14. Погода и мировой океан

Мировой океан представляет собой не только колоссальный резервуар воды, но и огромное хранилище запасов тепла, постоянно поступающего в атмосферу и тем самым определяющего условия погоды на Земле. Кроме того, океанская вода - активнейший поглотитель углекислого газа, содержащегося в атмосферном воздухе, и место обитания бесчисленного количества микроскопических водорослей, вносящих большой вклад в снабжение земной атмосферы кислородом (путем фотосинтеза). Следовательно, Мировой океан выполняет функции легких нашей планеты, способствует сохранению постоянного состава воздуха. Наконец, на поверхности Мирового океана в полярных областях Земли находятся морские льды, площадь которых составляет от 14 до 28 млн. км² и подвержена значительным колебаниям в зависимости от сезона и состояния самого океана. В результате весь механизм атмосферной циркуляции, а следовательно и формирования земного климата и условий погоды, самым тесным образом связан с Мировым океаном. Колебания теплозапасов в любом из пяти океанов Земли, изменения интенсивности океанских течений, размеров площади морских льдов - все это неизбежно влечет за собой крупномасштабные изменения погоды, длительное время - на протяжении нескольких сезонов, а то и лет - ощущающиеся в тех или иных географических регионах. Поэтому изучение взаимодействия океана и атмосферы - одна из самых важных задач современной метеорологии и родственных ей наук. От успеха решения этой задачи зависит и возможность решения одной из самых трудных научных проблем нашего времени - проблемы долгосрочного предсказания погоды.

Академик Л. М. Бреховских называет сумму проблем, связанных с изучением океана, вызовом науке. Так велико количество требующих решения научных вопросов и так велико их значение для человечества в целом. Немалое место среди этих вопросов принадлежит метеорологии. Некоторые из них мы рассмотрим в этой главе.

14.1. Чем объясняется настойчивое стремление метеорологов ввести в задачу долгострочного прогноза погоды учет состояния океанов?

Поскольку тепловые запасы атмосферы относительно невелики, то невелика и так называемая тепловая память атмосферы, то есть влияние ее текущего состояния на будущее состояние. Влияние это ограничивается 10- 20 днями. Отсюда все трудности составления долгосрочных прогнозов погоды на основе анализа характеристик атмосферы в исходный момент времени.

Большие тепловые запасы океана обусловливают его большую тепловую память и способность, отдавая тепло атмосфере, длительно влиять на распространение в ней температуры, влажности и т. п. Вот поэтому идея использования данных о колебаниях теплозапасов вод океана для прогноза колебания состояния атмосферы в различные сезоны представляется перспективной и усиленно разрабатывается метеорологами в долгосрочном плане.

14.2. Насколько велики теплозапасы Мирового океана по сравнению с земной атмосферой?

Теплозапасы Мирового океана на три порядка превышают теплозапасы земной атмосферы: соотношение между ними составляет приблизительно 1600:1. Это объясняется как большей массой и большей плотностью вод океана по сравнению с воздухом атмосферы, так и значительно большей теплоемкостью воды. Относительно малые тепловые запасы атмосферы обусловливают и меньшую ее способность сохранять неизменным свое состояние, то есть большую изменчивость во времени ее основных характеристик, или, другими словами, большую нестабильность. Инерция в развитии процессов в водах океана в десятки раз большая, чем в воздухе атмосферы.

Соответственно и влияние атмосферы на состояние воды в океанах менее устойчиво и менее значительно, чем влияние океана на состояние атмосферы.

14.3. Сколько тепла отдает океан атмосфере на разных широтах?

Средний годовой радиационный поток тепла с поверхности океана в атмосферу, согласно расчетам, выполненным норвежским ученым X. Свердрупом (1942), составляет от 1150 Дж/(сут · см²) в экваториальной области до 418 Дж/(сут · см²) на широте 60°. Суммарное количество тепла, переносимое из океана в атмосферу в низких широтах, круглый год остается примерно одинаковым, а по широте 60° оно колеблется от 850 - 1250 Дж/(сут · см²) зимой до 0 - 200 Дж/ (сут · см²) летом.

В течение года отдача тепла теплыми океаническими течениями в атмосферу превышает поступление радиационного тепла.

14.4. Насколько значительно влияние океана на температурный режим атмосферы?

