4. fejezet - A világóceán hőmérlege

Tartalom

4.1. Az óceáni hőmérleg összetevői
4.2. Az óceán fontossága a Föld hőmérlegében
4.3. A hőmérleg összetevőinek elemzése
4.3.1. A besugárzást befolyásoló tényezők 
4.3.2. Az infravörös sugárzást befolyásoló tényezők
4.3.3. A latens hőáramot befolyásoló tényezők
4.3.4. A szenzibilis hőáramot befolyásoló tényezők
4.4. A hőmérlegben szereplő áramok meghatározása mérésekkel és számításokkal
4.4.1. Direkt meghatározási módszerek
4.4.2. A hőmérleg indirekt számítási módszerei: átlagokból történő számítás (bulk formulas)
4.4.3. A hőmérleg-összetevők és egyéb áramok meghatározásához szükséges mérések, számítások és adatok
4.4.4. A hőmérleg összetevői és az óceán-légkör közötti egyéb áramok adatbázisai
4.5. Az óceán hőmérlege, annak egyes összetevői és egyéb turbulens áramok földi eloszlása
4.6. A meridionális hőszállítás

A fejezet bevezetéseképpen megjegyezzük, hogy „a hő a hőenergiának az a mennyisége, amely átadódik az egyik testből a másikba a testek közötti hőmérsékletkülönbség miatt” (Donald E. Simanek).

A Föld energiamérlege, annak hosszú- és rövidhullámú összetevői. A felszín, a felhők és a légkör által visszavert és elnyelt sugárzás, továbbá a latens és szenzibilis hő bejövő napenergiához viszonyított aránya.

4.1. ábra. A Föld energiamérlege (Forrás: http://science-edu.larc.nasa.gov/EDDOCS/images/Erb/components2.gif)

A Földet elérő napenergiának[11] körülbelül a felét az óceán- és a földfelszín elnyeli, és átmenetileg a felszínközeli rétegében tárolja (4.1. ábra). A rendelkezésre álló napenergiának csak egyötödét nyeli el közvetlenül a légkör. Az óceán által elnyelt energia legnagyobb része kibocsátódik a légkörbe, elsősorban párolgás és infravörös sugárzás által. A fennmaradó részét a tengeráramlatok szállítják más területekre, különösen a közepes szélességekre. 

A trópusi óceán általi hőleadás a fő energiaforrása a légköri általános cirkulációnak, a napenergia tárolása az óceánban enyhébbé teszi a Föld éghajlatát. Az óceáni áramlatok által szállított hőenergia mennyisége időben nem állandó, és a szállítás szignifikáns változásai, különösen az Atlanti-óceánban, fontosak lehetnek a jégkorszakok kialakulásában. Ezen okok miatt, az óceáni hőmérleg és hőszállítás elemzése fontos a Föld éghajlatának és annak rövid és hosszú távú változékonyságának a megértésében.

4.1. Az óceáni hőmérleg összetevői

Az óceán felső rétegeiben tárolt belső energia változásai az energiabevétel és -leadás közötti egyensúly felbomlását okozzák a tenger felszínén. Ezt a felszínen keresztüli hőátadás, azaz hőáram (hőfluxus) egyenlíti ki. A hő- és vízáram megváltoztatja a felszíni víz sűrűségét, ezáltal a felhajtóerőt. Ezért a hő- és vízáramok összegét néha felhajtóerő-fluxusnak is nevezik.

A mélyebb rétegek energiaárama általában jóval kisebb, mint a felszíni rétegeké. Továbbá az óceánba be- és kilépő teljes energiaáramnak nullának kell lennie, különben az óceán teljes egésze felmelegedne vagy lehűlne. Az adott térfogatba be- és kiáramló víz hőáramának összege adja annak hőmérlegét.

A tengerfelszín hőmérlegének legfontosabb összetevői a következők:

  1. Besugárzás QSW, a tengerfelszínre érkező napsugárzás árama;

  2. nettó infravörös sugárzás QLW, a tengerfelszínről távozó infravörös sugárzás nettó árama;

  3. szenzibilis hőáram QS, a hővezetés hatására a tengerfelszínről kilépő hőáram;

  4. latens hőáram QL, az elpárolgott víz által szállított hőáram és

  5. advekció QV, az áramlások által elszállított hő.

A tengerfelszín hőmérleg-egyenletének alakja így:

(4.1)

ahol QT az eredő hőnyereség vagy -veszteség. A hőáram mértékegysége: W/m2

A hőáram felület és idő szerinti integrálásával megkaphatjuk az adott felület által adott időtartam alatt felvett, vagy leadott energia mennyiségét: W/m2 ∙ m2∙ s = J.

Az energiafelvétel, vagy -leadás az adott felület alatt fekvő, a folyamatban résztvevő vízréteg belső energiájának megváltozásaként fogható fel, amely hőmérsékletváltozáshoz vezet:

(4.2)

ahol m a melegedő vagy hűlő víz tömege, és cp a tengervíz fajhője állandó nyomáson:

(4.3)

Tehát közelítőleg 4000 joule energia szükséges ahhoz, hogy 1,0 kilogramm tengervíz hőmérséklete 1,0 °C-kal emelkedjen (4.2. ábra).

A tengervíz fajhője légköri nyomáson, a hőmérséklet és sótartalom függvényében

4.2 ábra. A tengervíz fajhője légköri nyomáson, cp joule / gramm / °C-ban megadva a hőmérséklet (°C) és sótartalom (‰) függvényében, a Millero-féle (Millero et al., 1973) tapasztalati képlet alapján számolva és Fofonoff és Millard algoritmusának a felhasználásával (1983). Az alsó vonal a sós víz fagyáspontja. (Forrás: http://oceanworld.tamu.edu/resources/ocng_textbook/chapter05/Images/Fig5-1.jpg)



[11] Fizikailag pongyola kifejezéssel a továbbiakban a Napból származó sugárzási energiát „napenergiának”, a termikus, v. belső energiát pedig „hőenergiának” fogjuk nevezni.