Oceanografi

Teksten på denne side er et uddrag fra den samlede artiklen ”Martin Knudsens historie” som findes under menuen ”Liv og Virke”
Billedtekster (på nærværende side ikke eksisterende billeder) henviser til billeder på undermenuen ”Martin Knudsens historie”
Henvisnings nummer er til noter som findes i slutningen af artiklen ”Martin Knudsens historie”
(For hele filen med illustrationer, tryk på linket herunder)
oceanografi
——————————————————–
Martin Knudsen’s Introduktion til hydrografien
Indenfor hydrogafien blev Martin Knudsen en pioner for salt bestemmelser eller saliniteten baseret på hans hydrografiske tabeller og hans ansvar for gennem mange år at fremstille standard havvand. I næsten et halvt århundred var han tilknyttet i forskellige kapaciteter til ICES (International Council for the Exploration of the Sea) den ældste internationale organisation for hav og fiskeri forskning. Her var han hydrograf, delegeret, formand for den hydrografiske komité og medlem af ICES kontoret. Han anses som grundlægger af den fysiske oceanografi.

Dækket af skrueskonnerten Ingolf
Martin Knudsen blev introduceret til hydrografi da han blev knyttet til den danske ”Ingolf-ekspedition” for at stå for de kemiske og fysiske målinger af havvandet rundt om Island og op langs vest Grønland i sommeren 1895 og 1986. Han beskrev i en rapport om ekspeditionens hydrografiske arbejde253 at han var totalt ukendt med denne type forskning. Han forstod imidlertid hurtigt hvad det drejede sig om. Knudsen’s talent for at udvikle apparater slog hurtigt igennem. Han udviklede udstyr til analyser af luftarter optaget i havvand og han designede en forbedret udgave af det vendbare termometer. Han var også opmærksom på vigtigheden af mere nøjagtige bestemmelser af saliniteten, idet det blev klart at forskellige vandmasser kun varierer ganske lidt i salinitet, undertiden mindre end metodernes måle unøjagtigheder og for alle tidligere salinitets bestemmelser.

Knudsen i laboratoriet på Ingolf-ekspeditions skibet 1895-1896
Knudsen forkastede derfor metoden til salinitets bestemmelse baseret på vægtfylde. I stedet målte han det gulgrønne klor som er noget opløseligt i vand, den vandige opløsning kaldes klorvand. Klor optager nemt elektroner og egner sig derfor godt som oxidationsmiddel. Det var i virkeligheden halogenerne som han målte ved volumen titreringer svarende til Mohr’s metode, som er en udfældning af klor med en opløsning af sølvnitrat og anvendende kromeret kalium som index. For at øge nøjagtigheden af metoden indførte Knudsen forseglede ampuller med havvand hvor saliniteten var blevet bestemt med meget stor omhu med Volhard titreringer; dette vand blev så anvendt til at kalibrere sølvnitraten anvendt til titrering af havvands prøver. På denne måde blev alle klor bestemmelserne refereret til samme standard hvilket resulterede i international overensstemmelse. Salinitets tallet fremstod ved at gange klor indholdet eller kloriniteten med en såkaldt klor koefficient. I mens tallene fra Ingolf-ekspeditionen blev udregnet lavede Knudsen tabeller til at lette udregningen af havvandets massefylde ud fra dets temperatur og salinitet.
En vigtig del af det hydrografiske arbejde ombord på skibet var bestemmelsen af mængden af opløste gasser i vandet. Knudsen konstruerede et apparat (se nedenfor) til samtidig bestemmelse af kvælstof og ilt i havvandsprøverne. Med hensyn til ilt fandt Knudsen nogle helt åbenbare anomaliteter. Det var en almindelig antagelse at overfladevandet var mere eller mindre mættet med luft, afhængig af vandets temperatur. I materialet fra den engelske ekspedition ”Challenger” havde William Dittmar imidlertid fundet nogle prøver indeholdende mere ilt end det kunne forklares ud fra loven om gas absorption. Han havde prøvet adskillige måder at forklare disse anomalier, som gjorde at han til sidst forslog at disse anomalier skyldtes observations fejl246,254. Hercules Tornøe, som bearbejdede samme type data fra den norske ”Vøringen-ekspedition”, var stødt på samme problem. Han var imidlertid ikke indstillet på at acceptere observations fejl som en forklaring. Han konkluderede at mængden af ilt i overflade vandet afhænger ikke blot af vandets temperatur, men også på noget man endnu ikke vidste hvad var246,255.

Knudsen’s apparat til bestemmelse af ilt og kvælstof i havvand
På ”Ingolf-ekspeditionen” fandt Knudsen også et del tilfælde af ilt overmætning i overfladevandet og han blev i stand til at forklare mysteriet. Han kom på den idé at fænomenet skyldtes at den overskydende ilt produceredes af fotosyntesen i fytoplankton – tang og alger – og han bekræftede denne antagelse i samarbejde med ekspeditionens botaniker CH Ostenfeld ved at type- og mængdebestemme plankton på stederne hvor vandprøverne var opsamlet178,246. Det viste sig at iltindholdet var lavt hvor det var animalsk plankton men højt hvor det var plantemateriale fytoplankton der dominerede. Nogle simple forsøg udført af Knudsen bekræftede at overmætningen med ilt i overfladevandet skyldtes fotosyntesen i fytoplankton168,246. På denne måde fik Dittmar og Tornøe også forklaringer på deres ubesvarede spørgsmål.

Skrueskonnerten Ingolf
Om Salinitet:
salinitet, (afledn. af lat. sal ’salt’), saltholdighed, mængden af opløst stof, målt i gram, der er indeholdt i et kilo havvand. Hovedparten af havvand (ca. 96,5%) er rent vand, mens de resterende ca. 3,5% består af opløste stoffer i ion- eller molekyleform. Salinitet har til alle tider givet anledning til mange spekulationer hvor de første forklaringer stammer helt fra de græske filosoffer Empedocles og Aristoteles fra 300-400år før vor tidsregning. Siden videre fortolket af romerne Pliny den ældre og Seneca som bl.a. fandt at saltvand var tungere end ferskvand og at saliniteten forblev konstant selvom der til stadighed tilløb enorme freskvandsmængder fra floder og vandløb. Leonardo da Vinci tager i 1400-tallet stadig på det filosofiske plan afstand fra de tidligere forklaringer på havenes salinitet. Det er først englænderen Robert Boyle i 1674 der går i rette med de tidligere forklaringer og hævder at ligesom man ikke kan forklare jordens skabelse kan man heller ikke forklare hvorfor havvand er saltholdigt og opretholder et konstant forhold. Han anviste således den første simple metode til måling af saliniteten; men det store spørgsmål var stadig ubesvaret hvorfor havvand er mindre salt og mere varmt mod overflade nogle steder og andre steder er det omvendt? Boyle udførte en mængde undersøger af saliniteten i den Engelske Kanal. Han fandt på metoden at få saltet til at udfældes med sølvnitrat hvorefter der i de næste 100år næsten intet skete på området219.

