, 60 og 80 er såkaldte strømlinier. Fx. er vandtransporten mellem strømlinie 20 og 60 på høje bredder rettet mod øst, og selve vandtransporten kan beregnes efter det efterfølgende lille beregningseksempel:
(60 – 20) = 40 (den fysiske dimension angives med enheden millioner kubikmeter vand per sekund = 1 Sverdrup [Sv]).
Pilene på strømlinierne angiver bevægelsesretningen, som er anticyklonisk.
Mellem isolinierne 20 og 60 transporteres der altså 40 x 106 m3/s mod øst over et nord-sydgående tværsnit på ca. 1000 km (benyt længdeskalaen nederst til højre i figuren).
Ligger strømlinierne 20 og 60 meget tæt på hinanden, så får man den samme vandtransport men nu i et smalt nord-sydgående bælte, men det er ikke tilfældet her, hvor der ikke findes nogen antydning af en jetstrøm, dvs. stor vandtransport over et lille tværsnit.
Til sidst antog Stommel at corioliskraften ikke var konstant men øgende, når man gik fra syd til nord i Nordatlanten helt i overensstemmelse med Laplaces beregninger. Resultatet var opløftende, hvilket tydeligt fremgår af Fig. 11, der som i Fig. 10 også viser strømlinierne i det rektangulære modelbassin.
Ude mod øst ligger strømlinierne nu meget tæt, så her findes en jetstrøm, vi kan identificere som Golfstrømmen. Vi har som før også en returstrøm, så antagelsen om en variabel corioliskraft giver som modelresultat både en jetstrøm og den meget store strømhvirvel med en radius på flere 1000 km – begge dele noget helt karakteristisk for det samlede golfstrømsystem.
Det var i 1948 svært at holde hænderne nede, og i dag fortæller stommelmodellen os følgende lærerige historier: 1) En (computer)model kan give afgørende forskellige model output, hvis der bare et enkelt sted ændres på en modelantagelse. 2) En (computer)model er aldrig bedre end de antagelser den hviler på. 3) Antagelser skal altid checkes mod realiteterne dvs. mod eksperimentelle data for at få en ide om modelkvaliteten.
Golfstrømmen og den termohaline cirkulation
Der stilles ofte det spørgsmål om Golfstrømmen kan gå helt i stå? Og det helt store skrækscenario fremstilles som et mareridt i både presse og film: Hvad nu hvis Golfstrømmen vender, dvs. begynder at strømme fra nord i Grønlandshavet mod syd til Det Karibiske Hav? Tankegangen er følgende i meget grove og korte træk: Den forventede globale temperaturstigning i atmosfæren ved havet, jorden og isen stiger gradvist som følge af de menneskeskabte klimaændringer.
Klimamodellerne viser samstemmende, at de største temperaturstigninger kommer til at finde sted ved polerne. Specielt indlandsisen på Grønland vil få en øget afsmeltning og isdækket i Det Arktiske Hav vil formindskes drastisk (der findes i dag måledata, som bekræfter denne tendens).
Overfladevandet i farvandene omkring Grønland vil - omend yderst langsomt - ændre karakter fra at være tungt oceanisk havvand til at blive let brakvand, som aldrig vil kunne blive bragt til at synke ned til havbunden i de nuværende dannelsesområder for dybvand, dvs. områder hvor kolde klimatiske forhold betinger, at overfladevandet i dag bliver så tungt, at det reelt synker hele vejen ned til havbunden efterladende sig et ”hul” ved havoverfladen.
Stoppes denne nedsynkning så tilsiger tankegangen, at golfstrømvandet ikke trækkes mod nord for at fylde ”hullet” op. Og når ”hullet” ikke fyldes op med salt golfstrømvand, så bliver overfladevandet mere og mere brak, fordi isafsmeltningen hele tiden vil fortsætte. Den nuværende cirkulation vil da gå i stå for efter nogen tid for siden at skifte retning. Ikke alle forskere bruger begrebet ”hul”, men taler i stedet om ”hullet” som et ”tændrør” i cirkulationspumpen. Andre igen taler om ”Nordatlantens kolde hjerte”, men alle taler om det samme…
Allerførst skal det slås fast, at vandudvekslingen i Nordatlanten mellem det varme og salte vand i syd og det kolde og lidt mindre salte vand i nord er betinget af både vind og vejr forstået 100% bogstaveligt. Vindeffekterne er beskrevet tidligere, og her fremgik det klart, at vinden trækker varmt golfstrømvand op mod nord. Det sker – og vil ske – så længe vi har vestenvinde og passatvinde.
