Varme, temperatur og SST
Definition af havoverfladetemperaturen
Traditionelle målemetoder
Infrarød radiometri
Mikrobølgeradiometri
Egenskaber ved stråling, strålingstemperatur
Gennemtrængningsdybde
Implikationer

Varme, temperatur og SST
Temperaturen af havoverfladevand er ganske indviklet. For det første, så adskiller havoverfladen ikke fuldstændigt atmosfæren fra havene, sådan at luftmolekyler kun findes på dens overside og kun vandmolekyler og saltioner nedenunder. Tæt på havoverfladen findes der vanddråber i atmosfæren og små luftbobler i havet. Havoverfladen er derfor en blanding af vand og luft, og temperaturen her er næsten den samme som lufttemperaturen tæt på havoverfladen. I og med at blandingen af vand og luft blandt andet ved havoverfladen varierer med vejrforholdene og vandtemperaturen, så er det givet at havoverfladetemperaturen kræver en fysisk forklaring, såvel som en definition.
Temperaturen for et hvilket som helst fysisk legeme, som har en masse og indeholder varme, kan måles på to særdeles forskellige måder:

1. Tag et legeme (havet) ved en konstant temperatur, som måles på konventionel vis ved hjælp af et termometer eller en termistor. Sådanne instrumenter skal være i direkte fysisk kontakt med legemet, sådan at varmen kan blive ledt fra legemet ind i instrumentet (dette antyder at instrumenterne ikke kan måle overfladetemperatur, fordi de ikke kan tilvirkes vilkårligt små).

I denne type målinger interagerer instrumenterne med legemet via rimeligt langsomme processer man kalder varmediffusion og varmeadvektion.
Gennem denne type målinger finder vi temperaturen – eller bulktemperaturen – af legemet og ud fra denne kan varmemængden regnes ud.

Med hensyn til havene er varmemængden af største vigtighed for det globale klima.

2. Et legeme afgiver også energi via stråling (benævnt strålingsenergi). Intensiteten af strålingen er en funktion af temperaturen nær ved overfladen og vi refererer til den som strålingstemperaturen.
Strålingstemperaturen og bulktemperaturen er tæt forbundet med hinanden, men strålingsenergien er fysisk meget forskellig fra varmemængden.
Strålingsenergien kan for eksempel overføres gennem tomt rum fra et sted til et andet, hvilket ikke er tilfældet for varmen, idet at overførsel af varme kun er muligt når der er molekyler til stede.

Dernæst, så transporteres strålingsenergi med lysets hastighed i mediet, mens mekanismerne ved varmetransport er ekstremt langsomme sammenlignet med lysets hastighed. Strålingstemperaturen måles ved hjælp af et såkaldt radiometer. Radiometret opsamler den tilstedeværende stråling ved hjælp af en sensor, som absorberer strålingen og laver strålingsenergien om til (mærkbar) varme/en elektrisk strøm.

Det bør bemærkes at i tilfældet af radiometermålinger af havoverfladetemperatur, da er der intet behov for fysisk kontakt mellem havet og instrumentet. Strålingstemperaturen kan derfor måles fra satelliter.

Definition af havoverfladetemperatur
Havoverfladetemperaturen er bulktemperaturen målt så tæt som muligt på havoverfladen.
Havene er godt opblandede på grund af de altid tilstedeværende bølger, så havoverfladetemperaturen kan findes gennem målinger helt ned til nogle meters dybde.

Traditionelle målemetoder
I århundreder fik man kun havoverfladetemperaturer fra skibe. En spand (en pøs) blev smidt ud fra skibet og temperaturen blev så målt med det samme ved hjælp af et forsølvet kviksølvstermometer for at undgå uønskede temperatureffekter fra sollyset.

Sådanne havoverfladetemperaturer bliver refereret til som pøstemperaturen eller havoverfladens bulktemperatur. Disse skibs-baserede målinger blev sjældent gentaget og den globale dækning var ringe.

Havoverfladetemperaturen over enorme og i fjerne eller ugæstfri områder forblev ukendte i fortiden, eller blev kun målt ved en enkelt lejlighed.

Introduktionen af elektroniske instrumenter som CTD (conductivity, temperature, depth) og XBT (expendable bathy thermograph), såvel som færge- og handelsskibsmålebokse har kun i begrænset omfang forbedret denne situation udenfor handels- og transportruter, som kun dækker en lille brøkdel af havene.

Nogle få tusinde bøjer, olieplatforme, fyr- og vejrskibe leverer temperaturserier over tid til det oceanografisk og meteorologiske forskningssamfund, men alligevel er det rimeligt at hævde at den globale dækning over tid og rum ved at bruge de ovennævnte måleteknikker er højst ineffektive.

Det bør dog tilføjes at præcision af disse målinger er bedre end 0,1 C, men også at måledybden ofte er dårligt bestemt.

Infrarød radiometri
Opsendelsen i 1970 af de første satellitter i polarkredsløb som var i stand til at måle strålingstemperaturen/havoverfladetemperaturen var intet mindre end revolutionerende, idet gentagne målinger af havoverfladetemperatur med enestående global dækning nu blev en rutinesag.

Satellitteknikken er baseret på målinger af termisk-, infrarød- og mikrobølgestråling der forlader vandet. Den infrarøde bølgelængde er cirka 10 mikrometer og vælges fordi atmosfæren næsten er gennemsigtig for denne bølgelængde og kun absorberer strålingen i ringe grad.

Normalt siger man, at atmosfæren har et vindue for skyfri forhold. Ved andre bølgelængder er atmosfæren langt mindre gennemsigtig på grund af drivhusgasser såsom vanddamp (H2O), kuldioxid (CO2) og metan (CH4). Når skyer er til stede mellem havoverfladen og satellitten absorberer de al den infrarøde stråling og ingen målinger af havoverfladetemperaturen kan opnås, hvilket tydeligvis er en af de store begrænsninger ved infrarød radiometri.

