Слава Кан - Океан и атмосфера

За 5 млрд. лет существования Земли Солнце непрерывно обеспечивает ее колоссальным потоком энергии, циркулирующей во внешних оболочках нашей планеты.

На поддержание циркуляции в атмосфере и океане расходуется 0,49 кал/см 2* мин. Радиационный баланс подстилающей поверхности имеет решающее значение для атмосферной циркуляции.

Под воздействием ветров поверхностный слой океана постоянно перемешивается примерно до глубины 100 м. Между 60° с. ш. и 60° ю. ш. наибольшим поглотителем тепла является Тихий океан, далее — Индийский и Атлантический. Первым расчет теплового баланса произвел В. В. Шулейкин на примере Карского моря. Позднее такие расчеты были сделаны для Баренцева, Каспийского и других морей страны. Весьма важен баланс верхнего перемешанного слоя моря. В настоящее время составлены атласы среднемесячных значений составляющих теплового баланса для всего Земного шара. По мере накопления новых данных вносятся уточнения. Выяснилось, что для морских условий не всегда применим метод; принятый для расчета баланса над сушей.

Тепловой баланс моря складывается из следующих статей прихода и расхода:

приход тепловой энергии в виде солнечной радиации — прямой и рассеянной;

приход тепла, получающегося при конденсации водяных паров на водной поверхности;

приход тепла, выделяющегося при ледообразовании;

потери тепла на эффективное излучение поверхности моря;

потери тепла на испарение;

потери тепла в результате таяния льда;

теплообмен с воздухом — положительный или отрицательный, в зависимости от того, что в данный момент и в данном месте теплее или холоднее;

внутриводный теплообмен, осуществляемый переносом тепла вместе с массой воды и перемешиванием водных частиц.

Строго говоря, необходимо учитывать также приток и потерю тепла, связанные с движением самих вод. Аналогичным образом может быть составлен приходо-расходный реестр тепла для атмосферы. В тепловой баланс подстилающей поверхности входят радиационный баланс, поток тепла из атмосферы, обусловленный турбулентной теплопроводностью, поток из почвы (или воды) и расход тепла на испарение.

Для подсчета теплового баланса поверхности океан — атмосфера В. И. Карачев [1978] предложил использовать уравнение, учитывающее поглощенную солнечную радиацию (разность между суммарной и отраженной радиацией, полученной из непосредственных экспедиционных наблюдений); затраты тепла на испарение; турбулентный теплообмен между поверхностью океана и атмосферой; эффективное излучение поверхности океана.

Анализируя расчеты, Карачев сделал вывод, что величина составляющих теплообмена зависит от конкретной синоптической ситуации. Циркуляционные возмущения в атмосфере приводят к усилению взаимодействия океана и атмосферы и потере тепла поверхностью океана. При прохождении пассатного фронта турбулентный теплообмен за фронтом увеличивается в 3–4 раза, а затраты тепла на испарение — в 2 раза.

Статьи прихода и расхода тепла могут быть получены непосредственно из наблюдений. Но практически это слишком сложно, а подчас и невозможно, из-за отсутствия достаточно точных приборов, условий и многих других причин. Поэтому составляющие теплового баланса, как правило, рассчитывают косвенными методами, используя основные метеорологические наблюдения над температурой, влажностью, ветром, облачностью и др.

Расчеты теплового баланса нашли широкое применение в морских прогнозах. Баланс исчислялся по упрощенной формуле, состоящей из трех частей. В первую часть, учитывающую процессы испарения и теплообмена, входили температура воздуха и воды, а также влажность; во вторую — коротковолновая радиация (зависимость от поглощенной радиации); в третью — длинноволновая радиация.

Даже не совсем совершенные методы расчета теплового баланса помогают понять сложные процессы, происходящие в океане и атмосфере.

Таким образом, можно сказать, что приходо-расходная книга тепла, о которой мечтал Воейков, заведена и постоянно обновляется. Более того, появляются в этой области и ранее неизвестные проблемы, в частности возможность влияния на некоторые приходо-расходные статьи баланса. Такое воздействие может быть и независимым от воли человека. В 1883 г. произошло грандиозное извержение вулкана Кракатау. Частицы, вылетевшие из жерла вулкана и попавшие в стратосферу, благодаря медленному падению и горизонтальному перемешиванию распространились вокруг Земли довольно равномерно. При этом способность верхней атмосферы отражать солнечную радиацию увеличилась столь значительно, что в течение нескольких лет средняя годовая температура по сравнению со средней многолетней понизилась на 0,5–1 °C.

Мы уже знаем, что различия в температурах между полярными и экваториальными областями, поддерживаемые обменом излучения между Землей и окружающим пространством, составляют причину общей циркуляции земной атмосферы. Извержение Кракатау наводит на мысль, что такую разность температур можно создать искусственно, распространяя тонкую пыль в атмосфере. Есть и другие предложения, в частности связанные с возможностью растопить морские льды. Одним из них является проект покрытия полярных шапок Земли угольной пылью.

Проблема управления термическими и другими процессами в океане все более приближается к реальности. В то же время продолжается изучение связей, существующих в природе, многое в которых еще неясно. К ним, в частности, относится влияние циклонических возмущений в атмосфере на изменение поля температуры и циркуляцию поверхностных вод океанов. Данный вопрос Л. С. Минина и В. Д. Пудов изучали на примере прохождения тайфуна Трикс. Он развился 10 июля 1978 г. из тропического возмущения в виде обширного облачного скопления над поверхностью тропической зоны Тихого океана с температурой 27–28°. С 8 по 13 июля температура воды существенно не менялась. Но по мере увеличения площади скопления и усиления ветра поверхностная температура океана начала меняться. Тропический циклон двигался до 15 июля на запад, потом замедлил движение, описал петлю, направился на юго-восток и с 19 июля вновь восстановил западное направление. На первом этапе западного движения Трикса (с 14 по 18 июля) циклон активно углублялся, давление в центре упало от 1004 до 975 мб, а ветер усилился от 35 до 70 узлов [3] Узел — морская мера скорости движения (1 морская миля в час). 1 узел ≈ 0,5 м/с. . Развившийся тайфун вовлек в циклоническую циркуляцию поверхностные слои воды, что отчетливо показали карты изотерм. Совпадавшее вначале с траекторией тайфуна положение изотермы 28 °C затем переместилось (и несколько деформировалось) на юго-запад на 400–500 км. Это указывает на то, что в передней части тайфуна произошло понижение температуры (в акватории 135°—140° в. д.), связанное с переносом охлажденных поверхностных вод под действием ураганного ветра. А в тыловой части тайфуна по той же причине произошел нагон теплых поверхностных вод. Они продвинулись к востоку и северо-востоку столь же значительно. Таким образом, и воды, и воздух совершили циклоническое движение с естественным инерционным запаздыванием по отношению к усилению ветра в тайфуне Трикс. Кроме того, прохождение тайфуна вызвало образование гидрологического холодного фронта в передней части циклона и теплого — в тылу. Изменение температуры в поверхностном слое воды составило примерно 1 °C.