Den termohaline cirkulation sender koldt bundvand fra farvandene ud for Grønlands kyster ned mod syd langs den amerikanske østkyst i en jetstrøm, som ligger under Golfstrømmen, hvilket fremgår af Fig. 12. Herved sker der en omfordeling af varme i Nordatlanten, fordi transporten af det varme golfstrømvand mod nord giver anledning til en tilsvarende stor transport af koldt bundvand mod syd. Temperaturforskellene mellem nord og syd bliver derved mindre med denne termohaline transport end hvis den ikke fandtes. Man kan også sige at der med denne omfordeling af varme skabes et mildere klima oppe mod nord, hvor Golfstrømmen og Den Nordatlantiske Strøm er fremherskende.
For at forstå den termohaline cirkulation i detaljer skal følgende nævnes:
Ordet termohalin er et sammensat fagudtryk, hvor "termo" står for varme og "halin" står for salt. Den termohaline cirkulation udtrykker derfor blot en havcirkulation som drives rundt af forskelle i havtemperatur og saltholdighed – eller mere korrekt salinitet, som er den størrelse man måler i havet.
Salinitet måles ved at bestemme havvandets elektriske ledningsevne, og måleenheden for salinitet angives i gram per kilo, så salinitet angives slet og ret som et tal, hvor g/kg er underforstået.
Fig. 13 viser et eksempel på en salinitetsmåling i nord-sydgående retning i Atlanterhavet. Målesnittet er vist nederst til højre i den lille figur i Fig. 13. Det fremgår herfra, at de typiske saliniteter i Atlanterhavet ligger på omkring 35 med maksimumværdier op til 37 i overfladevandet i subtroperne, hvorfra Golfstrømmen henter sit vand i Den Meksikanske Havbugt. Dette salte vand er imidlertid også meget varmt, så kombinationen af salt og varmt vand bevirker, at det holder sig ved havoverfladen.
Imidlertid transporterer Golfstrømmen det varme salte vand mod nord, hvor der er koldere, hvilket kan ses på temperatursatellitbilledet i Fig. 14, Overfladevandet bliver tungt og synker ned til havbunden, og vi får den termohaline cirkulation i gang. Dette var hovedforklaringen i meget grove træk på den termohaline cirkulation, så det bør lige nævnes at Golfstrømmen under sit forløb mod nord udveksler bade salt og varme med omgivelserne, der både er mindre salte og koldere.
Af anden betydning for den termohaline cirkulation kan nævnes, at når der dannes havis, så udskilles der salt til omgivelserne. Denne mekanisme giver også anledning til bundvandsdannelse og termohalin cirkulation.
Og omvendt men meget vigtigt: Når havis smelter, som det sker i dag i Det Arktiske Hav og Grønlandshavet, så sker der en tilførsel af brakvand fra den smeltende is (og en tilførsel af ferskvand fra den smeltende Indlandsis), hvor overfladehavvandet bliver mindre salt og dermed lettere. Lige netop dét sætter den termohaline cirkulation i stå, og sådan tegner situationen sig i dag.
Til sidst et par ord om "reverseringen af Golfstrømmen" hvor Golfstrømmen strømmer fra nord til syd, dvs. i modsat retning af i dag. For dette tænkte eksempel eller skrækscenario skal jetstrømmen under Golfstrømmen så også strømme modsat, dvs. fra syd mod nord. Det er absolut en situation, som er fysisk muligt.
Det kan man uden problemer observere i dag i den østlige del af Middelhavet ved Israel. Middelhavsvandet her er meget salt som følge af den store fordampning. Det er også varmt, men "saltet vinder over varmen", så overfladevandet bliver netto tungere end omgivelserne, så det synker ned til havbunden i Middelhavet til flere km's dybde.
Noget helt tilsvarende kan man sagtens forestille sig i Den Meksikanske Havbugt. Altså høj fordampning, høj salinitet, høj temperatur som følge af en klimaforandring men altså også dannelse af bundvand og dermed en reversering af Golfstrømmen. Og oppe mod nord ville billede se sådan ud: Smeltning af havis, ophør af bundvandsdannelse og dermed ophør af den eksisterende termohaline cirkulation. Dét er vores skrækscenario.
Der er udviklet mange forskellige klimamodeller for at kunne beskrive dette skrækscenario, men man må desværre sige, at der mangler specielt foruroligende mange oceanografiske måledata. Rigtig mange, endda. Så rigtig meget blæser i vinden...
T-S diagrammet kan benyttes til at bestemme overfladehavvandets massefylde som funktion af havtemperaturen, T og havvandets salinitet, S. Diagrammet er derfor et særdeles anvendeligt værktøj til forståelse og beskrivelse af den termohaline cirkulation.