Undersøgelserne af oceanernes kredsløb, som blev udført i 1800-tallet indebar også måling og fordeling af salinitet. Det blev forsøgt at bestemme salt indholdet ved opvarmning at fjerne vand fra prøverne ved fordampning. Simpel udtørring resulterede i tab af flygtige stoffer og vandbindende egenskaber af det tykke residual gjorde vægt målinger meget svære. En tør residual metode blev skabt; havvandsprøverne blev inddampet og tørret til en stabil vægt var opnået ved 480° C efter forbehandling med saltsyre. Udfra dette blev salinitet defineret som ”den totale mængde af fast stof i gram indehold i 1 kg havvand når alle karbonater er omdannet til oxider, alle bromider og jodider er erstattet med klorider og al organisk materiale er blevet oxideret” — Det stod helt klart at der var behov for en bedre metode til bestemmelse af totalt opløste salte end denne besværlige og upålidelige måde med inddampning af prøver220.

Danske forskere har spillet en fremtrædende rolle i udviklingen af metoder til bestemmelse af havvandets salinitet. JG Forchhammer var en af de første til at undersøge spørgsmålet om havvandets bestanddele og publicerede i 1859 resultatet af grundige undersøgelser af vandprøver indsamlet under Galatheas jordomsejling 1845-47. I 1898 udnævnte ICES – det internationale råd for udnyttelse af havet – Martin Knudsen som formand for rådet med det mandat at studere problemerne ved bestemmelse af saliniteten i havvand. Kommissionen definerede ”chlorinity” ud fra den antagelse at ionernes indbydes ratio er konstant i havvand hvorfor en simpel volumetrisk titrering med sølvnitrat kunne anvendes til bestemmelse af saliniteten. Knudsen og hans kollegaer foretog analyser af havvand fra forskellige områder af verdenshavene, og på baggrund af sammenligninger mellem 9 bestemmelser af salinitet og chlorinitet kunne han opstille følgende formel:

S = 0,030 + 1805×chloriniteten (1)

Denne Knudsen formel benyttede oceanographer sig af i de følgende 65år! I sin beskrivelse havde Knudsen fremhævet at metoden var velegnet til salinitets målinger af havvand til fysiske, klimatologiske og biologiske undersøgelser og påpegede at målingerne ville kunne udføres med en nøjagtighed på 0,04 ppm dog ikke med den metode der var mest udbredt dengang. Det man bestemte var altså mængden af opløst stof, målt i gram, der er indeholdt i et kilo havvand. Hovedparten af havvand (ca. 96,5%) er rent vand, mens de resterende ca. 3,5% består af opløste stoffer i ion- eller molekyleform kaldet kloriniteten som et mål for mængden af halogenerne klor-, brom-, jod- og fluorioner. Salinitet blev udtrykt i promille. Sædvanligvis udførtes nogle få titreringer ved vejning og alle volumetriske titreringer derefter refereret dertil. Knudsen understregede at titreringer ved vejning dengang var temmelig besværlig og at fejlene ved salinitets bestemmelserne var sædvanligvis så høje som 0,1-0,2ppm. Det er klart at der ville kunne opnås større pålidelighed af salinitets bestemmelserne på alle vandprøver hvis de blev udført på et laboratorium; men Knudsen vidste at dette ikke var muligt. I stedet foreslog han at alle interesserede stater skulle bidrage til etableringen af en institution til at frembringe standard vand. En sådan institution skulle fremstille (og standardisere mht chlorinitet) et standard vand og distribuere det til interesserede laboratorier sammen med et certifikat som beskriver de fysiske og kemiske egenskaber af standarden29,183,186,201,203,206,219,220, 251,252.
Knudsen´s forslag blev fremlagt rimeligt detaljeret ved konferencen i 1899 i Stockholm og selvom der var nogle indvendinger blev hans forslag besluttet ”Ved standard vand forstås prøver af filtreret havvand, hvor de fysiske og kemiske egenskaber er erkendt med højst mulig analytisk nøjagtig og et medfølgende certifikat medsendes prøverne til de forskellige laboratorier”.

