подповерхностного противотечения здесь ниже, чем в ядре течения
Ломоносова.
В Тихом океане ядро повышенной солености в термоклине на экваторе отсутствует. Область повышенной солености в подповерх ностном слое здесь располагается к югу от экватора в центральной части океана. Наибольшие значения солености до 36,5%0 наблюда ются между 10 и 20° ю. ш. В западной части океана, где форми руется течение Кромвелла, соленость имеет примерно те же зна чения, что и в восточной. Вследствие этого течение Кромвелла не отличается какими-либо характерными особенностями в поле соле ности.
Общие черты экваториальных подповерхностных течений в Ти хом, Атлантическом и Индийском океанах свидетельствуют о том, что они возбуждаются и поддерживаются одними и теми же си лами. Однако условия формирования этих течений в каждом оке ане) имеют особенности, что, в свою очередь, приводит к некото рому различию в структуре течений.
Внастоящее время проведены значительные исследования как
унас, так и за рубежом, посвященные теории подповерхностных экваториальных противотечений.
Основными причинами их возникновения следует признать ха
рактер атмосферной циркуляции экваториальной зоны, наличие пулевого значения отклоняющей силы вращения Земли на эква торе при значительном ее возрастании с удалением от него (|3-эф- фект), конфигурацию берегов, рельеф дна. Определенное значение имеет и вертикальное распределение температуры и солености, ко торое связано с приходом и расходом тепла (тепловым балансом
океана).
Районы с преобладанием приливных течений охватывают зоны шельфа океанов и окраинные моря, где скорости течения дости гают 0,5—0,8 узла. В проливных зонах они могут достигать 12 уз лов. В открытых районах океанов скорости приливных течений обычно не превышают 0,2—0,3 узла.
Приведенные данные о течениях Мирового океана освещают их общий режим. Конкретные значения течений в одном и том же районе подвержены значительной временной изменчивости и их мо жно рассматривать как случайный процесс. Поэтому для их харак теристики используют аппарат теории вероятностей. Возможности такого подхода показаны выше на примере приложения теории случайных функций к расчету реальных морских течений.
Глава X
ОКЕАН И АТМОСФЕРА
§ 54. О взаимодействии процессов в океане и атмосфере
Проблема взаимодействия океана и атмосферы на современ ном этапе является центральной. Трудно назвать научно-исследо вательские институты или кафедры высших учебных заведений, где бы не рассматривались в той или иной форме вопросы взаимодей ствия приводного слоя атмосферы и поверхностного слоя океана. Это взаимодействие, по-видимому, удобно разделить на динами ческое и тепловое.
Вопросы динамического взаимодействия, доведенные до уровня возможностей их практического использования (ветровые волны, течения, колебания уровня) изложены выше в соответствующих главах. Более детальный анализ турбулентного (динамического) взаимодействия пограничных слоев океана и атмосферы рассмот рен в монографии С. А. Китайгородского. Поэтому в данной главе обращено основное внимание на некоторые общие аспекты указан ной проблемы и в основном на тепловое взаимодействие.
Единство основных источников энергии в океане и атмосфере.
Основным источником энергии в океане и атмосфере служит Солнце. Поток солнечной радиации при среднем расстоянии от Земли до Солнца приблизительно равен 1000 ккал/см2 -год. Вслед ствие шарообразной формы Земли на единицу поверхности верхней
границы атмосферы в среднем поступает |
часть общей величины |
потока, т. е. около 250 :ккал/см2 • год. Из |
них поверхностью Земли |
и атмосферой поглощается приблизительно 167 ккал/см2 • год. При этом основная часть поступающей солнечной радиации — около 3Д общего количества, т. е. 126 ккал/см2 • год, достигает поверхности Земли (71% которой занимает океан). Вследствие отражения ко
ротковолновой |
радиации от поверхности Земли, |
составляющей |
в среднем 14%, |
земной поверхностью поглощается |
108 ккал/см2Х |
Хгод. Атмосферой поглощается 59 ккал/см2 - год.
Поверхность Земли (суши и океанов) в результате нагрева под воздействием солнечной радиации сама становится источником длин новолнового излучения, часть которого поглощается атмосферой.