Ud ad diagrammets to akser er afsat T angivet i grader Celcius (lodret akse) og S (vandret akse). Inde i diagrammet optræder der en række krumme ”parallelle” isolinier, som i fagsproget kaldes for isopykner. Nogle af disse isopykner er angivet med tallene: -3, 0, 5, 10, 15, 20, 25 ,30.
Disse tal er et mål for havvandets massefylde. Betragt eksempel den isopykn der har talværdien 20. Massefylden langs denne isopykn er da 1000 + 20 (kg/m3). Diagrammet viser umiddelbart at varmt og salt vand kan have samme massefylde som koldt og mindre salt vand. Diagrammet viser også, at massefylden ved fastholdt temperatur altid øger med øgende salinitet
I diagrammet optræder desuden to rette stiplede linier. Linien med den mindste hældning viser hvornår vand og havvand fryser til is. For S= 0, dvs. ferskvand fryser vandet ved 0 grader Celcius. For øgende S, dvs. for brakvand og oceanvand fryser havvandet til havis ved temperaturer under nulpunktet. Sædvanligt oceanvand med saliniteter omkring 35 fryser derfor til havis, når temperaturen er – 2 grader Celcius.
Den anden rette linie med størst hældning viser hvornår vand og havvand får sit massefyldemaksimum. For ferskvands vedkommende, dvs. S=0 sker det ved 4 grader Celcius, hvilket direkte kan aflæses i T-S diagrammet. Ferskvand og brakvand med saliniteter i intervallet 0 til 25 kan derfor siges at have nogle helt atypiske fysiske egenskaber, fordi disse vandmasser ikke udvider sig men krymper ved opvarmning under nogle bestemte forhold. Eksempelvis krymper ferskvand ved opvarmning fra 0 til 4 grader Celcius (atypisk for de fleste stoffer), mens det samme ferskvand udvider sig ved opvarmning over 4 grader Celcius (typisk for de fleste stoffer).
Typiske saliniteter i oceanerne ligger mellem 34 og 37, som det ses i Fig. 13. Derfor opfører alt oceanvand sig typisk, når det varmes op. Det indebærer, at når oceanvand varmes op i temperaturintervallet gående fra frysepunktet og op til fx 30 grader Celcius, så vil dette vand altid udvide sig under opvarmningen. Dette er en vigtig egenskab ved oceanvand, fordi det indebærer, at alt oceanvand bliver lettere ved opvarmning overalt i Verdenshavet uanset hvor man befinder sig.
Litteraturliste
"Recherces sur plusieur points du système du monde." Laplace, Pierre Simon - Mémoire de l´Academie royale des Sciences de Paris: p. 71-183. (1778)
"Théorie mathématique des effects du jeu de billard" Coriolis, Caspar-Gustave - samt andre artikler 1792-1843 i monografien udgivet på forlaget J. Gabay, 224 pp. (1990) - ISBN 2-87647-081-0
"Der Ozean. Eine Einführung in die allgemeine Meereskunde", Otto Krümmel - Verlag Freytag, Leipzig und Tempsky, Prag, 186 pp. (1886)
"Der Golfstrom und der Atlantische Strom." O. Pettersson - Svenska Hydrografisk-Biologiska Kommissionens Skrifter, ny serie: Hydrografi. IV, No. 4, Wald. Zachrissons Boktryckeri A-B, Göteborg, 7 pp. (1927)
"Diercke Weltatlas", Diercke, C. und Dehmel, R. - 113. Auflage ( 25. Auflage der Neubearbeitung). Georg Westermann Verlag, Braunschweig, Berlin, Hamburg, München, Kiel und Darmstadt, 168 pp. (1957)
"General Oceanography, an Introduction", G. Dietrich - Interscience Publishers, 588 pp. (1963)
"The Gulf Stream", Henry Stommel - Univ. of California Press, 248 pp. (1965)
"Principles of Physical Oceanography", Gerhard Neumann & Willard J. Pierson Jr. - Prentice-Hall, 545 pp. (1966)
"Introduktion til Fysisk Oceanografi", Niels Kristian Højerslev Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, HCØ-tryk (2006)
Artikler :
"The Westward Intensification of Wind-driven Ocean Currents", Henry Stommel - Trans. Am. Geophys. Union, 29, pp.202-206 (1948)
"Drifting Derelict Trajectories in the North Atlantic 1883-1902", Phillip L. Richardson - Woods Hole Oceanographic Institution (1983)
"The Atlantic heat conveyor slows", Detlef Quadfasel - Nature, Vol. 438 (2005)