De Hydrografiske tabeller
Det var fornemt hvad Knudsen havde opnået under Ingolf-ekspeditionen og bearbejdningen af hydrografiske data fra de indre danske farvande. Det var derfor naturligt at han sin unge alder til trods blev en af de tre delegerede ved den Internationale konference om udforskning af havet i Stockholm i 1899. Her fik han en meget positiv opmærksomhed hvilket fremgik af en tysk rapport fra konferencen246,256.
Knudsen’s erfaringer fra Ingolf-ekspeditionen førte ham til at foreslå på konferencen at der burde oprettes en international institution til at sikre fremstilling af standard havvand177,179,246. Men selvom man godt kunne indse vigtigheden af at anvende standard havvand til salinitets bestemmelser blev forslaget ikke vedtaget på konferencen. Den foretrak en plan fremsat af den norske delegerede Fridtjof Nansen og at der i forbindelse med et fælles kontor også oprettedes et central laboratorium som bl.a. skulle producere og distribuere standard havvand246,257.
Den positive beslutning for Nansen’s forslag betød ikke at man havde mistet tilliden til Knudsen. Dette blev fastslået ved at konferencen betroede ham opgaven at udføre en eksperimentel revision af de første hydrografiske tabeller sammenholdt med hans egne fra Ingolf-ekspeditionen og den sammensat af Kümmel, Makarov og andre. Forslaget til en sådan revision kom fra den svenske professor Otto Pettersson. I et brev til Nansen havde Pettersson beklaget manglen på pålidelige tabeller som angav sammenhængen mellem de kemiske analyseresultater af havvandet og dets massefylde. Så hvis der kom en ny konference om en international udnyttelse af havet ville Pettersson foreslå oprettelsen af en komité til undersøgelse og revision af alle eksisterende tabeller for at fastlægge sammenhængen mellem massefylde og de kemiske analyse resultater. Pettersson mente at sådanne undersøgelser burde udføres på Polyteknisk læreanstalt i København under ledelse af Martin Knudsen246,258. Der blev nedsat en komité til at lede arbejdet bestående af Sir John Murray, Knudsen, Pettersson, Nansen, Krümmel, HN Dickson og SO Makarov organiseret af Knudsen. Arbejdet skulle udføres på fysisk laboratorium på Polyteknisk læreanstalt hvor Knudsen var ansat. Han blev assisteret af danskerne JP Jacobsen og SPL Sørensen samt tyskeren Carl Forch. Knudsen og hans medarbejdere bestemte konstanterne for havvand dvs relationen mellem klorinitet og salinitet, og mellem klorinitet og massefylde af vandet ved forskellige temperaturer. Disse konstanter dannede baggrunden for de berømte Hydrografiske Tabeller som gjorde det muligt at foretage en nøjagtig bestemmelse af klor indhold, salinitet, og massefylden af havvands prøver ved en Mohr titrering sammenholdt med standard havvand. Tabeller over salinitet og massefylde blev også oprettet på basis af hydrometer aflæsninger. Udregningerne af konstanter og udfærdigelsen af de Hydrografiske Tabeller repræsenterede en formidabel arbejdsindsats som blev udført af Knudsen og hans lille medarbejder stab på mindre end to år.
Tabellerne samt en rapport over arbejdet blev præsenteret ved den anden internationale konference om udnyttelsen af havene som blev holdt i Oslo (som hed Kristiania dengang) i maj 1901. Konferencen godkendte tabellerne og besluttede:
Forholdet mellem salinitet, massefylde og klor anvist i Dr. Martin Knudsen’s Hydrografiske Tabeller skal herefter anvendes; og saliniteten skal udregnes ved anvendelse af disse tabeller ved bestemmelse af klor eller massefylde bestemmelser246,259.
Selvom arbejdet var blevet udført med største omhu, så er der ytringer citeret af Wallace260, at Knudsen opfatter sine salinitets-klorinitets formler for midlertidige indtil nye undersøgelser ville give anledning til ændringer. Der var en overvægt af prøver der ikke var fra oceanerne i det anvendte materiale, med 15 ud af 26 prøver stammende fra Nordsøen og Østersøen og alle på nær to prøver var overfladevand. Derfor mente man at der måtte være behov for flere studier bestående af flere oceanprøver og strækkende over længere tid. Til trods for indvendinger blev Knudsen’ formler og tabeller anvendt i tre fjerdedel af et århundred – 75år. I denne lange periode forblev formler og tabeller stort set uændret, bortset fra en kortvarig betvivlelse af pålideligheden, som kom til udtryk kort tid efter deres fremkomst. Tvivlen viste sig imidlertid at være ubegrundet75,246.

Forsyningen af Standard Seawater
På Stockholm konferencen var det besluttet at der var et behov for standard havvand til anvendelse ved klor titreringer, samt at det skulle produceres af Central Laboratoriet. Martin Knudsen forventede at etableringen ville tage en del tid. For at lave en midlertidig forsyning producerede han en batch af sådan noget vand. Det bør nok erindres, at det ikke var noget nyt for Knudsen at fremstille standard vand. Selv før Stockholm konferencen havde han produceret 5 batches til anvendelse under det danske hydrografiske arbejde, som ydermere blev distribueret til Rusland, Sverige, Norge, Finland og Tyskland og de blev anvendt til danske titreringer indtil august 1902.

Derfor blev den nye produktion til det internationale formål med at bestemme konstanter og revidere af de eksisterende tabeller kaldt ”No.VI”. Kloriniteten af dette standard vand blev bestemt af kemikeren prof SPL Sørensen på basis af prøver af kaliumklorid. Alle de producerede standarder var derfor baseret på klorid bestemmelsen af denne prøve af kaliumklorid og derfor afhængig af atomvægten som blev anvendt.
Som Knudsen formodede var der et klart behov for standard havvand også selvom det internationale samarbejde ikke var blevet til noget. Flere institutioner i de fremtidige medlemslande af det internationale råd fik tilsendt prøver, og efterspørgslen steg så de årlige krydstogter godkendte det man var enedes om i Stockholm til udførelse fra 1902. Da Central Laboratoriet endnu ikke stod klart måtte Knudsen producere endnu en batch standard vand. Fra 1903 overtog Central Laboratoriet produktionen også den primære standard produceret i 1905.
Det var Fridtjof Nansen den norske delegerede ved Stockholm konferencen, der forslog oprettelse af et internationalt laboratorium hvorfra standard prøver skulle udsendes. Forinden havde der været afholdt en anden forberedende konference i Kristiania (Oslo) i 1901 hvor Martin Knudsen præsenterede en foreløbig rapport til måling af konstanterne i havvand og opbygningen af de hydrografiske tabeller han havde udarbejdet. Til det hydrografiske arbejde blev Martin Knudsen´s tabeller straks anvist. Det blev endvidere anvist at “The same standard seawater shall be employed in all cases for standardizing the solution used for chlorine determinations”. I løbet af efteråret 1902 startede “Central” Laboratoriet sin virksomhed, som desværre havde en relative kort levetid. I 1908 besluttede Nansen at han ikke længere ønskede at fortsætte som director og det blev besluttet at lukke laboratoriet. Rådet for ICES vedtog at den fremtidige varetagelse af specielle problemer måtte overdrages til specialister fra alle medlemslandene, for det der var behov for var “practical charges, in which all the hydrographers are concerned, e.g., the preparation of normal (standard) water. It seems natural to hand over again to Docent M. Knudsen this task …” Martin Knudsen accepterede straks på vegne af Rådet, at fremstillingen og distributionen af standard havvand blev overført til et central laboratorium i København fra september 1908, hvor det forblev indtil overførsel til England i 1974 København3,68,72,177,192,212,217,246,251,252.

Knudsen var tilsyneladende noget utilfreds med at man ikke havde betroet ham at stå for denne ”Standard Seawater Service”. I et brev til Pettersson som havde brokket sig over forsinkelsen i produktionen af den primære standard på Central Laboratoriet erklærede Knudsen at siden laboratoriet var blevet betroet produktionen af standard havvand, formodede han at det var anset mere vigtigt for laboratoriet end for ham. Og at laboratoriet kunne gøre det bedre end ham246,261.
I 1908 blev det imidlertid besluttet at lukke Central Laboratoriet og overføre de fleste opgaver til staternes egne laboratorier. Men man skønnede at der var én praktisk funktion der var interessant for alle hydrografer, og det var produktionen af standard havvand. Rådet besluttede at delegerede denne opgave til Martin Knudsen i hans egenskab af ”Hydrografisk Assistent” for ICES Bureaet246,262. Så indtil udbruddet af 1. Verdenskrig i 1914 blev standard havvand produceret af Martin Knudsen på vegne af Rådet. På dette tidspunkt påtog Knudsen sig personligt at videreføre ”Standard Seawater Service” for at friholde ICES Rådet for dets finansielle forpligtigelser under krigen – et arrangement der fortsatte efter krigen. Der var et stigende behov for standard vand og i 1930’erne var lagrene af den Primære Standard ved at løbe tør. Det blev derfor nødvendigt at producere en ny Primær Standard. Ved Rådets møde i 1936 forklarede Knudsen, at siden standard vand anvendtes globalt så havde han planer om at foreslå International Association for Physical Oceanography (IAPO) at de skulle stå for en ny Primær Standard og dække omkostningerne forbundet med de fysiske og kemiske arbejder og for offentliggørelsen af en rapport. Dette blev godkendt af ICES og siden accepteret af IAPO246,263.
Kloriniteten af den nye Primær Standard bestemt udfra kloriniteten i standard vandet, som indtil da havde været anvendt, hvorved der blev skabt samstemmende resultater af klorinitets titreringerne baseret på de to Primære Standarder. Kloriniteten blev målt at være 19.3810‰. Det blev imidlertid poienteret at kloriniteten var afhængig af de anvendte atomvægte, som defineret af Sørensen. Dette betød at der ville opstå et lille skred i klorinitets bestemmelserne hvis der blev vedtaget nye atomvægte. Endvidere var et rør med havvand nok ikke den bedste måde at opbevare en standard over lang tid. Disse ulemper blev udjævnet ved at anvende rent sølv såkaldt Atomgewichtssilber som standard og introduktionen af en ny måde at bestemme klorinitet på. Undersøgelser udført af professor Hönigschmid i München viste at 58.99428 gram af Atomgewichtssilber var nødvendig og tilstrækkelig til at udfælde halogenerne i 1kg af 1937 Primær Standarden. Da 19.3810 divideret med 58.99428 = 0.3285234 blev den nye definition af klorinitet:
Tallet som angiver kloriniteten i promille af en havvands prøve er per definition identisk med tallet for massen med enheden gram af Atomgewichtssilber der netop forårsager udfældning af halogenerne i 0.3285234 kg havvand217,246
Da Knudsen var op i 70’erne var han ivrig efter at sikre en fortsættelse af ”Standard Seawater Service”. Han forslog derfor til IAPO at de skulle påtage sig den fremtidige produktion af standard havvand. Dette blev accepteret af IAPO i august 1948246,264, og med fortsat produktion på Dansk Hydrografisk Laboratorium.

Påfyldning og ampullering af Standard Havvand i København

Få måneder før sin død – i februar 1949 rundsendte Knudsen et cirkulære om det nye arrangement; men p.gr.a. aftalen med IAPO (det senere IAPSO) forblev denne service udgående fra Danmark.
Fra de første fremstillinger af standarder var der kun foretaget få ændringer. Vandet blev almindeligvis opsamlet fra det nordatlantiske overfladevand og transporteret i glas beholdere. Det blev så pumpet gennem filtre og ført ind i en lagertank hvor det blev cirkuleret gennem filtre i 2-3 uger for at opnå den bedst mulige blanding. Sideløbende blev havvandet løbende fortyndet med destilleret vand indtil en endelig salinitet på ca 35 var opnået. Forseglingen af havvandet blev gjort i form af glasampuller. Metoden som anvendes i dag er den samme som Knudsen anviste i 1903, selvom produktionen er langt større i dag.

Ampul med standard havvand

Om Havforskning – Kemisk oceanografi:
beskriver havvandets opløste stoffer, de kemiske kredsløb, næringssalte og diverse vekselvirkninger mellem atmosfære, land, havbund og havvand. Stoffer, der findes på landjorden, ender før eller siden i havet. Såvel naturligt forekommende stoffer som de fleste menneskeskabte kan derfor isoleres fra havvand, men pga. klodens umådelige mængder af havvand er de fleste stoffer kun til stede i spormængder, inklusive fosfat, nitrat og øvrige næringssalte. Ti stoffer udgør således 99,9% af de salte, som findes opløst i havvand, heraf er almindeligt salt, natriumklorid, helt dominerende.

Allerede i 1857 havde den danske geolog JG Forchhammer konstateret, at havvandets indhold af opløste salte findes i næsten konstante forhold. I 1901 kunne fysikeren Martin Knudsen derfor redigere en samling hydrografiske tabeller, hvorefter man kunne beregne havvandets massefylde og den totale saltholdighed ud fra mængden af klorid bestemt ved titrering med sølvnitrat. Disse tabeller anvendes stadig. Oceanisk vand indeholder 19,3 g klorid pr. kg vand. Det svarer til en total mængde salt på 35‰. Vandets saltholdighed kan også måles ud fra ledningsevnen eller ud fra frysepunktssænkningen i forhold til destilleret vand, evt. som osmotisk tryk.

Alle disse mål kan efterfølgende omregnes til ‰ salt, men resultatet bliver ikke nødvendigvis sammenfaldende med saltholdighed bestemt ud fra mængden af klorid. Det skyldes, at der er mindre variationer i vandets ionsammensætning, alt efter om man måler på kystnært eller oceanisk vand.

Om Havforskning – Fysisk oceanografi:
Omfatter studier af bl.a. lysets gennemtrængning, temperatur, bølger, tidevand, cirkulation i oceaner og kystnære områder, marine fronter samt blandings-processer såsom opvældning (upwelling) af næringsrigt vand fra dybere dele af oceanerne.

Opvældning af dybvand har stor betydning for havets produktionsforhold. Fænomenet er særlig udtalt på kontinenternes vestside på den sydlige halvkugle226.