Мировой океан является устойчиво работающим нагревателем земной атмосферы. Его поверхность отражает незначительную часть падающих на Землю солнечных лучей, большая же часть солнечного тепла поглощается водой океана. Запасая летом тепло, океан постепенно отдает его атмосфере в холодную часть года. Это происходит многими путями: он нагревает воздух непосредственно над своей поверхностью, излучает тепло, поглощаемое содержащимся в воздухе водяным паром и углекислым газом, отдает тепло на испарение воды, пары которой затем при конденсации нагревают воздух, и, наконец, выделяет тепло в воздух вместе с мельчайшими каплями водяных брызг, уносимых ветром с его поверхности при волнении. Конечно, с атмосферным воздухом взаимодействует, нагревая его, не вся толща воды океана, а лишь его поверхностный слой. Реальное значение имеют изменения температуры воды на поверхности океана на десятые доли градуса.

14.5. Насколько прогревается вода в океане солнечными лучами?

Солнечные лучи существенно прогревают только верхний слой океана толщиной всего в несколько метров. Нагретая вода не опускается вниз, будучи по удельному весу легче холодной глубинной. Перемешивание воды при волнении моря в какой-то степени способствует распространению тепла от верхних слоев к нижним. Так, в тропических морях верхний слой воды может иметь температуру выше 25°С (над отдельными участками океана даже выше 28°С), а на глубине 1 км температура воды не превышает 5°С. Ученые и инженеры работают над проблемой использования этой постоянной разности температур в качестве источника энергии.

14.6. Каковы колебания температуры воды в Мировом океане?

Самая высокая температура поверхности воды в океане - вблизи экватора: 28°С. Здесь же она испытывает наименьшие колебания в течение года, всего в пределах 2,2 - 2,4°С. В замкнутых морях и низких широтах температура может достигать 32°С. Минимальная температура поверхности океана - в полярных районах, у кромки морских льдов, где в зависимости от солености воды она колеблется от -1,5 до - 1,9°С. Годовая амплитуда изменений температуры воды в океанах в умеренных широтах северного полушария превышает 10°С, а в южном полушарии 5°С. Сезонные колебания температуры воды в океане ощущаются как значительные до глубины 100 м, то есть в поверхностном слое, в котором режим температуры определяется тепловым балансом на поверхности воды. На глубине около 200 м годовые колебания температуры воды невелики, они составляют несколько градусов и происходят с полугодовым запаздыванием; минимальная температура наблюдается в конце лета.

14.7. Какова роль Мирового океана в регулировании содержания СО2 в атмосферном воздухе?

По данным, полученным в период МГГ (1957/58), средняя концентрация СО₂ в атмосферном воздухе равна 314,5 · 10^-6, а в отдельных регионах ее колебания составляют около 6 · 10^-6 (шесть частей на миллион). Ежегодное увеличение концентрации углекислого газа в воздухе в начале 60-х годов оценивалось в 0,72 · 10^-6, что составляет примерно половину поступления его в атмосферу от сгорания ископаемого топлива. Вторая половина поглощается растительными организмами в ходе процессов фотосинтеза, при этом более ⁵/₆ поглощения происходит на поверхности Мирового океана и только около ¹/₆ - на суше.

14.8. Куда девается поглощаемый из воздуха морскими растениями углекислый газ?

Углекислый газ диффундирует в морскую воду и растворяется в ней с той же скоростью, с какой ее усваивают из морской воды микроскопические водоросли, развивающиеся в верхних слоях океана, где солнечного света достаточно для осуществления фотосинтеза. Поедаемые морскими животными растения, как и некоторая часть отмирающих водорослей, в последующем превращаются в оседающие на дно известковые отложения - соли угольной кислоты.

14.9. Как образуется морской лед?

Образование морского льда начинается с появления ледяных кристаллов, возникающих как на поверхности моря, так и в толще воды, когда температура воды при обычной ее солености 35‰ падает до -1,91° С. Между кристаллами сохраняются незамерзшие капли рассола, имеющие большую плотность и более низкую температуру замерзания. Всплывая, кристаллы образуют на поверхности моря сперва тонкую ледяную корку, которая постепенно становится толще, нарастая снизу. Подо льдом происходит процесс перемешивания - погружение более плотной, охлажденной у его поверхности воды и подъем воды менее плотной, относительно теплой. Таким образом, с момента достижения температуры замерзания на поверхности моря в толще морской воды возникает механизм конвекции, способствующий теплообмену в поверхностном слое моря. Важное значение имеет при этом тот факт, что наибольшую плотность соленая морская вода имеет при температуре ниже температуры ее замерзания на поверхности (в отличие от пресной воды, плотность которой наибольшая при 4°С, то есть при положительной температуре) .