Поглощение реальной атмосферы благодаря наличию в ней водяного пара, газов и пыли больше поглощения полностью проз рачной атмосферы. Длинноволновое излучение приводит одновре менно к охлаждению поверхности Земли. Это охлаждение в усло виях реальной атмосферы значительно меньше по сравнению с пол ностью прозрачной атмосферой (не содержащей водяного пара, пыли и других примесей), так как происходит частичный возврат тепла к поверхности Земли. Уменьшение длинноволнового излуче ния поверхности Земли атмосферой получило название «оранже рейного эффекта». Роль защитного стеклянного покрытия оран жерей, пропускающего коротковолновую радиацию и задерживаю щего длинноволновую, играет в данном случае атмосфера.
Общее количество длинноволнового излучения поверхностью Земли равно 36 ккал/см2 • год.
Теплообмен между атмосферой и поверхностью Земли не огра ничивается обменом лучистой энергией. Значительное перераспре деление тепла по вертикали между атмосферой и поверхностью
Земли осуществляется в результате влагообмена, |
при |
котором |
тепло, затрачиваемое на испарение с поверхности Земли |
(океана)* |
передается атмосфере |
при конденсации влаги (60 |
ккал/см2 • год) v |
а также и в процессе |
турбулентного теплообмена |
( 1 2 ккал/см2 X |
Хгод). Следовательно, за счет испарения и турбулентного тепло обмена атмосфера получает около 60% всей поглощенной тепло вой энергии. В мировое пространство излучается то же количество тепла, которое поступает к верхней границе атмосферы, т. е. 167 ккал/см2 - год. Из них на излучение земной поверхности падает 36 ккал/см2 • год, а атмосферы — 131 ккал/см2 • год.
Наряду с перераспределением тепла в вертикальном направле нии, в океане и атмосфере осуществляется значительное пере распределение тепла и в горизонтальном направлении между высокими и низкими широтами, которое связано с океанскими и воздушными течениями. Перенос тепла течениями существенно ска зывается на тепловом режиме вод океана и атмосферы, проявляю щемся в распределении температуры воды и воздуха. На картах аномалий температуры воды на поверхности океанов (приложе ние 2 ) четко выделяются «языки» тепла, связанные с районами теплых течений, таких, как Гольфстрим, Куросио и др. В темпера турный режим атмосферы вносятся весьма существенные поправки воздушными течениями, которые наглядно демонстрируются дан ными табл. 38, в которой приведены средние годовые значения фактической температуры воздуха для северного и южного полу шарий и солярной, т. е. температуры, которая наблюдалась бы при отсутствии воздушных течений.
Наряду с основным источником энергии для океана и атмо сферы — солнечной радиацией, следует отметить и некоторые дру гие, которые играют заметную роль при рассмотрении некоторых процессов. К их числу следует отнести прежде всего энергию приливов, обусловленную действием сил притяжения Луны и Солнца.
Т а б л и ц а 38
Сравнение фактических и солярных среднегодовых температур воздуха (град.) для различных широт
|
|
|
|
Ш ирота, |
град |
|
|
|
Температура |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
|
Солярная |
32,8 |
31,6 |
28,2 |
22,1 |
13,7 |
2,6 |
-1 0 ,9 |
-2 4 ,1 |
-3 2 ,0 |
Фактическая для |
26,2 |
26,6 |
25,3 |
20,4 |
14,1 |
5,8 |
-1 .1 |
-1 0 ,7 |
-1 7 ,2 |
северного полу- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
южного полу |
26,2 |
25,3 |
22,9 |
28,4 |
11,9 |
5,8 |
- 3 ,4 |
-1 3 ,6 |
-2 7 ,0 |
шария |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В океане приливы играют заметную роль, вызывая периодиче ские колебания уровня и периодические течения, которые сказыва ются на общем состоянии вод океанов и его динамике. Роль при ливов в атмосфере менее существенна по сравнению с другими процессами, определяющими физическое состояние атмосферы — погоду.
Для океанов помимо энергии приливов в некоторых случаях необходимо учитывать энергию, поступающую от внутренних ча стей Земли. Хотя она и составляет сотые доли процента солнечной радиации, но может оказывать некоторое влияние на физическое состояние глубинных вод океана, непосредственно прилегающих ко дну.
Общность |
физических законов, |
управляющих процессами |
в океане и |
атмосфере. Океан и |
атмосфера характеризуются |
не только общностью источников энергии, но и общностью тех фи зических законов, которые управляют протекающими в них про цессами. Как при решении задач о физическом состоянии и дина мике вод океана, так и атмосферы широко используются законы термогидродинамики. Особенности приложения этих законов опре деляются прежде всего тем, что при изучении океанов они приме няются к жидкости, которая может считаться несжимаемой, а при изучении атмосферы — к газу.
Тем не менее, сопоставляя решения тех или иных задач дина мики вод океана и атмосферы, мы легко убеждаемся в единстве используемого аппарата и исходных уравнений. Действительно, основными уравнениями термогидродинамики, используемыми
вокеанографии и метеорологии, служат уравнения движения и уравнения неразрывности. К ним, в зависимости от поставленной задачи, добавляются уравнения статики, состояния, диффузии, теп лопроводности, баланса энергии турбулентности и др.
Решение указанных уравнений применительно к водам океана
вобщем случае проще, чем для атмосферы. Это обусловлено пре жде всего тем, что при решении некоторых океанографических за дач допустимо принимать в первом приближении плотность воды постоянной. Кроме того, устойчивость процессов в океане больше,
чем в атмосфере, что позволяет принимать процессы, протекаю щие в океане, как установившиеся. В частности, при изложении теории волн, морских течений широко были использованы эти до пущения. Напротив, при рассмотрении процессов, протекающих в атмосфере, плотность не может быть принята постоянной, асами процессы только в редких случаях можно считать установивши мися вследствие большой изменчивости физического состояния ат мосферы во времени. Кроме того, исследование процессов в атмо сфере усложняется фазовыми вращениями атмосферной влаги (конденсация и сублимация водяного пара). Тем не менее в разви тии теории и методов прогнозов погоды достигнуты значительно большие успехи, чем в гидрологических прогнозах. Так, например, в настоящее время вошли уже в оперативную практику гидроди намические методы прогноза полей давления, ветра и температуры на различных уровнях, в то время как для океана еще нет даже удовлетворительных методов расчета, а не только прогноза полей, течений и температуры при заданных внешних условиях.
Такое положение объясняется двумя основными причинами. Первая состоит в том, что Мировой океан разделен на части кон тинентами, наличие которых существенно усложняет решение задач динамики вод океана. Вторая, не менее важная причина, — это от
сутствие подробной синхронной и систематической |
информации |
о физическом состоянии вод океана, получаемой для |
атмосферы |
с сети гидрометеорологических станций. Вполне понятно, что орга низация стационарной сети станций в Мировом океане, аналогич ной сухопутной, задача весьма сложная. Поэтому в настоящее время стремятся организовать в более широком масштабе попутные гидрометеорологические наблюдения на судах, использовать авто матические гидрометеорологические станции и искусственные спут ники Земли, увеличить число специальных океанографических судов с целью получения систематической информации о физическом со стоянии вод океана и изучения процессов, происходящих в нем. Достигнуто соглашение о создании объединенной глобальной си
стемы океанских |
станций — программа |
ОГСОС, |
в соответствии |
с которой уже |
начаты исследования |
как у нас, |
так и за ру |
бежом.
Наряду с широким использованием в океанографии и метеоро логии строгих методов гидро- и термодинамики в последние годы все большее применение находят методы теории вероятности. По следние, как показано выше, используются в теории турбулентно сти, при изучении морского волнения, течений и т. п. Следует пола гать, что дальнейшее развитие теории должно строиться на разум ном сочетании методов гидродинамики и теории вероятности при широко поставленных натурных наблюдениях и лабораторных ис следованиях.
Возможные пути комплексного изучения системы океан — атмосфера. В настоящее время ни у кого не возникает сомнений в необходимости комплексного изучения системы океан—атмо сфера, так как обе подвижные оболочки нашей планеты, подвер