Martin Knudsen anses for en af den fysiske oceanografis grundlæggere
Ud over de hydrografiske tabeller blev han bl.a. kendt for at have forfinet konstruktionen af præcisionstermometeret, der tillod aflæsning af temperaturer med 0,01 °C nøjagtighed på store dybder. Han udviklede også apparatur til nøjagtig bestemmelse af havvandets indhold af ilt, kvælstof og kuldioxid24,116,170-175,181,182,187,190,197,202,204,208-210,213,215,246.

Derudover spillede han en central rolle sammen med en svensk ven og kollega kemi professor Sven Otto Pettersson i Det Internationale Havundersøgelsesråd (ICES), som blev etableret i 1902 og som havde hovedsæde i København til 1974 hvor det flyttede til London; men administrationen er fortsat i København28,37,38,69,70,74,76-80,214,246. Som vicepræsident for ICES fra 1933-1947 havde Martin Knudsen nært samarbejder med hydrograferne mag.scient. dr.phil. Jens Smed og marinbiolog Artur Svansson5,6,7,68-80,98. Jens Smed afløste Lomholt i 1939 for at koordinerer ICES i den internationale rådgivning på fiskeriområdet, specielt i de europæiske farvande. Organisationen har et sekretariat med en generalsekretær. Det faglige arbejde foregår i arbejdsgrupper, fx sildearbejdsgruppen. Medlemmerne af disse er forskere fra lande med interesser i det pågældende fiskeri. I dag sendes arbejdsgruppens anbefalinger via ICES til EU-Kommissionen, der tager de politiske beslutninger om eventuelle reguleringer af fiskeriet5,7,218.

Forchhammer havde vist, at man ud fra saltholdigheden kunne fastlægge grænserne for de store havstrømme. På grundlag heraf udviklede JP Jacobsen (1877-1946) de såkaldte T-S-diagrammer, som han ved analyse af temperatur og saltindhold benyttede til undersøgelser af Nordatlantens vandmasser.

Jacobsen og Knudsen udgjorde et effektivt team igennem 1920´erne med udviklinger af specialudstyr til B&W´s bygning af bl.a. særlige hav inspektionsskibe og hvor konservator Hans J Nielsen siden 1903 havde været konstruktøren af apparaterne73,171,213,221,246. Desuden beskæftigede de sig indgående med de danske farvandes hydrografi, specielt strømforholdene, hvor de fik ansvaret for de hydrografiske måleprogrammer på fyrskibene68-80.
Med ansættelsen af svenskeren Nils G. Jerlov (1909-90) og oprettelsen af et nyt institut i 1963 blev fysisk oceanografi omsider et universitetsfag. Her videreførte Jerlov sine grundlæggende studier af havvandets optiske egenskaber, bl.a. på et togt med Dana III til Sargassohavet i 1966 og på en skandinavisk, optisk-oceanografisk ekspedition i Middelhavet i 1971.

ICES møde i London 1929. Martin Knudsen sidder nummer 4 fra højre på forreste række
I 1973 hyrede Miljøministeriet et forskningsfartøj, som blev lagt ind under Havforureningslaboratoriet på Charlottenlund slot og skibet blev omdøbt til ”R/V Martin Knudsen” hvor datteren Inger Margrethe Bondorff (f. Knudsen) forrettede navngivningen222. Hun var uddannet kemiker og i mange år ansat hos ICES.

Indførelsen af målinger af elektrisk ledningsevne i havvand
I slutningen af det 1800-tallet blev der udviklet en metode til bestemmelse af saliniteten i havvands prøver ved måling af den elektriske ledningsevne. Den norske kemiker Hercules Tornóe blev en pionér på dette. På et møde den 6. Oktober 1893 i Norges Videnskabernes Selskab, fremlagde han en række undersøgelser som viste at saliniteten i havvand kunne bestemmes ved den elektriske ledningsevnen i vand. Ledningsevnen kan måles ved forskel i strømstyrke og en telefonbro. Da ledningsevnen overvejende påvirkes af temperatur, er det nødvendigt at måle temperaturen med stor nøjagtighed og at elimineret dens påvirkning. Martin Knudsen gik et skridt videre ved sammen med instrumentmageren Hans Jørgen Nielsen at konstruere et apparat som indeholdt samme princip, men gjorde det muligt at bestemme havvandets salinitet og temperatur uden at behøve at opsamle vandprøver eller at sænke termometre ned i havdybet. Selvom metoden skabte stor interesse blev den ikke rigtigt anvendt, utvivlsomt fordi det nødvendige apparatur endnu ikke var tilstrækkeligt.