Решающую роль в этих процессах играет изменение солености воды с глубиной. Если соленость воды с глубиной не изменяется, то образование льда может начаться только после охлаждения до точки замерзания всей толщи воды, до самого дна: конвекция в однородно соленой воде начнется сразу же после охлаждения поверхности воды и не прекратится до тех пор, пока на всех глубинах температура воды не достигнет минимального значения. Другими словами, в тех местах океана, где соленость воды с глубиной не меняется, образование льда невозможно. Иная картина на тех участках океана, где верхний слой распреснен и соленость воды с глубиной быстро возрастает: здесь перемешивание вод по глубине затруднено, поступление тепла из глубин океана невелико и тонкий верхний слой воды, отдав свои запасы тепла в атмосферу, неизбежно замерзает. Отсюда повсеместное распространение морских льдов на поверхности Северного Ледовитого океана, верхний слой вод которого распреснен и быстро охлаждается, тогда как глубинные, более соленые и относительно теплые его воды, поступающие из Атлантики, не будучи вовлеченными в процесс конвективного перемешивания с поверхностными водами, не отдают свое тепло и, таким образом, не препятствуют образованию морских льдов.

14.10. Чем определяется толщина морского льда?

Скорость нарастания морского льда зависит от температуры его поверхности, толщины снежного покрова на нем и интенсивности потока тепла из подстилающего слоя воды. Для условий Арктики советский ученый Н. Н. Зубов получил формулу для расчета толщины морского льда h (м):

h = - 25 + √(25+ h₀)² + 8ΔF,

где h - конечная толщина морского льда; h₀ - начальная толщина морского льда; ΔF - сумма градусо-дней рассматриваемого морозного периода.

В Арктике ΔF = 7000...8000 в год, и в районах, где к концу лета лед стаивает, толщина сезонного ледяного покрова составляет примерно 2 м. Многолетний лед в Центральной Арктике достигает равновесной толщины (3 - 4 м) в возрасте 5 - 8 лет, когда годовой прирост становится равным летнему сезонному стаиванию (абляции) . Антарктические морские льды - по преимуществу сезонные, однолетние, толщиной около 1,5 м. Многолетние льды в Антарктике встречаются редко (в основном узкой полосой в море Уэдделла).

14.11. Каковы скорость и направление дрейфа морских льдов?

Она составляет примерно 1/50 скорости ветра на высоте 2 м над поверхностью воды. Направление дрейфа льдов соответствует теоретическому направлению ветра при отсутствии влияния трения, то есть приблизительно под углом 45° вправо от действительного направления ветра (в южном полушарии - под тем же углом влево).

14.12. При каких условиях погоды возникают самые высокие волны на море?

Волнение моря является функцией скорости ветра, длины разгона волн и промежутка времени, в течение которого дует ветер. Таким образом, наибольшие волны возникают над участками поверхности океана, где градиенты атмосферного давления (его изменение на единицу расстояния в горизонтальном направлении) максимальные, то есть в глубоких длительно существующих циклонах. Широкую известность у моряков получили открытые пространства Южного океана между 40 и 60-й параллелями. Здесь высота волн достигает 15 и даже более 20 м и волнение океана носит очень устойчивый характер, оно практически никогда не прекращается, не стесняемое континентами и крупными островами, поскольку в южном полушарии вообще суши мало. Славится высокими волнами и северная часть Тихого океана, хотя волнения там не столь постоянны, как на южных участках Индийского, Тихого и Атлантического океанов (которые теперь принято обобщенно называть Южным океаном). В литературе есть указания на случаи волн в океане высотой более 30 м, но, по-видимому, это были волны иной природы.

68. Выпуск радиозонда с палубы судна в океане. Фото И. Цигельницкого

Все сказанное выше о волнении на море относится к явлениям, по своей природе метеорологическим, и не распространяется на волны типа цунами, вызываемые подвижками земной коры, то есть имеющими совсем иное происхождение. Такие волны могут достигать высоты 32 - 35 м.

14.13. Существует ли связь между морскими течениями и режимом ветра?

Безусловно, существует, хотя она далеко не всегда явно выражена. Есть в океане мощные течения, направленные почти точно в соответствии с направлением преобладающих ветров (как, например, Гольфстрим в Атлантике, теплые воды которого устремляются с юго-запада на северо-восток вдоль "дороги циклонов", следующих от берегов Северной Америки к берегам Северной Европы). Однако есть и такие течения, воды которых перемещаются не строго в соответствии с направлением преобладающих ветров (например, холодное Лабрадорское течение или течения в проливах Босфор, Дарданеллы, в Керченском проливе).

Закономерность соответствия поверхностных течений в океанах направлению движения воздуха в нижней тропосфере заметна и в низких, и в высоких широтах. В Тихом океане по обе стороны от экватора с востока на запад направлены течения, связанные с пассатами обоих полушарий. В Ледовитом океане арктические льды дрейфуют вдоль изобар на средних картах давления, то есть в направлении преобладающих ветров. Следует при этом иметь в виду, что скорости движения воды и воздуха существенно различны; количество движения в океане в 230 раз меньше, чем в атмосфере. Кроме того, приводя в движение воды океана, атмосфера испытывает обратное влияние океана на состояние воздуха над его поврехностью, в том числе и на режим ветра.

14.14. Соответствует ли направление течения Гольфстрим направлению ветров над Атлантикой?

В целом примерно соответствует. Течение Гольфстрим направлено приблизительно параллельно изобарам среднего поля атмосферного давления над Атлантикой. Однако местами на направление течения влияет рельеф дна океана.

14.15. Какова температура воды в Гольфстриме?

Температура воды в Гольфстриме у берегов Флориды на поверхности океана около 26°С, в пределах Саргассова моря она лишь на несколько градусов выше температуры воды на соседних с течением участках океана. По мере продвижения на север и северо-восток температура Гольфстрима постепенно понижается, но остается достаточно высокой по сравнению с температурой океана вне этого течения. Так, в апреле на широте северного полярного круга в центральном участке течения она равна 20°С, тогда как в нескольких сотнях километров к западу она всего на несколько градусов выше нуля, а еще западнее уже находится кромка полярных льдов Гренландского моря. Скорость течения составляет примерно 7 км/ч, ширина стрежня течения в створе мыса Хаттерас - около 100 км.

14.16. Чем объясняется бурный характер Баренцева моря?

Баренцево море считается одним из самых штормовых в мире. На его акватории проходит граница очень контрастных воздушных масс, проникающих сюда из Западной Атлантики - теплых и влажных и из Центральной Арктики - очень холодных и относительно сухих. Это делает все атмосферные фронты над Баренцевым морем очень активными, циклоническую деятельность - весьма интенсивной, с глубокими циклонами и большими градиентами давления, порождающими сильные ветры и волнение (высотой более 3,5 м).

14.17. Что такое след тайфуна в океане?

Тропические циклоны, среди которых видное место занимают тайфуны западной части Тихого океана, оставляют за собой след не только на поверхности океана, но и в толще воды, до глубины примерно полукилометра, причем сохраняется он в течение нескольких недель. След этот незаметен для человеческого глаза, но хорошо выражен в инструментальных измерениях состояния океанской воды, и прежде всего - ее температуры. Дело в том, что вдоль пути следования тропического циклона происходит интенсивное испарение воды - тайфуны и ураганы черпают свою энергию с сильно нагретой поверхности океана. На процесс испарения затрачивается значительное количество тепла, которое затем отдается воздуху при конденсации поднимающегося вверх водяного пара в виде теплоты конденсации. Вода же в океане при этом охлаждается. Ветер и волны, поднятые тропическим циклоном, усиливают эффект охлаждения поверхностных вод, перемешивая более глубокие и холодные воды с поверхностными. По данным советских океанологов, наблюдавших тайфун Элла в Тихом океане, когда тайфун прошел над полигоном автоматических буйковых станций, то в полосе шириной несколько больше 100 км (соответствующей размерам тайфуна) температура воды понизилась на 2°С, а по обе стороны от этой полосы - повысилась в среднем на 3°С. Остается добавить, что такого рода следы оставляют за собой не только тайфуны, но и другие тропические циклоны. Детально изучить это явление впервые удалось в тайфуне, путь которого пришелся на район океанологических исследований советского научно-исследовательского судна "Академик Курчатов".