Med få undtagelser har nogle regioner næsten altid skydække eller er helt overskyet. I disse områder er det nødvendigt at tilvirke såkaldte kompositte havoverfladetemperaturkort bygget på gentagne målinger gennem hullerne i skyerne som hele tiden bevæger sig.

En anden begrænsning er målepræcisionen, eftersom overfladetemperaturer har en usikkerhed på en halv grads celsius ved natteobservationer og op til en hel grads celsius i dagstimerne når solen skinner. Her bør det huskes at ved høje polare breddegrader, skinner solen aldrig om vinteren.

Mikrobølge radiometri
I tillæg til den infrarøde stråling udsender Jorden (hav, jord og is) også små mængder termisk mikrobølgestråling.

Ved disse målinger af havoverfladetemperaturer benytter vi bølgelængder på omkring 1-10 cm. Disse bølgelængder, som ligner de bølgelængder der bruges til satellit TV og til radarer, kan gennemtrænge skyer, og vi kan observere mikrobølge strålingstemperaturer både nat og dag næsten uafhængigt af skydækket.

Den primære ulempe ved mikrobølgeradiometret er den rumlige opløsning, som i bedste fald er omkring 25 kilometre for SST målinger.

Egenskaber ved stråling, strålingstemperatur

Satellit temperatur sensorerne måler en fysisk størrelse ved navn strålingstemperaturen som har fysiske egenskaber, der ligner synligt lys. Dette antyder at strålingstemperaturen kan karakteriseres som en elektromagnetisk bølge der udbreder sig i atmosfæren med lysets hastighed, hvilket er omkring 300.000 km per sekund.

Strålingstemperaturen adlyder også alle de fysiske love med hensyn til lysrefleksion, lysrefraktion og lysudsendelse. Endelig, kan strålingstemperaturen beskrives med teorien for sort legeme stråling, formuleret af Max Planck for godt et århundrede siden.

Denne teori siger kort at et sort legeme som holdes ved en fast temperatur vil udstråle lys af forskellige bølgelængder. Dette strålingsspektrum afhænger udelukkende af temperaturen af legemet. Højere temperaturer vil føre til en forskydning af spektrummets maksimum mod lavere bølgelængder og vice versa.

Solen, som har en overfladetemperatur på omkring 6000 C, udsender det meste af dens strålingsenergi (målt i enheder af strålingsenergi per enhed bølgelængde) i den synlige del af det elektromagnetiske spektrum (bølgelængde op 0,4-0,7 mikrometer med en topværdi omkring 0,5 mikrometer tilsvarende blåt/grønt farvet lys), hvorimod havene som typisk har en temperatur på mellem -2 og 30 C, udsender det meste af dens termiske stråling i den infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum (ved bølgelængder på omkring 10 mikrometer), men også mindre bidrag ved de længere mikrobølgelængder.

Gennemtrængningsdybde

Den infrarøde stråling og mikrobølgestrålingen trænger mindre end 1 millimeter ned i havvand, og derfor repræsenterer den stråling som satellitinstrumenterne måler kun temperaturen lige i selve havoverfladen.

Temperaturen målt via strålingstemperaturen refereres ofte også til som havoverfladens hindetemperatur, fordi den kun repræsenterer hinden af overfladen. Dette betyder at strålingstemperaturen af havoverfladen ikke er lig med havoverfladens bulktemperatur, men at den er en smule lavere.

I dagtimerne kan temperaturforskellen være op til 0,5 C, mens den i nattetimerne falder til typisk 0,2 C eller endnu lavere. Ud fra et fysisk standpunkt har strålingstemperaturen og bulktemperaturen forskellige egenskaber, men fra en praktisk vinkel har de meget til fælles.

Det har ført til udviklingen af forskellige algoritmer fra hvilke man kan udlede havoverfladens bulktemperatur fra strålingstemperaturen.

Implikationer

Modellering af det global klima kræver som et minimum havoverfladens bulktemperatur, havoverfladens hindetemperatur og overgangstemperaturen mellem havoverflade og atmosfæren, som er en slags ekstremt tynd overgangszone bestående af en blanding af vand og luft.

Fra bulktemperaturen får vi noget forhåndsinformation om varmemængden i det såkaldte blandede lag, som er den del af vandsøjlen der strækker sig fra overfladen og typisk ned til 40 – 100 m. Ved denne dybde finder vi typisk den sæsonbestemt termoklin, hvor vandtemperaturen falder drastisk med dybden. Dybden af den sæsonbestemte termoklin varierer med årstiden, hvilket essentielt set antyder at den varierer med graden af solindstråling.

Under den sæsonbestemte termoklin kan vi observere hovedtermoklinen med undtagelse af ved høje breddegrader. Hovedtermoklinens dybde forbliver basalt set konstant gennem hele året på grund af isolationen. Solopvarmning har ingen effekt på dybder mellem 100 – 1000 m hvor hovedtermoklinen normalt forefindes.

Yderligere detaljer er vist og forklaret i Figur 4. Den totale mængde vand der efterlader strålingsenergi er selvfølgelig en vigtig størrelse i det global varmebudget. Den er nogenlunde lig med SST opløftet i fjerde potens ganget med den såkaldte Boltzmanns konstant.

Endelig, bruges overgangstemperaturen i klima- og vejrmodeller. Den kan ikke måles direkte, men den kan anslås temmelig præcist fra målt lufttemperatur, havoverfladens bulktemperatur og havoverfladens hindetemperatur.