Air-Sea Interactions

อะไรคือสาเหตุที่ทำให้ของบางอย่างลอย ของบางอย่างจม ?

Density Solid objects that have higher density than water sink, and those that have lower density rise and float. ความหนาแน่นของน้ำทะเลที่บริเวณผิวหน้าน้ำ มีค่าประมาณ1.020 ถึง 1.029 กรัม/มิลลิลิตร, โดยมีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ1.025 กรัม/มิลลิลิตร จากข้อมูลที่ได้มีการศึกษากันไว้ระบุว่า, ความหนาแน่นของร่างกายมนุษย์ที่ไม่มีอากาศอยู่ในปอดเลยนั้นมีค่าอยู่ระหว่าง 1.08 g/mL สำหรับผู้ชายผอมและ 1.01 g/mL สำหรับผู้ชายอ้วน.

เอาละ ทีนี้เรามาลองทำการประมาณกัน โดยเอาผู้ชายหุ่นมาตรฐานเป็นเกณฑ์: น้ำหนัก 75 kg ให้ร่างกายที่ไม่มีอากาศอยู่เลย มีความหนาแน่นอยู่ที่ 1.05 g/mL (23-24% body fat) ให้ปอดยุบตัวได้เล็กที่สุดมีขนาด 1 ลิตร 4 ให้ปอดขยายตัวได้ใหญ่ที่สุดมีขนาด 4 ลิตร ถ้าหายใจออกให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ปริมาตรร่างกายที่น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้คือ 72.4 L ซึ่งจะทำให้มีความหนาแน่นเท่ากับ1.036 g/mL -- ส่งผลให้เขาจะจมทั้งในน้ำทะเลและน้ำจืด ถ้าเขาหายใจเข้าให้มากที่สุดเท่าที่เขาจะทำได้ ความหนาแน่นเฉลี่ยของเขาจะเท่ากับ 0.994 g/mL – ผู้ชายคนนี้จะสามารถลอยได้ทั้งในน้ำจืดและน้ำเค็ม ! แต่ถ้าเขาหายใจเข้าออกแบบปกติ ความหนาแน่นร่างกายของเขาจะอยู่ระหว่าง1.028 and 1.021 g/mL – เขาจะลอยได้ในน้ำเค็ม แต่จะจมในน้ำจืด

Many of the movements of water masses in the oceans are driven by differences in density. Great conveyor belt

Liquid water can also rise or sink if its density is different from that of the surrounding water.

อะไรคือสาเหตุของความแตกต่างของความหนาแน่นน้ำทะเล ? Density อะไรคือสาเหตุของความแตกต่างของความหนาแน่นน้ำทะเล ?

ความหนาแน่นของน้ำทะเล (Density) ความหนาแน่นของน้ำทะเลถูกควบคุมด้วยตัวแปร 3 ตัวคือ Salinity Pressure Temperature

Dissolved Salts and Density การที่เกลือละลายในน้ำนั้น ทำให้ความหนาแน่นของน้ำเพิ่มขึ้นได้ด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้ ประการแรกคือ โมเลกุลของเกลือส่วนใหญ่มีน้ำหนักหนักกว่าโมเลกุลของน้ำ ประการที่สองคือ ที่อุณหภูมิใกล้จุดเยือกแข็งโมเลกุลของเกลือจะไปทำลายการจับตัวเป็นกลุ่มก้อน Cluster ของโมเลกุลน้ำ, ส่งผลให้ความหนาแน่นของน้ำเพิ่มมากขึ้น

Salinity The total quantity of dissolved salts in seawater is expressed as salinity. Until the early 1980s, salinity was expressed in grams of dissolved salts per kilogram of water or in parts per thousand, for which the symbol is ‰ (note that this is different from the percent symbol, %). The symbol ‰ is read as “per mil.” Open-ocean seawater contains about 35 g of dissolved salts per kilogram of seawater and thus has a salinity of 35‰.

Salinity การวัดปริมาณของเกลือในน้ำทะเลหรือวัดค่า Salinity นั้นเมื่อก่อนทำกันโดยการนำน้ำทะเลมาระเหยน้ำออกไปให้หมด เหลือแต่เกลือและนำเกลือที่ได้มาชั่ง แต่ปัญหาที่เกิดคือ มีเกลือบางชนิดเช่นโบรไมด์และไอโอไดด์ ที่จะเปลี่ยนสภาพกลายเป็นแก็สและระเหยออกไปพร้อมน้ำ ทำให้ค่าที่วัดได้นั้นไม่ถูกต้อง

Refractometer

CTD probes CTDs can provide profiles of chemical and physical parameters through the entire water column.

