FOA tar pulsen på Stockholms Gibraltar

I Oxdjupet vid Vaxholm strömmar vattnet åt två håll samtidigt. Skärgården får renat Stockholmsvatten, men det kan förvandlas till ena halvan av en biologisk bomb när det möter Östersjöns vatten i skärgården. I sundet strömmar det alltså åt två håll samtidigt. Hur man mäter de olika strömmarna är ett jobb för FOAs magnetiker.

Av Jan-Ivar Askelin

Isande vårvindar friskar in från skärgården. Några gudingar spanar in villiga ejderhonor innan det är dags att fara på mansläger i ytterskärgården. Kustartilleriets stridsbåtar letar sig morgonsömnigt ut mot öppnare vatten.

Vi står vid Oxdjupet, Stockholms Gibraltar, låset till rikets huvudstad. Den angripare som inte lyckas övertala slussvakten i Södertälje måste ta sig in den här vägen, välkänd för alla som åkt Finlandsfärja.

Oxdjupets militära värde insågs redan av Gustav Vasa som helt sonika satte ett danskfilter i Vaxholm genom att börja fylla igen Oxdjupet och de mindre Vaxholmssunden. Generation efter generation fyllde på med så mycket sten att man till slut kunde går torrskodd över till Värmdö. Under 1800-talet insåg Sverige dock att försänkningarna inte bara stoppade potentiella angripare utan även den snabbt växande handeln. Så stenarna åkte upp igen samtidigt som fästningen Oscar Fredriksborg invigdes 1877 för att bevaka inloppet till Stockholm. Fästningen försvann ur rullorna på sent 1930-tal, men Oxdjupets militära värde varar.

Oxdjupets betydelse för försvar och sjöfart är den ena sidan. Den andra är att Oxdjupet är en navelsträng, en av passagerna för allt det vatten som ska flyta mellan Stockholms stad och skärgården. Den andra passagen är Kodjupet, även denna i Vaxholms närhet, en bit nordväst om Oxdjupet. Det är dock igenom Oxdjupet som huvuddelen av vattenutbytet mellan inre och mellanskärgården sker. I sundet möts två sorters vatten med olika karaktär; det relativt salta havsvattnet från Östersjön och det färskare men ändå aningen bräckta vattnet som kommer från Stockholm. Det råder en så kallad tvålagerskiktning där det saltare (och därmed tyngre) havsvattnet ligger under det färskare (och därmed lättare) Stockholmsvattnet. I det undre skiktet strömmar havsvatten in mot Stockholm medan vattnet i ytskiktet strömmar utåt mot skärgården.

Frågan är hur mycket som strömmar hit och dit i vardera lagret? Kan man mäta hur mycket som strömmar i ena skiktet samtidigt som man mäter hur mycket som strömmar åt andra hållet i det andra skiktet? Och om det fungerar, kan man läsa av resultaten kontinuerligt för hela sundet? FOA-forskarna Peter Sigray, Lennart Crona och Tim Fristedt från Stockholms universitet tror att det går och det är därför vi är - för att lägga sensorer på sundets botten.

Det har prövats förr - i Themsen 1832
Grundidéen är äldre än murarna på Oscar Fredriksborg. Den store vetenskapsmannen Michael Faraday prövade en oxdjupare redan 1832 i Themsen. Han utgick från sin upptäckt att det bildas en induktionsström när en elektrisk ledare rör sig i ett magnetfält. Det är grunden för elmotorer och generatorer. Faraday använde koppar och platina som elektroder och stod på Waterloo Bridge och väntade på att elmätarna skulle ge utslag. De gjorde de inte och det kanske går att skylla på Themsens smutsiga vatten eller den tidens bristande mätprecision. Några decennier senare lyckades några andra vetenskapsmän intyga att Faraday hade rätt.

Faraday visade att när den elektriska ledaren, det strömmande vattnet, rörde sig genom det jordmagnetiska fältet (som finns överallt) så uppstår en ström - som man kan mäta med lämpliga elektroder. Det är just det som är kruxet, att hitta den lämpliga elektroden. Det behövs ett ämne som har bra elektrisk kontakt med vatten och som inte rostar. För om det rostar är det själva rostandet, som är ett elektriskt förlopp, som man mäter.

Två stora genombrott
-Med den sk silversensorn kom det stora genombrottet, säger Peter Sigray när vid står vid kajkanten och tittar på den skulptur av eltejp, plaströr, snören och en gatsten som är det sk genombrottet. Längst inne finns en liten skiva som består av sammanpressade kulor av silver klädda med silverklorid. Vad som händer är att silverkloridskiktet börjar upplösas i vatten och dess klorjoner förenas med vattnets klorjoner. Detta moln av klorjoner är extremt bra på att leda elektrisk ström. Den strömmen fångas upp av silvret. I princip kopplar man bara en sladd till silvret och tar hand om signalen. I verkligheten är det naturligtvis mer invecklat än så.

- Silversensorn har funnits länge, säger Peter Sigray, men den har tidigare varit för dyr. Den har utvecklats av militären och sedan kommit till civila oceanografer. Men den används också i människokroppen för att mäta svaga strömmar.

- Det andra genombrottet är givetvis datorerna och den digitala tekniken, säger Peter Sigray och skruvar på mottagaren för navigationssatelliterna.

I den nya digitala världen råder inte bara millimeterprecision. Man kan också mäta ytterst svaga strömmar.

Efter Faraday har inte tekniken gjort något större väsen av sig. Före de genombrott som nu har kommit har den inte lockat många. Under andra världskriget tros den ha använts som positionsbestämning till sjöss och på 1950-talet mättes strömmarna mellan Florida och Kuba. Man kunde konstatera att det förekom sk eruptiva strömförhållanden, dvs kraftiga och plötsliga ökningar av strömmen. Någon bra förklaring dök dock inte upp.

Oxdjupet är en modell av Öresund
- Det nya med FOAs forskning är att vi mäter nära kust och på grunda vatten, säger Peter Sigray. Att det är vår nisch är ju inte så konstigt. Vi arbetar ju med förhållandena i Östersjön och det är ett hav som någon liknat vid ett A 4 papper, brett och tunt. Historien bakom försöket vid Oxdjupet är att oceanografer vände sig till FOA. De kände till Faradays gamla elektrodmetod och behövde en mätmetod för kontinuerlig övervakning av vattenflöden i sund som Oxdjupet eller Öresund. Så, kunde FOA hjälpa till? Jo, magnetikerna vid FOA hade erfarenhet av mätningar, kände till den elektromagnetiska störande bakgrundsmiljön, hade sensorerna och mätmetoderna. Så det var bara att sätta igång. Prov vid Ven i Öresund och Björnsundskanalen i Bohuslän visade att man var på rätt spår (FOA-tidningen 3/96). Allt fungerade, men det visade sig att man fått ytterligare ett problem att lösa, nämligen att vattenflöden nära kusten ofta består av två lager, ett underliggande saltvattensskikt och ett sötvattensskikt. Dessutom rör sig skikten oftast åt olika håll.

- Vi kan få det totala flödet till noll, om strömmarna går lika fort åt olika håll, säger Peter Sigray. Oxdjupet var ett lämpligt ställe att mäta på. Här finns oftast två skikt, och Oxdjupets förhållande till skärgården en nedskalad version av Öresund och Östersjön. Det är ju Östersjön som är vårt riktiga mål.

Stor nytta för kustnära kommuner
- Kan man mäta flödena i dessa skikt är det en fantastisk mätmetod, det säger Tim Fristedt som är doktorand under professorn och oceanografen Peter Lundberg. Dessutom kan dagens mätinstument inte ge både skikttjocklek och vattenflöde. Man är hänvisad till strömmätningsinstrument i kombination med salt- och temperatursonderingar, vilket gör att man måste ut med båt och göra mätningarna ändå. Men med den nygamla elektromagnetiska metoden kan vi torrskodda sitta inne och kontinuerligt mäta vattenflödet.

- Nästan alla kustnära kommuner släpper ut sitt renade avfall i vattnet och de har stor nytta av att veta hur skikten flödar och samverkar med varandra. Det är inte oviktigt att veta vart avloppet tar vägen; om det rinner bort från kusten eller tillbaka. Det kan ha betydelse för vilka ämnen man ska ta bort eller ha kvar i avloppsvattnet.

Det finns akustiska vattenströmsmätare som kan mäta hur vattnet flödar på olika djup. Den arbetar med den sk dopplereffekten och mäter skikten meter för meter. En sådan finns i Oxdjupet som en sorts facit. Men det är ett exklusivt instrument som inte kan ligga ute någon längre tid. Utmaningen var att göra samma sak med silversensorerna.

- Jag funderade länge på hur man skulle göra, men kunde inte komma på det. Vi hörde oss för hos ledande experter och fick viss hjälp på vägen, säger Peter Sigray. Så plötsligt stod det klart. Det är naturligtvis så här man ska göra!

Gåtans lösning låter sig inte förklaras i detalj, men på nästa uppslag visas hur det fungerar. En sensor i mitten av sundet mäter styrkan i den elektriska strömmen som vattenflödet alstrar. Denna sensor ligger i samma riktning som det elektriska fältet, så där är riktningen inget att räkna med. Invid land ligger en annan sensor. Den mäter också styrkan men även det elektriska fältets riktning. Fältets form förändras när skiktets djup ändras. Om fältet liknas vid en boll så inser man att vinklarna ändras om bollen plattas till. Ändras inte vinklarna utan bara styrkan så går vattnet fortare. Ändras både styrkan och vinklarna så går det fortare och skiktet har ändrats. Ändras bara vinklarna har skiktet ändrats, men vattenvolymen som passerar är densamma.

- Vad som händer är inte helt självklart först. Man måste ställa olika parametrar mot varandra och utesluta vissa saker, säger Peter Sigray.

Risk för övergödning
En som med lika stor spänning som FOA-forskarna väntar på resultaten är Anders Engqvist, kustoceanograf vid institutionen för systemekologi vid Stockholms universitet. Han är expert på hur vattnet flödar mellan Stockholms inre skärgård och vattnen utanför. Strömningsläran för detta område uppvisar vissa likheter med elläran och flödessystemet för strömmarna i Stockholms vatten ser följaktligen ut som ett elektriskt kopplingschema med motstånd och allt. Anders Engqvist bevakar skärgårdens närsaltsutbyte och kan konstatera att finns orsak till farhågor. Risken för övergödning är ett problem. Med mer kunskap, som t ex FOAs mätningar i Oxdjupet, kan vi kanske bättre förstå hur vi kan minska dessa problem.

- Den inre skärgården var illa ute redan vid sekelskiftet, säger Anders Engqvist. Långt in på 1930-talet gick latrinpråmarna ut en liten bit från Stockholm och dumpade allt i vattnet.

- Vattnen mellan Stockholm och Vaxholm var i uselt skick och man förstod att det hade något att göra med Oxdjupet så i mitten på 1940-talet plockades mer sten bort och djupet ökades till cirka 20 meter.

Därmed var ett problem ur världen. Syrerikt vatten strömmade in från Trälhavet och allt såg bra ut. Men fortfarande gick avloppet från stockholmarna orenat rakt ut i vattnet. Och Stockholm höll på att bli en miljonstad.

- Nu byggdes de stora reningsverken och i mitten av 1970-talet kunde man bada mitt inne i stan och dricka ytvattnet, säger Anders Engqvist.

Farligt möte mellan vattenmassor
Stockholm hade gått från en av världens smutsigaste städer till en av de renaste. Themsen, Seine, Hudson River är kloaker jämfört med Riddarfjärden. Så varför ska man klaga? Dessutom kommer vattnen att skonas från att stora regn sopar ut gatsmutsen.

- Jo, säger Anders Engqvist, det har att göra med reningsfilosofier. Vi har valt att i första hand ta bort fosfater från avloppet, dvs bl a rester från tvättmedel. Det betyder att kväveanrikat men fosfatfattigt ytvatten rinner ut i skärgården. Men i Östersjön finns fosfatrikt bottenvatten och där dessa vattenmassor blandas om finns förutsättningar för sk blomning, dvs tillväxt av plankton. Dessa sjunker så småningom till botten och tär där på syreinnehållet i vattnet. Om detta blir noll, accelererar remineralisationen av närsalter i de ackumulerade bottensedimenten. Då startar en ond cirkel med mer växtlighet, mer sedimentation som dämpar vattencirkulationen och så ökar växtligheten osv.

-Man vill att vattenlagren med förhöjda halter av olika produktionsgynnande närsalterna möts utanför den skärgård man vill bevara, säger Anders Engqvist.

Naturen tillhandahåller en gratis reningstjänst som kallas denitrifikation. Genom denna process omvandlas lösta kvävesalter i vattnet till för de flesta organismgrupper biologiskt otillgänglig kvävgas. Blågröna bakterier utgör undantaget. De kan fixera löst kvävgas, vilket komplicerar bilden. För att förutsäga vad som händer har ekologerna modeller. Ju bättre värden man stoppar in i modellerna desto bättre svar får man. Ett viktigt värde är hur det strömmar i Oxdjupet - inte bara tredje måndagen i varje månad - utan timme för timme.

- En klok och genomtänkt reningspolicy grundad på förståelsen av hela systemets funktion, dvs reningsverk, sötvattenavtappning kopplat till skärgårdsrecipienten, medför att vi kan åstadkomma en effektivare vattenvård än i idag. I bland kanske det är bra att släppa ut fosfaterna och hålla igen på kvävet. Ibland kanske man ska släppa på mer vatten i Norrström osv.

Så kan en oceanograf och ekosystemforskare hoppas. FOA-forskarna ser framför sig EU-pengar till ett internationellt östersjöprojekt. EU vill satsa på forskning som på något sätt är ny och kan ge nya jobb.

-Här borde vi passa in, säger Peter Sigray. Vi tror oss kunna visa att vår metod fungerar och att den kan leda till en kontinuerlig övervakning av Östersjöns flöden. Det är ju inte bara ett svenskt intresse. Närmast till hands kan man tänka sig samarbete med Danmark och Tyskland.

Störande magnetiskt dunk från Roslagsbanan
Och hur går det ute i Oxdjupet där sensorerna ligger på botten under Finlandsbåtarna?

Om detta vet Peter Sigray och hans kolleger ännu inget.

- Sensorerna ger oss signaler och de är olika vilket vi förväntat oss. Men innan vi har gjort analysen kan vi inte säga om metoden fungerat. Det elektromagnetiska bakgrundsbruset är betydande där ute. Vi ser tydligt hur Roslagsbanans tåg far fram över skenskarvarna.

Och att känna den elektromagnetiska miljön hör till forskarnas andra sida, den militära. Den har funnits sedan Gustav Vasas dagar. I dag vakar radar och TV-kameror över Oxdjupet. Och FOAs sensorer i djupet.

Från FOA-tidningen nr 3-1997 - www.foi.se/framsyn