oseanografiske instrumenter

Vannstanden kan måles ved hjelp av en flottørmåler. Flottøren er plassert i et rør som er stukket loddrett ned i sjøen. Flottøren følger den vertikale bevegelsen til vannskorpen inne i røret og bevegelsen overføres til en registrertrommel med urverk. Røret brukes for å begrense påvirkningen fra vindbølger. Flottørens vertikale posisjon måles hvert sekund og målingene midles vanligvis over ti minutter til å gi en verdi av vannstanden. Flottørmåleren har vært i bruk siden 1880-tallet over hele verden. Prinsippet er relativt enkelt og robust. Et problem er at røret kan tettes av sand og slam i nedre ende.

Vannstanden kan også måles ved hjelp av en trykkmåler som er forankret på havbunnen. Den måler trykket fra vannsøylen over den pluss atmosfæretrykket. Man må i tillegg måle atmosfæretrykket slik at man kan regne ut vannstanden fra vekten av vannsøylen. (Sjøvannets tetthet forutsettes kjent.)

Flottørmåleren og trykkmåleren er eksempel på instrumenter som måler in situ, det vil si i det mediet som måles. Vannstanden kan også måles fra det fjerne ved hjelp av en radar som er rettet loddrett ned mot vannflaten. Radaren kan være plassert på en plattform i bare noen få meters høyde, eller på en satellitt som kretser rundt Jorden. Instrumentet kalles altimeter. Det måler gangtiden for mikrobølger som radaren sender ut og mottar som refleksjon fra havoverflaten. Mikrobølgene går med lysets hastighet, og av gangtiden kan avstanden fra radaren til havoverflaten regnes ut, slik at man får et mål på vannstanden.

Lange tidsrekker av in situ målinger av vannstanden danner grunnlaget for tidevannstabeller. Og de var viktige for å finne havets middelvannstand som danner nullnivået for høydemålinger på land.

Altimeter fra satellitter måler vannstanden på åpent hav med høy grad av nøyaktighet (1 cm). Målingene dekker store deler av verdenshavene i løpet av en tidagers periode (unntatt er polare strøk over 66 graders bredde). Disse målingene kan brukes til å beregne storstilte geostrofiske strømsystem som er styrt av vannstandsforskjeller over store avstander (100 til 1000 km).

Strømmålinger trengs for å beregne transport i havet (for eksempel hvor store vannvolum som hvert sekund transporteres i Den norske atlanterhavsstrømmen eller for å finne hvilken vei og hvor raskt ting driver i sjøen.) Strømvektoren har tre komponenter, to horisontale (øst-vest og nord-sør) og en vertikal (opp-ned). Horisontal-komponentene er som regel mye kraftigere enn den vertikale komponenten og derfor enklere å måle.

Til bestemmelse av horisontale havstrømmers fart og retning brukes strømmålere av forskjellig konstruksjon. De fleste har en propell eller rotor som drives av strømmen, mens en fløy styrer instrumentet i strømmens retning. Prototypen ble laget av den svenske havforskeren Vagn Walfrid Ekman i 1903. Den hadde et kompass og en sylinder delt inn i ti-graders kompass-sektorer til å bestemme strømretningen. Med jevne mellomrom ble kuler sluppet ned fra en beholder festet til fløyen. Strømretningen ble bestemt av hvilken av kompass-sektorene som hadde flest kuler. Ulempen med dette instrumentet var at man måtte hale opp instrumentet før hver ny måling.

Seksti år seinere utviklet nordmennene Odd Dahl, Thor Kvinge, Håkon Mosby og Ivar Aanderaa en strømmåler som kunne måle over lang tid i strekk og på store dyp. Den såkalte RCM (Recording Current Meter eller Rotor Current Meter) har blitt mye brukt av oseanografer over hele verden, og er fortsatt i bruk. Den har en dataenhet som lagrer målte verdier av fart og retning i tillegg til sjøvannets elektriske ledningsevne (for beregning av saltholdighet), temperatur og trykk (det vil si dyp). Målingene er styrt av en klokke og skjer i gitte intervall. Fartsmålingen har en nøyaktighet på 1 cm/s eller 4 % av farten som er målt, alt etter hva som er størst.

Alle tre komponentene, altså også den svake strømmen i vertikal retning, kan bestemmes ved hjelp av lydhastighetsmålere (Dopplersonarer). Slike strømmålere kalles ADCP (eng: Acoustic Doppler Current Profiler), og kom i bruk på 1980-tallet. De bygger på prinsippet om at lydbølgene endrer frekvens når de forplanter seg i vann som beveger seg i forhold til måleren (Doppler-forskyvning). Instrumentet sender ut lydbølger i minst tre ulike retninger. Partikler i strømmen sprer lydbølgene tilbake til instrumentet, og av Doppler-forskyvningen finner man hastighetskomponentene. Ordet Profiler betyr at strømmen kan bestemmes i nesten hele vannsøylen, fra et stykke under overflaten og ned til der ADCPen er forankret. (Den kan også være montert på skroget til et skip, og da kikker den nedover.) Det er imidlertid et problem at de øverste meterne av vannsøylen, som ofte er de mest interessante med hensyn til strøm, ikke kan dekkes av ADCPen grunnet forstyrrelser fra havoverflaten. Andre akustiske strømmålere bestemmer strømhastigheten ved å måle forskjellen i lydbølgenes hastighet når de forplanter seg med og mot strømmen.

Doppler-forskyvningen i høyfrekvens-radar signaler kan brukes til å bestemme overflatestrøm. Det er da strømkomponenten langs radarens siktelinje som kan bestemmes. Derfor kreves det krysspeiling fra flere radarer for å bestemme overflatestrømmens styrke og retning.

Et annet prinsipp for strømmåling er å følge gjenstander som driver med strømmen. Under overflaten kan man bruke et flytelegeme som kan holde seg svevende i et bestemt dyp, og dets posisjon kan bestemmes ved at det sender ut lydsignaler.

Det mest brukte instrumentet til å måle overflatebølger er et akselerometer om bord på en kuleformet bøye som ligger forankret. Ved å integrere den målte vertikalakselerasjonen to ganger over tid finner man bøyens vertikale forflytning under bølgebevegelsen, og dermed har man et mål på bølgehøyden. Retningen som overflatebølgene går i, kan også bestemmes ved å måle horisontalbevegelsen til bøyen der den går fram og tilbake med bølgen. Et kompass leses av samtidig. En annen type bøye som også kan bestemme bølgeretningen i tillegg til bølgehøyden er flatbunnet eller formet som en smultring. En bøye med en slik utforming egner seg til å måle helningen på havoverflaten gjennom måten bøyen vugger på under bølgebevegelsen. Til dette kreves noen helningsmålere i tillegg til et kompass.

Et problem med bøyene er at de ikke alltid klarer å måle de høyeste bølgene. Hvis bølgekammen er kort, vil bøyen tendere til å gå rundt bølgetoppen i stedet for å følge til topps. Og bøyen kan også blitt dratt under av forankringen, når en høy bølgekam passerer.

En bølgepåle kan brukes til å måle raske endringer av vannskorpen der den beveger seg opp og ned langs pålen. I praksis skjer dette ved å la pålen være en vaier og måle den elektriske motstanden av den ‘tørre’ delen. Én slik bølgepåle gir kun mulighet til å bestemme bølgehøyde. Et system med tre eller flere påler som ikke står langs en rett linje kan brukes til også å bestemme bølgeretningen.

Bølger kan også måles ved vibratronen, som utnytter det prinsipp at svingetiden av en vibrerende streng avhenger av strekket i strengen.

En trykkmåler som ikke er plassert for dypt under havoverflaten kan måle trykkvariasjonene som følger med bølgebevegelsen. Disse trykkvariasjonene er proporsjonale med bølgeamplitudene. Et system med tre eller flere trykkmålere som ikke er plassert langs en rett linje kan brukes til også å bestemme bølgeretningen.

En radar plassert på en plattform og som er rettet ned mot havoverflaten er velegnet til å bestemme bølgehøyde ved at den kan måle variasjoner i avstanden ned til vannskorpen. Likeledes en sonar som er forankret et stykke ned i dypet og som måler variasjoner i avstanden opp til vannskorpen. Middelverdien av avstandsmålingene (som tas to ganger i sekundet) i løpet av en 20 minutters periode danner null-nivået for vannstanden. Man finner tidspunktene mellom hver gang middelverdien (null-nivået) krysses fra samme side (for eksempel nedover). Bølgeperioden er gitt ved tiden mellom to slike etterfølgende tidspunkt. Bølgehøyden er forskjellen mellom maksimum og minimum vannstand i løpet av perioden.