Salinity จากการใช้ Refractometer เพื่อหาค่าความเค็มของน้ำทะเล เราเปลี่ยนมาเป็นใช้การหาค่าความนำไฟฟ้าของน้ำทะเลเพื่อเปรียบเทียบกับค่ามาตรฐานหรือที่เรียกว่า CTD Probes มาใช้วัดแทน และได้ทำการเปลี่ยนหน่วยจาก น้ำหนักกี่ส่วนในต่อพันส่วนหรือ per mil มาเป็นหน่วย “practical salinity units” (PSU). The average seawater salinity is now expressed as 35 without the ‰ symbol. However, seawater with a salinity of 35 PSU does have a concentration of almost exactly 35 g of dissolved salts per kilogram.

Salinity

Pressure “In a matter of minutes, the suit can descend to depths up to 1,000 feet, and it has the capacity to stay there for hours”

Pressure ค่าความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเลมีค่าประมาณ 1.03 kg•cm–2, หรือ 1 ความดันบรรยากาศ (atm). แต่ถ้าเราดำดิ่งลึกลงไปในมหาสมุทร, ความดันจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1.03 kg•cm–2 (หรือประมาณ1 atm) สำหรับทุกๆความลึก 10 เมตรที่เพิ่มขึ้น โดยในส่วนที่ลึกที่สุดของมหาสมุทรนั้น, คือที่ประมาณความลึก 11,000 m, ความดันที่บริเวณนั้นจะมีค่าประมาณ 1101 เท่าของความดันบรรยากาศ, หรือมากกว่า 1100 kg•cm–2, หรือเท่าๆกับน้ำหนัก 1 ตันบนพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตร

Pressure อย่างที่เราเคยเรียนกันมาว่าของเหลวนั้นมีปริมาตรคงที่ ไม่สามารถบีบอัดเพื่อเปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ แต่ในความเป็นจริงแล้วถ้าเราบีบอัดด้วยความกดมหาศาล ปริมาตรของมันก็จะสามารถเปลี่ยนแปลงได้เล็กน้อย ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงความดัน จึงไม่ส่งผลต่อความหนาแน่นมากเท่ากับการเปลี่ยนแปลงความเค็มหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ แต่ที่เราเพิ่งเรียนไปคือ ที่ก้นมหาสมุทร มีความดันสูงถึง1000 เท่าของความดันบรรยากาศ ซึ่ความดันขนาดนี้จะบีดอัดให้น้ำมีความหนาแน่นเพิ่มมากขึ้นราวๆ 2% เมื่อเทียบกับน้ำที่บริเวณน้ำตื้นที่มีอุณหภูมิและความเค็มเท่ากัน ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยนี้ เป็นเรื่องที่จำเป็นสำหรับงานที่ต้องการความละเอียดสูงอย่างงานวิจัย เป็นต้น

Temperature Temperature distribution in a lake in summer and winter

Temperature การเพิ่มอุณหภูมิให้กับของเหลว จะทำให้โมเลกุลของของเหลว เกิดการสั่นหมุนหรือเคลื่อนที่ไปมา ทำให้ระยะทางระหว่างโมเลกุล มีค่ามากขึ้น ซึ่งจะส่งผลให้ความหนาแน่นลดลง นั่นแปลว่าในทางกลับกัน เมื่อเราลดอุณหภูมิลง ความหนาแน่นของน้ำจะเพิ่มขึ้น แต่อย่างไรก็ตาม น้ำบริสุทธิ์จะประพฤติตัวต่างออกไป โดยน้ำบริสุทธิ์จะมีความหนาแน่นมากที่สุดที่ 4 องศา โดยที่อุณหภูมิระหว่าง 0-4 องศาเซลเซียส ความหนาแน่นของน้ำจะลดลงตามการลดลงของอุณหภูมิ

Temperature In the rest of liquid water’s temperature range 4 C to 100 C— pure water behaves normally and density decreases with increasing temperature. The reason for the anomalous effect of temperature on water density is the hydrogen bond. Water molecules form clusters in which the molecules are arranged in a latticelike structure. The atoms in the cluster are held in place by hydrogen bonds. The structure is similar to that of ice, and the molecules of water in a cluster occupy a larger volume than molecules that are not clustered.

Temperature The ordered clusters remain together for only a few ten-millionths of a second, but they are continuously forming, breaking, and re-forming. Both the number of clusters present at any time and the number of molecules in each cluster increase as the temperature decreases (more unbroken hydrogen bonds are present). Because clustered molecules occupy a greater volume than unclustered molecules, an increase in the number of clusters and in the number of molecules per cluster decreases the density of the water. Above 4°C, there are too few clusters to counteract completely the normal temperature effect on density.

