YFO0010 Sissejuhatus okeanograafiasse ja limnoloogiasse

1. YFO0010 Sissejuhatus okeanograafiasse ja limnoloogiasse 8. Ülevaade veekogudes toimuvatest füüsikalistest protsessidest (3)

2. Turbulents ja segunemine • viskoossus • turbulentne ja laminaarne voolamine • segunemine ja kaasahaare • Langmuir’i tsirkulatsioon

3. Viskoossus Kiiruse nihe - kiiruse muutus risti liikumise suunaga Hõõrdejõud pinnaühiku kohta - tangentsiaalne pinge - on võrdeline kiiruse nihkega viskoossus on võrdetegur ja sõltub vedeliku omadustest Turbulentsetest keeristest tekkiv hõõrdejõud on analoogiline molekulaarse viskoossuse tõttu tekkiva hõõrdejõuga Turbulentse viskoossuse koefitsient on molekulaarsest sageli väga palju suurem Kinemaatiline viskoossus

4. Reynoldsi katse turbulentsi tekke uurimiseks laminaarne turbulentne Turbulentne voolamisrezhiim tekib, kui Reynoldsi arvRe on suurem kriitilisest väärtusest (ca 2000) U - tüüpiline voolamise kiirus, L - voolamise ruumimastaap, - molekulaarne viskoossus

5. Turbulentsi teke: Kelvin-Helmholtz’i ebastabiilsus Tiheduse gradient stabiliseerib, kiiruse nihe destabiliseerib voolamist Suure kiiruse nihke korral (Richardsoni arv Ri>0.25) siselained muutuvad ebastabiilseks = nende amplituud kasvab keskmise kiiruse arvelt. Tulemusena, kihistunud vedelikus suurema tihedusega vedelik satub kergema peale ja siselainete murdumisest tekib turbulents. Nimetatakse ka billow turbulence.

6. Segunemine ja kaasahaare Segunemise korral turbulents on kõikjal ja segunemise tõttu toimub algsete ebaühtluste “silumine” Kaasahaarde (entrainment) korral turbulents on ühes piirkonnas ning see tõmbab endasse laminaarse piirkonna vett ja tema omadusi Segunemine (sh kaasahaare) jaotavad vee omadusi (temperatuur, plankton jne) ümber, kuid ei muuda suletud piirkonna koguhulka

7. Langmuir’i tsirkulatsioon Ilmneb läbisegunenud pinnakihis Mõjutab fütoplanktoni valgustingimusi Nähtav veepinna vahuste triipudena

8. Järvede stratifikatsioon, segunemine ja tsirkulatsioon • stratifikatsiooni sesoonne käik • segunemistüübid • veealune valgusväli • tuuletsirkulatsioon • vertikaalne tsirkulatsioon • termiline tsirkulatsioon

9. Alla 40C soojenemine tekitab konvektsiooni Jahtumine tekitab konvektsiooni Temperatuuri stratifikatsioon ja tema sesoonne käik

10. Temperatuuri sesoonne käik erinevates kliimavöötmetes troopiline mereline kontinentaalne arktiline

11. Järvede segunemistüübid laiuskraadi ja kõrguse järgi Amiktiline - ei segune üldse, on püsivalt stratifitseeritud Monomiktiline - seguneb läbi üks kord sügisel (temperatuur ei lange alla 40C) Dimiktiline - seguneb kaks korda, sügisel ja kevadel Polümiktiline - seguneb läbi mitu korda

12. Veealune valgusväli määrab fotosünteesi võimaluse Valgus neeldub eksponentsiaalselt I0 - veepinnale langev valguse intensiivsus (light intensity, irradiance), Iz - valguse intensiivsus sügavusel z , k - valguse neeldumiskoefitsient (extinction coefficient) ehk sügavuse pöördväärtus, millel valgus nõrgeneb e korda.

13. Järvede tuuletsirkulatsioon Vertikaalselt keskmine voolamine on ranna ääres tuule suunas ning sügavamas keskosas tuulele vastu tuul Vastuvool järve keskel on koondunud veepinna alla

14. Järvede tuuletsirkulatsioon: näide Michigani järvest Satelliitkujutis näitab ranna ääres tekkiva heljumi levikut

15. Väikestel järvedel on ranna mõju tuulele oluline: • briis (ööpäevane tuule suuna muutus maa/vesi temperatuurivahede tõttu) • ranna ääres on tuul nõrgem, mistõttu vastuvool esineb ranna juures • (mitte keskel, nagu suurematel järvedel)

16. Parasvöötme järvede vertikaalne tsirkulatsioon upwelling suvi kevad sügis talv

17. Järvede termiline tsirkulatsioon (thermal bar) • Kevadel madalad rannaäärsed alad soojenevad kiiremini, kuna: • vesi soojeneb 40C kuni põhjani ning kevadine konvektsioon peatub • sügavamal konvektsioon jätkub ning pinnavesi ei soojene nii kiiresti • ranna äärde tekib soojema (väiksema tihedusega) vee vöönd • tiheduste erinevuse tõttu tekib rõhkude erinevus ning rannavööndis tekib • geostroofiline tsirkulatsioon (põhjapoolkeral tsüklonaalne ehk vastupäeva) • rannavöönd isoleeritakse järve avaosast, reostusprobleemid võivad võimenduda

18. Termiline baar Ontario järves sügavamal konvektsioon jätkub

19. Pinnalained • dispersiooniseos etc • sügav ja madal vesi • tuulelained • lained ranna lähedal

20. Pinnalainete dispersiooniseos, faasi- ja grupikiirus Periood T, lainepikkus λ, lainearv sagedus laine avaldis dispersiooniseos faasikiirus pikad lained (madal vesi) mittedispersiivsed (faasikiirus ei sõltu lainepikkusest) lühikesed lained (sügav vesi) dispersiivsed (faasikiirus sõltub lainepikkusest) Lühikeste (dispersiivsete) lainete paketi mähisjoon liigub grupikiirusega (pool faasikiirusest)

21. Veeosakeste orbitaalliikumine sügavas ja madalas vees

22. Tuulelainete ergutamine • Arenenud lainetus • (lainekõrgused ja perioodid on jõudnud “küllastuseni”, tuuleenergia juurdetulek on on võrdne lainete murdumisest äramineva energiaga) • sõltub • tuule tugevusest • laineteekonnast (fetch), kaugus • mille kestel tuul laineid tekitab • Tuul ergutab erineva pikkusega/perioodiga laineid. • Jaotust näitab spekter. • Tugevama tuulega on lained • kõrgemad • pikema perioodiga

23. Ummiklained (swell) Ookeanil/suures meres on alati kuskil torm. Lained levivad tormipiirkonnast kaugele. Ummiklainete levimisel nende periood võrreldes “tormialuste” lainetega kasvab. Ummiklaine on regulaarne, peaaegu sinusoidaalne laine. Võimaldab ranna lähedal surfamist. lainekõrguste jaotus

24. Lainete transformeerumine ranna lähedal • Lainete lähenedes rannale: • (shoaling) • periood jääb samaks, • lainepikkus väheneb (vt dispersiooniseos) • kõrgus ja orbitaalkiirus kasvavad

26. Lainete refraktsioon ranna lähedal Nurga all randa jõudvad lained “kõverduvad” - madalamas vees on levikukiirus väiksem

27. Lainete difraktsioon rannajoone “katkemine” mõjub kui sekundaarne laineallikas Lainete peegeldumine toimub eelkõige sügava järsu seina kujulisel rannikul (sh vesiehitised) lauge rannanõlva korral laineharjad pigem murduvad ja laineenergia muundub turbulentsiks

28. Rannalähedased hoovused nurga all randa jõudnud lainetest

30. Settetransport Mõisted: resuspensioon: setteosakeste tõmbamine vette hõljuvasse olekusse vee liikumise poolt tekitatud hõõrdepinge mõjul settimine: hõljuvate setteosakeste langemine ujuvusjõu (raskusjõud miinus üleslükkejõud) mõjul, hõõrdejõu mõjul settimiskiirus on antud setteosakeste klassi jaoks konstantne settetransport: sette edasikanne järjestikuste resuspensiooni- ja settimisprotsesside tagajärjel sette veeretransport (bedload transport): suuremõõdulise põhjamaterjali edasikane mööda põhja liikuva vee poolt Oregoni rannik

31. Rannaprotsesside kontseptsioon

32. Setteprotsessid • sõltuvad • põhjalähedasest vee kiirusest • (lained ja hoovused) • põhja materjalist • Liivatranspordi bilanns • sõltub • tavalisest ja tormiaegsest lainetusest • hoovustest • tuuletranspordist düünides

33. Settetransport ja vesiehitised (1)

34. Settetransport ja vesiehitised (2)

35. Settetransport ja vesiehitised (3)