14.18. Могут ли изменения погоды влиять на фауну океана?

Необычно суровые зимы, сильные северные ветры, временные изменения морских течений могут губительно отражаться на фауне умеренных широт, особенно мелководной. Связанные с сильными и продолжительными холодами понижения температуры воды, эпизодически наблюдающиеся в океанах, часто приводят к массовой гибели рыбы. Временные изменения Лабрадорского течения и течения Ирмингера у юго-западных берегов Гренландии после аномально холодных зим, влекущих за собой понижение температуры воды, также бывают причиной катастрофической гибели рыбы.

Примерно каждые шесть-восемь лет погибает много рыбы у техасского побережья США, на мелководье в Мексиканском заливе. Колебания температуры воды и насыщенности ее кислородом оказываются губительными для ряда живых организмов, в том числе, в конечном итоге, и для рыбы.

14.19. Что такое апвеллинг?

Апвеллингом называют подъем глубинных вод в морях и океанах, вызывающий значительное охлаждение поверхности моря. Различают два типа апвеллинга: прибрежный и в открытом океане. Прибрежный апвеллинг непосредственно связан с метеорологическими условиями - он возникает при сильном и продолжительном ветре, направленном приблизительно параллельно берегу, находящемуся слева от воздушного потока или под небольшим углом к нему, то есть с суши на море. При этом происходит сгон поверхностных вод и подъем на их место более холодных глубинных вод. В открытом океане это явление связано с метеорологическими условиями лишь косвенно - оно обусловлено океаническими течениями, которые сами по себе связаны с господствующими ветрами. Условия для возникновения вертикальных движений воды и ее подъема с глубин на поверхность создаются в районах расходимости поверхностных течений или связанных с ними крупномасштабных циклонических вихрей - круговоротов,

14.20. В каких районах земного шара наблюдается прибрежный апвеллинг?

В нашей стране явление апвеллинга сравнительно часто наблюдается в Черном море, у берегов Крыма и Кавказа.

Бывают случаи апвеллинга и на Каспии, а также у юго-западного побережья Камчатского полуострова. Прибрежный подъем вод систематически наблюдается у западных побережий США, Перу, Марокко, Южной Африки, Австралии. Интнесивность его возрастает зимой и летом и уменьшается в переходные сезоны. В некоторых странах с муссонным климатом апвеллинг образуется в летний сезон, при сгоне воды муссонными ветрами. Характерный летний сезонный апвеллинг наблюдается в ряде мест на Атлантическом побережье Северной Америки и в Бенгальском заливе.

14.21. Насколько сильно охлаждаются поверхностные воды при апвеллинге?

Диапазон понижения температуры воды при апвеллинге очень широкий - от нескольких градусов до 10 - 15°С. На Черном море и на Каспии бывают случаи резких скачков температуры воды после сгона поверхностных вод береговыми ветрами: от 24 до 8 - 10°С и от 20 до 10 - 11°С соответственно.

14.22. Чем еще, кроме понижения температуры воды, сопровождается выход глубинных вод на поверхность?

Вместе с глубинными водами на поверхность поднимаются соединения азота и фосфора, это приводит к бурному развитию фитопланктона в зонах апвеллинга. Фитопланктоном питаются рачки, служащие кормом для рыбы. Поэтому здесь обычно бывает больше рыбы, чем на других участках океана.

14.23. Какие особенности погоды отмечаются в районах прибрежного апвеллинга?

В районах постоянного подъема глубинных вод отмечается низкая температура поверхности воды и прилегающего к ней слоя воздуха. Температура вышележащего воздуха до некоторых пор повышается, а не понижается, как обычно. Таким образом, над районами апвеллинга существуют устойчивые температурные инверсии, препятствующие распространению влажного морского воздуха вверх и в глубь суши. Не происходит и сколь-либо значительного вертикального развития облаков - все запасы влаги сосредоточиваются в тонком поверхностном слое воздуха, где часто образуются туманы или тонкая слоистая пелена приподнятого тумана.

Настоящей, развитой по высоте и способной давать осадки, облачности в таких районах не бывает большую часть года. Поэтому в узкой прибрежной зоне в районе апвеллинга климат засушливый. Примером может служить Тихоокеанское побережье Чили и Перу в Южной Америке.