Temperature

EFFECTS OF PRESSURE, TEMPERATURE, AND DISSOLVED SALTS ON SEAWATER DENSITY Density of pure water plotted against temperature. Water with no dissolved salts has a maximum density at 3.98°C. At lower temperatures, water density decreases until the freezing point is reached. There is a discontinuity in the density scale. The density of ice is much less than that of liquid water because of the open structure of the ice crystal lattice. When solid ice and liquid water occur together at 0°C, the ice floats on the water because its density is less than that of the water

เนื่องจากน้ำจืด มีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส ทั้งนั้น เราจะพบว่าในทะเลสาบน้ำจืดและในแม่น้ำ อุณหภูมิที่บริเวณด้านล่างสุดจะเป็น 4 องศาเซลเซียสเสมอ ไม่ว่าจะเป็นในฤดูหนาวหรือฤดูร้อนก็ตาม เพราะน้ำที่อุณหภูมินั้นจะมีน้ำหนักหนักมากที่สุด

แต่สำหรับน้ำทะเลแล้วจะต่างออกไปเพราะน้ำทะเลมีเกลือผสมอยู่ ความหนาแน่นของน้ำทะเลจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆเมื่ออุณหภูมิลดลงจนกระทั่งถึงจุดเยือกแข็งที่ประมาณลบ 2 องศาเซลเซียส และเกิดฟอร์มตัวเป็นน้ำแข็งขึ้น นี่คือสาเหตุว่าอุณหภูมิใต้ท้องทะเลจึงมีอุณหภูมิต่ำกว่า 4 องศาเสมอ และเมื่อน้ำทะเลแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง เกลือในน้ำทะเลก็จะถูกกำจัดออกจากน้ำแข็ง ละลายอยู่ในน้ำที่ยังไม่แข็งตัว ส่งผลให้น้ำโดยรอบมีค่าความเค็มมากขึ้น

These observations suggest that salinity is more important than temperature as a determinant of density.

The Great Ocean Conveyor Belt Great conveyor belt

The Great Ocean Conveyor Belt สายพานลำเลียงขนาดยักษ์แห่งมหาสมุทร สายพานที่ว่านี้จะทำหน้าที่นำความร้อนจากดวงอาทิตย์และปริมาณเกลือในน้ำทะเลส่งผ่านไปยังส่วนต่างๆของมหาสมุทรทั่วโลก ความร้อนและความเข้มข้นของน้ำทะเลที่แตกต่างกันในแต่ละส่วนของมหาสมุทรนี่แหละที่เป็นส่วนสำคัญในการขับเคลื่อนให้สายพานนี้ทำงาน

สายพานที่ว่านี้จึงอาจถูกเรียกในอีกชื่อหนึ่งก็คือ การไหลเวียนของเทอร์โมฮาไลน์ (Thermohaline circulation) Thermo นั้นจะหมายถึงความร้อนหรืออุณหภูมิของน้ำทะเล และ Haline นั้นหมายถึงเกลือหรือความเค็มของน้ำทะเลนั่นเอง นอกจากอุณหภูมิและความเค็มที่แตกต่างในส่วนต่างๆของมหาสมุทรแล้ว ระดับน้ำขึ้นน้ำลง (Tides) และแรงลมที่พัดเหนือพื้นผิวมหาสมุทรก็มีส่วนเกี่ยวข้องในการขับเคลื่อนวงจรของสายพานนี้เช่นกัน

กระบวนการสายพานลำเลียงพลังงานนี้เริ่มต้นจากการที่พื้นผิวน้ำทะเลบริเวณเส้นศูนย์สูตรถูกทำให้อุ่นขึ้นเนื่องจากความร้อนจากดวงอาทิตย์และน้ำทะเลอุ่นนั้นได้เริ่มต้นไหลไปสู่ขั้วโลก นำพาเอาความร้อนจากเส้นศูนย์สูตรขึ้นไปยังละติจูดที่สูงขึ้นและปลดปล่อยมันออกสู่บรรยากาศ กระแสน้ำอุ่นซึ่งไหลขึ้นไปถึงทางด้านฝั่งตะวันตกของสกอตแลนด์นั้นจะช่วยทำให้ฤดูหนาวของเกาะอังกฤษนั้นไม่หนาวจัดจนเกินไปเมื่อเทียบกับเมืองที่อยู่ในระดับละติจูดเดียวกันอย่างเมืองนิวฟาวด์แลนด์ ประเทศแคนาดา