Selvom den elektriske ledningsevne i havvand havde været anvendt sammen med temperatur malinger til salinitets bestemmelser siden 1930, (Winer, 1930), måtte pålideligheden af sådanne salinometre afvente udviklingen indenfor elektronik. Først i slutningen af 1950´erne erstattede elektrisk ledningsevne klorid-titrering målinger som et mål for salinitet. Salinometre, indeholdende høj-precitions kallibreringer og termostat kontrollerede kar, som blev udviklet til at sammenligne den elektriske ledningsevne i prøven med standard havvand med en kendt chlorinitet (og siden salinitet) ved de samme temperaturforhold. Den målte ledningsevne ratio blev så omdannet til salinitet udfra den sammenhæng der var blevet opnået i 1934, (Thomas, Thompson, Utterback, 1934), men som ikke var af tilstrækkelig høj kvalitet. Cox havde opdaget at der var en fejl i ekstrapolationen af de målte tal ved 15°C; men selv efter dette var korrigerede uacceptale forskelle der opstod mellem den udregnede ved hjælp ledningsevne ratio og dem der blev opnået ved anvendelse af (1) for en chlorinitets titrering.
Forholdet mellem salinitet, ledningsevne ratio og temperatur blev derfor bestemt på basis af malinger baseret på malinger udført ude på det åbne hav dækkende en stor salinitets variation. På denne måde blev den chlorinitets baserede salinitet om-defineret mht ledningsevne ratio og samtidig blev Martin Knudsen´s formel (1) erstattet af:
S = 1.80655 Cl (2)
Dette gav bade salinitet og chlorinitet tungtvejende betydning. Udregnede og table baserede værdier på de nye malinger blev først publiceret i 1966, så indtil da var det i det store hele baseret på Martin Knudsen´ anvisninger251.
I dag bestemmes salinitet ved måling af havvandets ledningsevne, og saliniteten blev udfra en UNESCO vedtagelse udtrykt ved psu (practical salinity unit); men den rigtige konvention nu er at angive salinitet som et tal252.
Rådet havde ansat en midlertidig hydrograf og hvor Knudsen fungerede som hydrografisk konsulent. Da en fuldtids hydrograf blev ansat i 1928 – Lomholt, som egentlig var cand.theol. – blev Knudsen chef for Service Hydrographique og derfor ansvarlig for det overordnede tilsyn af dets arbejde. Dette arrangement fortsatte indtil Knudsen bad om at blive frigjort fra jobbet i en alder af 77år i 1948.
En anden tilknytning mellem Knudsen familien og ICES var gennem Knudsen’s datter Inger Bondorff. Hun var dybt involveret i de omhyggelige titreringer der blev udført i forbindelse med fremstillingen af 1937 Primær Standarden. Hun var blevet oplært i laboratoriet hos professor Otto Hönigschmid i München217. Inger blev ansat ved Service Hydrographique i 1952. Hendes hovedopgave var at udarbejde måneds Synoptic Charts af temperatur og salinitet, men hun udførte også de fleste af de tekniske tegninger for arbejdsgrupperne og sekretariatet sammen med tre andre kvinder og mag.scient.dr.phil. Jens Smed kaldet ”Smeden”, som var den nye Hydrograf der blev ansat i 1939. En anden type arbejde Inger blev involveret i og hvor hun opnåede store færdigheder var screening af hydrografiske data der blev modtaget til at indgå i ICES data bank. Inger gik på pension i 1986 men bibeholdt interessen og kontakten med ICES næsten indtil hendes død i 1997. Så der var en forbindelse til Knudsen familien igennem det meste af det 20. Århundred.
Siden 1963 har oceanografi været en videnskabelig gren af geofysisk på Niels Bohr Instituttet hvor især Mag. lic. et dr. scient lektor Niels Kristian Højerslev har spillet en stor rolle i udviklingen indenfor fysisk oceanografi. Niels blev uddannet som oceanograf i 1971, hvor han blev magister i de hydrografiske og de marinoptiske forhold i Den Norske Kyststrøm. I 1973 blev Niels licentiat på både at udvikle og måle med et nyt instrument til måling af dagslysabsorptionen i både meget klare og meget grumsede vandmasser repræsenteret ved de forskellige vandmasser i Middelhavet, danske og norske farvande og fjorde. Niels har en doktorgrad i fysisk oceanografi fra 1986 publiceret i Landolt and Börnstein i serien Oceanography, og dette arbejde omhandler de optiske egenskaber af havvand mange forskellige steder i Verdenshavet. Specielt bør nævnes udvikling af instrumenter til måling af fotosynteselyset, det skadelige UV-B dagslys som påvirker primærproduktionen i havet og havets farve. Disputatsen danner grundlaget for at kunne benytte satellitmålinger til bestemmelse af havets overfladetemperatur, indhold af fytoplankton og klorofyl samt dagslysets nedtrængningsdybde i forskellige bølgelængder. Det har muliggjort en global kortlægning af temperatur- og de biologiske forhold i overfladevandet i Verdenshavet. Niels har desuden udviklet målemetoder til klassifikation og sporing af vandmasser og deres indbyrdes blandingsforhold over store afstande, hvilket bl.a. finder praktisk anvendelse i forbindelse med iltsvind i de indre danske farvande. Samtidig underviser Niels i dynamisk og optisk oceanografi og har skrevet flere lærebøger om emnet. Endelig har Niels løbende populariseret den fysiske oceanografi gennem medierne og populærvidenskabelige bøger og blade. Et eksempel herpå er det løbende projekt Satellite Eye, http://www.satelliteeye.dk/ sideløbende med Galathea 3 Ekspedition, som var et forsøg på at nå ud til skolebørn, gymnasieelever samt andre interesserede, der vil søge viden om fysisk oceanografi på nettet.
Hvad havde inspireret Martin Knudsen til oceanografi?
Martin Knudsen var optaget af at verdenshavene er den motor der driver vores planet. Han var bevidst om hvor lidt man vidste om havene og dets strømforhold. Martin Knudsen´s opvækst på Enebærodde på Nordfyn har givet ham mulighed for at studere vandmasserne strømmende ind og ud af det smalle løb ved Gabet. Gabet er den lille passage der er fra Fjorden ud til Kattegat.
Da ca 1/3 af Fyn afvandes via Odense å og dermed Odense Fjord er der stor strøm i Fjorden. Dertil kommer at tidevandet skal passere hver 6. time – Fjorden er ca 60km2, og tidevandet stiger ca ½ meter, hvilket betyder at der skal passere betydelige vandmasser -30 millioner m3 vand- 4 gange i døgnet.
Ved hård nordlig eller sydøstlig vind er søen i Gabet temmelig voldsom når vind og strøm går mod hinanden. Der er et ”strømhjul” på 16 meters dybde, svarende til det halve af Rundetårns højde! midt i Gabet hvor de enorme vandmængder ind og ud af Fjorden passerer med en voldsom kraft især ved kombinationen af ebbe, kraftig regn og en nordlig storm så bliver de øverste vandmasser et frådende inferno, og de nederste vandmasser, som strømmer indad i Fjorden vil også være voldsomme selvom dette ikke kan ses. Ved stormflodsdannelser især ved nordlige vindretninger har der været fare for og i visse tilfælde dæmningsbrud. Tilsvarende vil en sydøstlig storm i kombination med opbyggende flod have samme, men modsatrettede effekt hvor den største drivende kraft af vandmasserne er i det øverste lag. Det er ikke underligt, at ved drukneulykker ved Gabet finder man ofte de omkomne langt fra ulykkesstedet.
Udgangspunktet for livet i Fjordens vand og det nære Kattegat er planternes produktion af organisk stof. Denne produktion er også afhængig af de fysiske forhold i vandsøjlen. Pga forskelle i vandets massefylde opstår der ofte en skilleflade i vandsøjlen. Dette såkaldte springlag (saltspringlag, haloklin) adskiller vandsøjlen i et øvre og et nedre lag som strømmer hver sin retning, og hvor det lettere og mindre saltholdige vand ligger øverst. Lagdelingen af vandet har afgørende betydning for produktionsforholdene. Springlaget hæmmer opblandingen af de to vandmasser og begrænser dermed effektivt udvekslingen af næringsstoffer mellem vandlagene. Derfor er der tit stor forskel i indhold på indholdet af ilt og næringsstoffer i de to vandlag. Lagdelingen påvirker ikke i samme grad nedfaldet af partikler (organisk stof) fra de øvre vandlag til bunden.
Springlaget er placeret i vandsøjlen netop der, hvor ændringen i vandets massefylde er størst med dybden. Springlaget er naturligvis tykkest ved Gabet. Gennem sommeren hæver solens indstråling vandets temperatur i overfladelaget. Herved falder vandets massefylde yderligere, og temperaturforskellen mellem overfladelaget og bundlaget forstærker således lagdelingen. Et springlag der er betinget af temperaturforskel, kaldes et temperaturspringlag (termoklin). Med den store ferskvandsafvanding med lavt saltindhold og mødet med havvandet fra Kattegat, samt især om sommeren stor forskel i temperatur, er der et betydeligt springlag ved Gabet, som gør det overordentlig farligt at bade, og kæntringsulykker har ofte fået fatale følger. Kombineret med kraftig blæst fra nord eller sydøst gør det overordentlig farligt at sejle rundt ved Gabet i mindre både, f.eks. de fladbundede pramme man anvender inde i Fjordens lavvandede områder.

I kort version var dette grundlag for noget af fysikeren professor Martin Knudsen´s forskning – med hans opvækst tæt på Gabet er det vel sandsynligt at det er her han er blevet inspireret til Knudsen-relationerne som er et ligningssæt til bestemmelse af vandføringer i marineområder. Relationerne er opkaldt efter den danske oceanograf Martin Knudsen. Knudsen-relationerne er en udvidelse af den såkaldte bevarelsessætning der udtrykker at det vand der strømmer ind i et givet bassin er lig med transporten ud af bassinet + det der evt. opmagasineres i bassinet. Dette kan (lidt populært) skrives:
IND = UD + OPMAGASINERING
Hvis bevarelsessætningen opstilles for både vandvolumen og for vandmasse kan formlerne kombineres og benyttes til at udregne vandføringer. Princippet bag relationerne er ret simpelt men skal det anvendes på større komplicerede systemer er det ikke uproblematisk da det er svært at holde styr på transport af volumen og masse i naturlige systemer. Ved mere komplicerede systemer anvendes således typisk dynamiske modeller til beregning af vandføringer.
En fortsættelse af Martin Knudsen´s arbejder foregår fortsat f.eks. fra det danske forskningsskib Dana hvor oceanograf prof. Andy Visser fra DTU Aqua er leder af det nystartede Dansk Center for Havforskning. Andy Visser har for nylig analyseret målinger fra både Norskehaver og Irmingerhavet. Her er bl.a. saltindhold i vandet, temperaturen og trykket i vandet blevet målt. Han har indsamlet data fra vandsøjler fra udvalgte positioner i Nordatlanten for at opnå større viden om det store pumpesystem, der som en kæmpemæssig cirkulationspumpe sender Polarhavets vand ud på en rejse til de fjerneste afkroge af verdenshavene. Disse undersøgelser er med til at få mere viden om den store rolle pumpen spiller for både klimaet på Jorden og for oceanernes store organiske kredsløb. Populært sagt er det varmere overfladevand fra Golfstrømmen Erik den Røde for godt 1000 år siden satte årene i, da han og hans folk stævnede ud fra Islands kyst med kurs mod Grønland praktisk taget det samme overfladevand Andy Vissen tager prøver af nu. I mellemtiden har vandet været ude på en ”jordomsejling” både under og over havet. I Polarhavet fryser vandet til is i løbet af den arktiske vinter. Når havvandet fryser til is, vil saltet blive udskilt dvs at det vand der ikke fryser til is vil få en højere saltkoncentration og derved blive tungere. Om foråret når isen smelter løber der fersk gletchervand ud i havet. Det vil så lægge sig som endnu et lag oven i den smeltende havis. De stigende saltkoncentrationer vil derfor langsomt presse vandet nedad. På den måde opstår der lagdeling i vandet. Det meget salte og meget kolde havvand synker længere og længere ned i vandsøjlen. Og på et tidspunkt vil det synke helt til bunds hvor det bevæges rundt på Jordens havbund hvor det stille og roligt fylder alle havenes forskellige bassiner op med dette tunge og tæt koncentrerede saltvand nordfra. Når et bassin er fyldt op, flyder det over og videre hen over havbunden til det næste bassin. Der hvor forskningsskibet netop nu ligger stille for at analysere vandprøver i Danmarksstrædet mellem Grønland og Island finder man sådan et dybt bassin.
Efter at have bevæget sig ud fra Polarhavet flyder den kolde havstrøm dybt nede gennem Vestatlanten, ned langs Brasiliens kyst, tværs gennem Sydhavet, op langs den chilenske kyst, for så at dukke op til overfladen ved Peru´s kyst. Herfra begynder en ny rejse for vandet; men i denne omgang vil det tage godt og vel 10 år, før vandet igen når Polarhavet. Det gør det fordi overfladevandet ligger et lag, som kun er ca 100m, mens det kolde dybhavsvand er flere kilometer. Fra Peru´s kyst strømmer vandet som overfladevand hen over Stillehavet, hvor det presser sig igennem det Indonesiske Ørige. Her fortsætter rejsen videre til det Indiske Ocean, ned mod Madagaskar, rundt om Kap Det Gode Håb i Sydafrika, over til den brasilianske kyst. Herfra strømmer vandet videre op til den Mexicanske Golf, hvor det fortsætter videre mod nord som det vi kender som Golfstrømmen. Denne strøm er varmt vand, der løber op mod Grønland og Island, spiller en altafgørende rolle for klimaet på hele den nordvestlige halvkugle. Oppe i Nordatlanten bliver vandet presset gennem to mindre stræder. Den ene vej er gennem Danmarksstrædet mellem Grønland og Island hvor der er forholdsvis smalt. Den anden vej op nordpå går øst om Island og op i Norskehavet. Endestationen er under alle omstændigheder Polarhavet, hvor vandet afkøles blander sig med smeltevandet og synker til bunds hvor en ny 1000år lang rejse kan atter tage sin begyndelse. Det lagdelte ocean med Golfstrømmen øverst og den afsmeltede polaris nederst, som bevæger sig hver sin vej, fungerer som et kæmpemæssigt transportbånd, der ender i de to flaskehalse på hver sin side af Island.
For at forstå hvordan den udveksling mellem koldt og varmt vand finder sted mellem dybhavsbassinerne og de mindre dybe områder i havet har Andy Visser valgt at sænke måleinstrumenterne ned i Irmingerhavet ud for Grønlands østkyst. For ikke nok med at det kolde havvand meget langsomt bevæger sig ud på sin jordomsejling, det kræver også energi at transportere det dybe polarvand op til overfladen ved den peruvianske kyst.
Et mål med det nuværende togt er at undersøge dette energiregnskab. Tidevandet leverer omkring 60% af energien til denne store vandmasseelevator. Men de resterende 40% er fortsat et videnskabeligt mysterium. Nogle forskere mener at den resterende energi stammer fra vandlopper, der, når de bevæger sig op gennem vandsøjlen, får vandet til at bevæge sig. Andy Visser tilbageviser denne hypotese udfra de fysiske love for selvom der er tale om enorme mængder vandlopper, og de vitterlig sætter gang i en bevægelse vil hovedparten af energi blive omsat til varme. Vandlopperne vil simpelthen ikke kunne flytte disse monstrøse mængder vand. Visser tror mere på en anden hypotese der går ud på at den manglende energi stammer fra undersøiske bølger der ligger mellem forskellige lag i vandsøjlen. Det er andre bølger end de 2-3m høje bølger ved vandoverfladen. De undersøiske bølger vandlagene imellem er mellem 20 og 30m høje, og de kan bevæge over tusinder af kilometer uden at miste deres energi. Med kontinuerlige målinger fra 5-6 strategisk placerede bøjer er det tanken at man vil kunne registrere de undersøiske bølger mellem de forskellige lag i vandsøjlen og på den måde enten forkaste eller bekræfte hypotesen om de undersøiske bølger. Og i så fald om sådanne undersøiske bølger vandlagene imellem kan producere tilstrækkelig energi til at skabe den opdrift, der trækker det kolde vand op ved den peruvianske kyst. De resterende 40% svarer til den energi, som 1000 store kraftværker kan producere. Så det er en ganske betydelig mængde energi, der søges forklaring på. Man kan komme lidt tættere på svaret ved at forstå dynamikken i de store dybvandsbassiner. Nordatlanten er flaskehalsen til dette enorme pumpesystem, det er hjertet af systemet selvom man skal være forsigtig med den analogi. For der er ikke tale om en kraftig pumpe. Der er tale om en langt blidere udveksling. Den seneste måling ned gennem vandsøjlen fra et meget dybt sted i Irmingerhavet kunne man iagttage en distinkt lag opdeling af vandsøjlen; men om en langt mere subtil transition fra et vandlag til et andet.

Fra Martin Knudsen´s opdagelser – inspireret af vandtransporterne ud og ind af Gabet ved Odense Fjord tæt ved hans barndomshjem – rummer havet fortsat flere mysterier. For at kunne forudsige noget om det klima generationerne efter os vil komme til at leve i, er det nødvendigt, at vi til fulde forstår de mekanismer som styrer klimaet. Her er Golfstrømmen en meget vigtig spiller.

Om Åkandefamilien: I de unge blade er porerne så små, at de kan holde på overtrykket, der udlignes, ved at luften strømmer gennem stænglerne ned til jordstænglen og videre op til de gamle, utætte blade. Trods overtrykket i de unge blade kan der diffundere luft ind fra det lavere tryk udenfor, et fænomen, der er undersøgt i begyndelsen af 1900-t. af Martin Knudsen; efter ham kaldes fænomenet Knudsen-diffusion (se også nedenfor om Knudsen-strømning). Denne indre vind i åkander blev dog først detaljeret beskrevet i 1981, og det har siden vist sig, at den også findes i forskellige sumpplanter, der har stængler nede i iltfrit mudder. Ventileringen har den allerstørste betydning for de økologiske omsætninger her, og den er en af de fysiologiske mekanismer i rodzoneanlæg. Åkanders indre vind Det har været en gåde, hvordan der kan komme tilstrækkelig med ilt gennem de meterlange stængler ned til åkandens store jordstængel i det ilt frie mudder; diffusion vil være alt for langsom. Det har vist sig, at ilten pumpes aktivt af sted, endog i så store mængder, at der kommer 20 gange mere, end der bruges. I en åkande kan der pumpes op til 11/2 l luft i timen, og luftstrømmens hastighed er op til 1/2 m i minuttet. Transporten drives af varme. Bladene varmes op af Solen, og et overtryk, bl.a. fra vanddampen, bygges op inde i bladene. I de store blade udlignes det straks med atmosfæren, fordi luften strømmer ud gennem de store porer.

Indholdsfortegnelse

Foto DTU
Åkandefamilien´s største repræsentant, kæmpeåkande, Victoria amazonica som kan bære en vægt på 45kg, vakte berettiget opsigt, da den første gang blev udstillet i europæiske væksthuse i midten af 1800-t. Den britiske gartner og arkitekt Joseph Paxton var blandt de første, der dyrkede planten, og på denne tegning fra The Illustrated London News, 1849 demonstrerer hans datter bladenes bæreevne. Åkandefamilien, Nymphaeaceae, familie af to-kimbladede vandplanter med ca. seks slægter og 60 arter, udbredt over hele verden. Det formodes at være en primitiv gruppe blandt de dækfrøede, og den kendetegnes bl.a. ved talrige skruestillede blomsterblade og støvblade; visse bygningstræk minder om de enkimbladedes. Åkandefamilien er nært beslægtet med Cabombaceae. Det er kraftige urter med veludviklet jordstængel og langstilkede blade med en stor, afrundet plade, der ligger på vandoverfladen. I Danmark forekommer slægterne åkande (Nuphar) med to arter, bl.a. gul åkande, Nuphar lutea, og nøkkerose (Nymphaea) med én art, hvid åkande, Nymphaea alba; begge er ret almindelige i stillestående eller langsomt strømmende ferskvand. Fra Amazonasområdet kommer kæmpeåkande, Victoria regia eller V. amazonica, der undertiden dyrkes i tropiske væksthuse. Den har flydeblade, der er op til 2 m i diameter og nemt kan bære vægten af fx vadefugle. Ifølge nye resultater er den blandt de basale dækfrøede familier, der ikke har kunnet placeres i en orden.