Et altimeter båret av en satellitt kan også måle bølgehøyde. På grunn av den store avstanden opp til satellitten dekker altimeteret et felt på noen kilometer i diameter. Det måler da ikke de enkelte bølgene, men det gir et mål på den signifikante bølgehøyden i området. Fra en speilblank havoverflate vil signalet som altimeteret får i retur være skarpt. Fra en overflate med bølger vil retursignalet bli fordreid, fordi noe av signalet kommer fra bølgetopper og noe fra bølgedaler. Jo høyere bølger, dess større fordreining av retursignalet.

De første målingene av temperatur og saltholdighet i dypere vannlag ble gjort ved å hente opp vannprøver fra dypet. Den mest brukte vannhenter er Nansens vendevannhenter. Denne kan bringes til å lukke seg i det dyp man ønsker en prøve fra, idet den svinger seg rundt et festepunkt på den vaieren den er opphengt i. Det klassiske instrumentet for temperaturmåling i havet er vendetermometeret; dette festes på vannhenteren og vender med denne. Saltholdigheten av vannprøven bestemmes enten med titrering eller ved å måle prøvens elektriske ledningsevne i et salinometer. Når saltholdigheten bestemmes ved titrering, måles den i ‰. Når saltholdigheten bestemmes ved å måle elektrisk ledningsevne, kalles den praktisk saltholdighet. Ettersom ledningsevnen er målt som et ubenevnt forholdstall, er praktisk saltholdighet ubenevnt, men enheten psu (av engelsk: ‘practical salinity unit’) er mye brukt.

Nå brukes i stadig større utstrekning kontinuerlig registrerende instrumenter (CTD-sonder (av engelsk: Conductivity Temperature Depth) ) til å måle temperatur og saltholdighet som funksjon av dypet. Temperaturen måles elektrisk og saltholdigheten finnes ved å måle den elektriske ledningsevnen, og signalene føres i kabel til registreringsutstyr på en oseanografisk stasjon.

Man benytter også CTD på bøyer som driver fritt rundt i havet og kan dykke ned til store dyp. Argobøyen er et eksempel på dette. Såkalte glidere, som ser ut som torpedoer, kan programmeres til å gå i bestemte retninger i havet og foreta målinger av temperatur og saltholdighet.

Til måling av forhold som gjelder havets akustikk er det konstruert en rekke typer lydsendere, hydrofoner og lydhastighetsmålere. Lydhastighetsmålere kan brukes til å måle havtemperatur på stor skala. Lydbølgenes forplantningshastighet i sjøvann avhenger av temperaturen (og vanntrykket, i mindre grad av saltholdigheten), og ved å måle gangtiden fra en lydkilde til en mottaksstasjon får man et mål på middeltemperaturen i havet langs veien som lydbølgene har tatt. Et eksempel er måle-eksperimentet som ble gjort ved øya Heard i Sørishavet. Lydbølgene fra en sender på et skip sørøst for Heard ble mottatt ulike steder i havet, blant annet på begge sider av det nordamerikanske kontinentet. Slik fikk man et mål på havtemperaturene på 1000 m dyp både i Atlanteren og Stillehavet. Klimaendringer i havet kan effektivt måles på denne måten. Metoden er blitt kritisert fordi støyen skaper problemer for hvaler.

Havets overflatetemperatur er blant de første oseanografiske størrelsene som ble målt fra satellitt. Instrumentene måler den infrarøde strålingen fra havflaten, og man får dermed et heldekkende bilde av variasjonene i sjøtemperaturen over hele kloden. Disse målingene startet i 1979, og har vært viktige i klimaovervåkningen av jorden. Også mikrobølge-instrument brukes i fjernmåling av sjøtemperaturen. Siden 2009 brukes de også for å måle saltholdigheten i havoverflaten. Som beskrevet ovenfor er det en sammenheng mellom saltholdighet og sjøvannets elektriske ledningsevne. Den elektriske ledningsevnen påvirker strålingen som instrumentet måler gjennom emissivitetsparameteren.

Optiske instrumenter kan ved hjelp av fotoceller måle det innfallende dagslys i forskjellig dyp i sjøen, eller de kan ved hjelp av kunstig lys måle gjennomskinneligheten (turbiditeten) i forskjellige vannmasser. Et enkelt og anvendelig instrument er Secchiskiven; en hvitmalt, rund skive som senkes ned til siktedypet, hvor man ikke ser den lenger.

Turbulens er viktig for beitende fiskelarver og dyreplankton i havet. Turbulens består av uordnete bevegelser ned til lengdeskalaer på 1 cm, og er derfor krevende å måle. Det er bevegelsesenergien til de uordnete bevegelsene man ønsker å bestemme. Turbulens i havet kan måles med både tauete og fritt-synkende instrumenter. Sistnevnte har den fordel at målingene ikke forstyrres av skipet og kabelen, men en ulempe er risikoen for at instrumentet kan gå tapt.

Instrumentet som vanligvis brukes er formet som et rør med en spiss i enden. Røret av rustfritt stål er 6,4 mm i diameter, mens spissen er laget av gummi. Spissen er rettet nedover når røret synker med en hastighet på ca. 1 m/s. Inni røret er det en piezoelektrisk krystall som registrerer krefter som skyldes de turbulente bevegelsene. Kreftenes endring med tiden er proporsjonal med strømskjæret (hvordan strømhastigheten endrer seg på tvers av strømretningen) i den turbulente bevegelsen. For isotrope turbulens-forhold er dissipasjonsraten til bevegelsesenergien proporsjonal med kvadratet av dette strømskjæret.

Jodtitrering, den såkalte Winkler-metoden (oppkalt ettr den ungarske kjemikeren Lajos Winkler), har vært anvendt siden 1888, og er fortsatt i bruk til å finne konsentrasjonen av opplyst oksygen i havet.

Et oksymeter er raskere å bruke. Ved å måle strømstyrken i en elektrode i et rom med kaliumklorid-løsning der sjøvannet slipper inn gjennom en membran, finner man et mål på mengden oppløst oksygen per liter vann (enhet mg O₂/l eller ml O₂/l). Oksygen forbrukes under måleprosessen, så måling i stillestående vann gir for lave verdier.

Et enklere instrument, som ikke forbruker oksygen, er optoden. Det er basert på optikk, og benytter seg av at selvlysende objekter lyser kortere tid etter at de er blitt belyst dess mer oksygen sjøvannet inneholder. Dette instrumentet er ofte montert på en CTD.

Konsentrasjoner av nitrat, nitritt, ammonium, fosfat og silikat kan bestemmes ved å analysere vannprøver i laboratoriet. Det finnes instrumenter som kan utføre analysen på stedet, slik at mange målinger kan tas på kort tid. Analysen består i å la vannprøven reagere med et tilsetningsstoff og studere utslaget i form av f.eks. fluorescens.

For måling av nitrat finnes optiske instrument som bruker nitratets evne til å absorbere ultrafiolett lys. Analyseprosessen kan foregå hurtigere enn den kjemiske analysen, slik at instrumentet egner seg for å måle vertikalprofiler av nitrat.

Til biologiske undersøkelser brukes forskjellige slags håver, tråler og andre fangstredskaper, foruten bunnskraper av ulike slag. Plankton-konsentrasjoner kan bestemmes ved hjelp av et strømnings-cytometer. Instrumentet fungerer som et telleapparat for celler av ulik størrelse og form, og bruker en laserdetektor slik at cellene strømmer én for én forbi laserdetektoren.

Planteplankton i havoverflaten kan kartlegges fra satellitt ved å måle spekteret av reflektert sollys fra havoverflaten. Spekteret påvirkes av mengden av klorofyll, andre flytende partikler og gulstoff. I 1978 kom instrumentet Coastal Zone Color Scanner (CZCS) på Nimbus-satellitten i operasjonell drift, og kartla konsentrasjon av planteplankton over store deler av verdenshavets overflate med en oppløsning på 800 m. Målingene foregikk fram til 1986. Seinere kom andre fjernmålingsinstrumenter for planteplankton i bane; SeaWiFS fra 1997 til 2010, og nå er det MODIS/Aqua som er oppe og måler klorofyllkonsentrasjoner.