หลังจากกระแสน้ำอุ่นที่ว่านี้ได้ขึ้นไปสู่บริเวณละติจูดสูงใกล้ขั้วโลกแล้ว มันจะปลดปล่อยความร้อนเข้าสู่บรรยากาศ และเมื่ออุณหภูมิน้ำทะเลลดลงความหนาแน่นน้ำทะเลก็จะเพิ่มมากขึ้น กระแสน้ำอุ่นก็จะค่อยๆจมตัวลงสู่พื้นท้องทะเล ที่ยิ่งไปกว่านั้น ในบริเวณละติจูดสูงๆใกล้ขั้วโลก อากาศจะเย็นลงจนน้ำทะเลกลายเป็นน้ำแข็ง ซึ่งน้ำแข็งนั้นจะประกอบด้วยน้ำจืดมาจับตัวกันและคืนเกลือในตัวให้กับน้ำทะเลที่อยู่บริเวณรอบๆ ส่งผลให้น้ำทะเลบริเวณนั้นมีความเข้มข้นของเกลือเพิ่มมากขึ้น ความหนาแน่นจึงมากขึ้นตามไปด้วย น้ำทะเลบริเวณนี้จึงจมตัวลงด้านล่างของมหาสมุทร

ผลของกระบวนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความเข้มข้นของน้ำทะเลดังกล่าวมาแล้วข้างต้นนี่เอง ที่ส่งผลให้เกิดการขับเคลื่อนของสายพานขนาดมหึมานี้ไปรอบโลกโดยประมาณกันว่าแต่ละรอบของสายพานที่จะมาบรรจบครบรอบเดิมนั้นกินเวลาถึง 1,000 ปีเลยทีเดียว ถึงแม้ว่าจะช้า แต่ปริมาณของน้ำที่สายพานนี้ขับเคลื่อนไปนั้นมีมากพอๆกับแม่น้ำอเมซอนจำนวน 100 สายมารวมกัน มันจึงมีอิทธิพลอย่างมหาศาลต่อสภาพภูมิอากาศของโลก

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับเรื่องโลกร้อนได้ให้ความสนใจกับ สายพานขนาดยักษ์อันนี้นี้อย่างใกล้ชิด เพราะผลจากการตรวจวัดพบว่าเมื่อโลกร้อนขึ้น แผ่นน้ำแข็งที่บริเวณขั้วโลกก็มีอัตราการละลายตัวที่เร็วขึ้นกว่าเดิม ซึ่งมีผลทำให้น้ำจืดปริมาณมหาศาลถูกปลดปล่อยออกมาสู่ทะเล ส่งผลให้ความเข้มข้นของน้ำทะเลบริเวณมหาสมุทรแอตแลนติกตอนเหนือเจือจางลง สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์พากันวิตกกังวลก็คือ การเจือจางนี้จะส่งผลให้ความหนาแน่นของน้ำทะเลบริเวณนั้นลดลงจนไม่สามารถจมตัวลงสู่พื้นมหาสมุทรด้านล่างได้ตามปกติ และอาจส่งผลร้ายแรงถึงขั้นสายพานซึ่งนำพาพลังงานความร้อนหมุนเวียนไปทั่วมหาสมุทรนี้หยุดตัวลง

สิ่งซึ่งดูเหมือนจะขัดแย้งกันอยู่ในที-แต่ทว่ามันคือความจริงก็คือ เมื่อโลกร้อนขึ้นนั้นมันอาจส่งผลกระทบให้ทวีปยุโรปทั้งทวีปปกคลุมด้วยน้ำแข็งได้ มีหลักฐานทางโบราณคดีว่า สายพานนี้ได้เคยหยุดตัวลงมาแล้วในอดีต ครั้งล่าสุดที่สายพานนี้หยุดไหลเวียนก็คือเมื่อ 14,500 ปีก่อน ซึ่งส่งผลให้พื้นที่แถบกรีนแลนด์ มีอุณหภูมิลดลงต่ำกว่าปกติถึง 15 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำเกือบจะเท่าอุณหภูมิในช่วงยุคน้ำแข็งเลยทีเดียว (ช่วงเวลานี้เราเรียกว่าช่วง ยังเกอร์ ดรายอัส (The Younger Dryas)

เหตุการณ์นี้กินเวลาอยู่ประมาณ 1,300 กว่าปี จากนั้นยุคนี้ก็สิ้นสุดอย่างรวดเร็วในช่วง 11,500 ปีก่อน โดยอุณหภูมิที่แถบกรีนแลนด์ได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วถึง 10 องศาเซลเซียสในช่วงเวลาแค่สิบปี เชื่อกันว่าน่าจะมีสาเหตุมาจากสายพานที่ทำหน้าที่ส่งพลังงานความร้อนไปทั่วโลกนี้ได้กลับมาทำงานใหม่อีกหน ปัจจุบันได้มีนักวิทยาศาสตร์บางคนคาดการณ์เอาไว้ว่ามีโอกาสอยู่ราวๆ 70% ที่สายพานลำเลียงพลังงานแห่งมหาสมุทรนี้จะหยุดไหลเวียนอีกครั้งภายในระยะเวลา 200 ปี ถ้าเราไม่พยายามลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซค์ที่ปลดปล่อยขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศให้น้อยลงกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน