Í eftirfarandi örstuttu yfirliti verður farið fljótt yfir
sögu. Verður látið nægja að greina í mæltu máli frá
samhengi hafísrannsókna við veðurfræði og
hafeðlisfræði. Helstu aðferðir verða taldar upp, en
forðast að gera þeim mishátt undir höfði með því
einfaldlega að vísa þeim lesendum lengra sem vilja
kynna sér tæknihliðar aðferðanna. Höfundur vonar
engu að síður, að lesendur verði nokkru nær um
hafísrannsóknir að loknum lestri þessa yfirlits.
Viðamesta yfirlitsrit um hafís og hafísrannsóknir sem völ er á um þessar mundir er safn fyrirlestra frá alþjóðlegu hafísnámskeiði árið 1981 (Untersteiner, 1986).
Hreyfingar í lofthjúpi jarðar og úthöfum, öðru nafni vindar og straumar, eru að mestu afleiðing hins feiknamikla munar á sólgeislun sem fellur annars vegar á lönd og höf við miðbik jarðar og hins vegar á pólasvæðin nyrst og syðst. Vindar og straumar leitast við að vinna upp muninn með því að dreifa orkunni, sem berst svo ríkulega jörðinni á lægri breiddargráðum.
Ýmis umskipti á hinni upphaflegu sólarorku hafa þá að vísu átt sér stað, ekki síst við yfirborð jarðarinnar. Sjávaryfirborð og loft við sjávarflöt hitnar. Orka færist úr stað með uppgufun og varmaskiptum við þéttingu gufunnar síðar, gjarnan víðs fjarri uppgufunarstað. Hreyfiorka berst úr lofthjúpi til sjávarborðs. Ýmsar afdrifaríkar orkubreytingar gerast í háloftum lofthjúps og einnig kemur snúningur jarðar til skjalanna og mótar hann mjög stefnu strauma bæði í lofti og sjó. Þessi ferli og raunar enn fleiri eru viðfangsefni fræðanna um almenna hringrás í lofthjúpi og úthöfum.
Nú skal farið nokkrum orðum um veðurfarskerfi jarðar, en meðfylgjandi skýringarmyndir eru gjarnan notaðar við upptalningu á helstu þáttum kerfisins (Understanding Climatic Change,1975; Þór Jakobsson,1987).
Veðurfar er skilgreint sem meðalástand veðurs. Frá fræðilegum sjónarhóli er veðurfarið afleiðing af samspili eðlisfræðilegra eiginleika lofts og sjávar og margvíslegra ferla, sem leitast við að halda við jafnvægi í lofti og legi. Eiginleikarnir eru yfirleitt varmaeiginleikar og er þar með talinn hiti lofts, vatns, íss og lands; einnig aflfræðilegir eiginleikar, þar með taldir loft- og hafstraumar og hreyfing íss. Þá má nefna hringrás vatns í allri sinni mynd: raka loftsins, skýjahulu og vatnsmagn skýja, grunnvatn, vatnsinnihald snævar og margt fleira.
Allar þessar breytistærðir "veðurfarskerfisins" tengjast með ýmiss konar eðlisfræðilegum ferlum í kerfinu, eins og t.d. úrkomu og uppgufun, geislun og tilfærslu varma- og hreyfiorku með láréttri eða lóðréttri hreyfingu - eða iðustreymi. Á Mynd 1 er stillt upp nokkrum þáttanna í veðurfarskerfinu. Rannsókn á hverjum tilteknum þætti er viðamikil og raunar fræðigrein út af fyrir sig, en við gerð reiknilíkana af veðurfari er samspil þáttanna, breytistærða, meginverkefnið.
Meginhlutar veðurfarskerfisins eru fimm talsins - lofthjúpur, vatnshjúpur, jöklar og ís, yfirborðslag jarðar og lífríkið. Hver og einn meginhlutanna er mjög fjölþættur. Eins og gefur að skilja er því rannsókn á veðurfarssveiflum og orsökum þeirra ærið flókið vísindalegt viðfangsefni.
Hinum eðlisfræðilegum ferlum, sem eru að verki í andrúmslofti og hafi, hefur verið lýst með aflfræðilegum hreyfilíkingum, orkulíkingum varmafræðinnar og öðrum eðlisfræðilegum jöfnum. Ferlið sem höfuðmáli skiptir í sambandi við almenna hringrás í lofthjúpi og úthöfum varðar spurninguna um hve miklum varma hafi verið bætt við í tilteknum hluta kerfisins, varma sem á upphaflega rót sína að rekja til geisla sólarinnar. Geislun sólar er þannig frumvaki veðra og vinda á jörðinni.
Eins og áður sagði bregðast loft og haf þannig við misjafnri geislun sólar yfir miðbaugi jarðar og pólum, að loft- og hafstraumar myndast. Þeir flytja varmann milli staða og jafna út andstæðurnar. Straumarnir streitast sem sagt við að ná varmajafnvægi á jarðkringlunni. Ekki verður hér fjallað frekar um hina almennu hringrás andrúmslofts, en þó rétt aðeins minnst á geislun í lokin.
Samspil geislunar og skýja er býsna flókið, en jafnframt eitt mikilvægasta atriðið við gerð reiknilíkana fyrir veðurfarsrannsóknir og veðurspár.
Víxláhrif hafs og lofts eiga sér stað um gervalla jörð. Víðast háttar svo til, að hiti er vel yfir frostmarki, en nyrst og syðst á jörðinni er því hins vegar ekki að heilsa. Þar frýs yfirborð sjávar og hafís myndast. Við það breytist orkubúskapur við sjávarflöt mjög, bæði með tilliti til geislunar og varmaskipta.
Flatarmál hafsvæða sem
þakin eru hafís er býsna
mikið. Hámarksútbreiðsla á
suðurhveli er um 25 milljón
ferkílómetrar, en á
norðurhveli um 15 milljón
ferkílometrar. Árssveiflan við
Suðurheimsskautsland er
mjög mikil, 75%, en á
norðurhveli er hún 50%.
Útbreiðsla íss er jafnframt harla breytileg frá ári til árs sökum a) mismikils ísmagns frá fyrri mánuðum, b) ólíkra skilyrða í sjó og c) vindafars af ýmsu tagi. Tveir fyrrnefndu þættirnir breytast hægt, en vindafar mótast af tiltölulega hröðum ferlum í andrúmslofti.
Margar athuganir hafa verið gerðar á ísreki. Rannsóknastöðvar á íseyjum í Norður-Íshafi fljóta að jafnaði 6 km á dag, en rekhraði getur breyst frá degi til dags og frá ári til árs. Dæmi eru um 20 km rek á einum degi. Á hinn bóginn hafa menn reynslu af ís sem hreyfðist ekki úr stað vikum saman. Slíkt er þó talið til undantekninga. - Ísrek er einnig kannað með fjarskiptum um tynglinga (gervihnetti) við dufl, sem komið er fyrir á ísnum. Duflin endast stundum alllengi, t.d. á hafís á reki suður með Grænlandi í Austur-Grænlandsstraumi.
Ísþykkt í Norður-Íshafi hefur verið metin í grófum dráttum samkvæmt mælingum allvíða með ísborunum og öðrum athugunum. Einnig hefur verið unnt að notast við mælingar úr kafbátum á sveimi undir ísbreiðunni Meðalþykkt er um 2.5 m, en hún er að vísu mjög misjöfn, þegar nánar er gáð á einstök hafsvæði. Ís er þykkastur norður af kanadísku eyjunum, en þynnstur norðan Síberíu.
Íshryggir myndast, þegar aðskildar ísbreiður rekast á. Ís hrannast upp þar sem þær mætast. Sömuleiðis myndast kjölur á neðra borði ísbreiðanna. Að átökum loknum frýs all fast. Með þessum hætti geta margir hryggir og kilir myndast, með því að samfelld ísbreiðan ýmist klofnar fyrir tilstilli strauma og vinda eða tvær breiður renna hvor að annarri með fyrrgreindum hætti.
Ísmagn á afmörkuðum hafsvæðum hafa menn reynt að meta, en vegna mismunandi fjölda hryggja og kjala í ársgömlum ís eða eldri er slíkt oft álitamál.
Þá skal þess getið, að eðli hafíss á smáum mælikvarða er töluvert rannsakað, t.d. afdrif salts sem "króast inni" í ísnum, þegar sjórinn frýs.
Yfirlitsgrein um hafísmyndun, rek og eyðingu hefur W.D.Hibler III samið (Hibler,1980) og P.Wadhams hefur samið yfirlit yfir rannsóknir á hafís á Norður- Atlantshafi (Wadhams, 1981).
Nokkrar framfarir hafa orðið undanfarið við rannsóknir á myndun, reki og eyðingu hafíss. Er hér átt við eðlisfræði þessara fyrirbæra og tilraunir til að gera reiknilíkön til frekari skilnings á þeim. Við lýsinguna er reynt að gera grein fyrir helstu athugunum á hafísnum og orsakasamhengi, svo sem aflögun ísþekju við rek fyrir straumi og vindum.
Ýmis konar seigjufræðileg (rheologisk) líkön hafa verið prófuð til að túlka samhengið milli innri krafta i ísbreiðunni og aflögunar. Sú gerð sem í seinni tíð hefur þótt einna heppilegust byggir á flotbjögunar-seigjufræði (plastic rheology), nánar tiltekið jöfnum sem túlka hreyfingu og aflögun hafísbreiðu út frá seigfljótandi flotbjögun (viscous-plastic). Með slíkum líkönum hefur tekist sæmilega að líkja eftir reglubundnum árssveiflum á útbreiðslu íss í Norður-Íshafi, en vænst er frekari framfara á þessu sviði næsta áratuginn (Hibler, 1979).
Síðustu árin hafa menn ráðist í að tengja hafíslíkön við haffræðileg líkön og orðið nokkuð vel ágengt. Einnig hafa verið gerðar tilraunir með samtengingu við líkön af hinni almennu lofthringrás. Þá eru jafnvel hafnar tilraunir með samtengingu allra þriggja líkangerða af hafís, hafi og lofthjúpi. Það er vandkvæðum bundið af ýmsum átæðum, ekki síst vegna þess, hve ólíkir legir loft og höf eru að þéttleika og varmaeiginleikum.
Líkt og tölvur nútímans hafa gert
úrvinnslu gagna auðveldari og aukið
vonir um smíði nothæfari reiknilíkana,
þannig hafa tynglingarnir eða
gervihnettirnir síðasta aldarfjórðunginn
valdið byltingu við könnun á hafís. Árið
1990 er ætlunin að skjóta upp hnetti
sem miklar vonir eru bundnar við.
Kallast hann ERS-1 og verður hann
hinn fyrsti sinnar tegundar. Það er
Evrópska Geimvísindastofnunin sem
stendur að undirbúningi og er hnettinum
ætlað að athuga sérílagi vinda, sjólag,
hafstrauma, öldur, sjávarhita, hafís og
ísflekahreyfingu. Hnötturinn mun svífa
póla á milli og ná að kanna allt yfirborð
jarðkringlunnar á þremur sólarhringum.
ERS-hnettirnir verða væntanlega kærkomin viðbót við þá hnetti sem til þessa hafa verið notaðir með
góðum árangri við könnun á norðurslóðum og suðurheimsskauti.
Fjarri fer, að skynjun úr tynglingum nægi ein sér við hafískönnun, þótt ekkert jafnist á við hana með tilliti til yfirferðar og tíðni. Þess vegna er unnið að fullkomnari könnun úr flugvélum og enn lögð áhersla á athuganir frá skipum, strandstöðvum og meira eða minna óskipulegum fregnum af ís á hafísslóðum. Gögnum er safnað á veðurstofur og upplýsingar gefnar sjófarendum. Síðan er unnið úr athugununum og skýrslur samdar til að auðvelda frekari rannsóknir (sjá t.d. Hafís við strendur Íslands, 1985).
Lokaorð: hafís við Íslandsstrendur
Að lokum skal á það minnt í þessum stutta pistli um hafísrannsóknir, að hafís við strendur Íslands er í rauninni hálfónáttúrulegt fyrirbæri ! Meginorsakir eru þrenns konar: Í fyrsta lagi fer hafískoma við Ísland eftir ísmagni í Grænlandssundi; í öðru lagi eftir ástandi sjávar í Íslandshafi, hita, seltu og lagskiptingu efst í sjónum; í þriðja lagi eftir almennri lofthringrás yfir norðurhveli, þ.e.a.s. þrýstifari, lægðagangi, veldi Grænlandshæðar eða myndun kyrrstöðuhæðar yfir Atlantshafi. Tiltekin skilyrði í þessum þremur flokkum meginorsaka verða að vera uppfyllt, svo að hafís verði við strendur Íslands.
Hafís á Íslandsmiðum er hins vegar býsna algengur, einkum á hafsvæðinu norðvestur af landinu, enda skiptir þá nær eingöngu máli hið fyrsta skilyrðið - viðvíkjandi ísmagni í Grænlandssundi.
Hafís við strendur Íslands, 1968 - 1971, 1974 - 1988. Veðurstofa Íslands,
Reykjavík.
Hibler, W.D. III, 1979. A dynamic thermodynamic sea ice model. J. Phys. Oceanogr., 9(4), 815 - 846.
Hibler, W.D. III, 1980. Sea ice growth, drift and decay, í Dynamics of Snow and Ice Masses, Academic Press, Inc., 141 - 209.
Understanding Climatic Change. A Program for Action, 1975. National Academy of Sciences, Washington, D.C.
Untersteiner, N. (ritstjóri), 1986. The Geophysics of Sea Ice,. NATO ASI Series. New York and London: Plenum Press.
Wadhams, P., 1981. The ice cover in the Greenland and Norwegian Seas. Rev. Geophys. Space Phys., 19(3), 345 - 393.
Þór Jakobsson, 1987. Um veðurfarssveiflur og áhrif þeirra , í Auðlindir um aldamót, Viðauki I, Framkvæmdanefnd um framtíðarkönnun, Reykjavík, 7 - 21.