Слава Кан - Океан и атмосфера

• Название: Океан и атмосфера
• Автор: Слава Кан
• Издательство: Наука
• Жанр: Научпоп
• Год: 1982

Океан, занимающий две трети нашей планеты, и атмосфера, окутывающая ее, играют огромную роль в жизни человечества. Составляя вместе оболочку Земли, они функционируют как единая механическая и термодинамическая система. Совместное изучение этих сфер и их взаимодействия — основное направление современной мировой гидрометеорологической науки. Этим вопросам посвящена и предлагаемая вниманию читателя книга. В пей показано также, что знание процессов, которые происходят в океане и атмосфере, имеет большое практическое значение, и в первую очередь для мореплавания, эксплуатации ресурсов океана, для морских и метеорологических прогнозов.

Для читателей, интересующихся проблемами окружающей среды.

---

Океан оказывает очень большое влияние на климат материков. В холодное время года в Европу тепло приносят юго-западные ветры. Многие исследования были посвящены влиянию Гольфстрима на климат Европы. Когда тепло Гольфстрима (и его продолжения — Северо-Атлантического течения) концентрируется в его середине, зима в Европе холодная. Но если Гольфстрим теплее в северной части, в Европе теплая зима, а в Гренландии — холодная. К этому выводу пришел шведский ученый В. Сандстрем. Он предположил, что влияние тепла Гольфстрима не непосредственное, а через атмосферу — над теплой водной поверхностью увеличивается барическая депрессия и, в зависимости от того, севернее или южнее это происходит, возникают холодные или теплые ветры. Теория Сандстрема не общепризнанна, хотя и верна в принципе. Дело в том, что остаются неясными еще многие явления. В частности, по Сандстрему, потепление вод Гольфстрима должно сменяться похолоданием, затем следует новая волна потепления; промежуток времени добегания гребня или подошвы волны «потепление — похолодание» от Флоридского пролива до северо-западных берегов Норвегии составляет 3–4 года. Но в действительности оказалось, что это не так.

С 20-х годов нашего столетия в Арктике было длительное потепление. Заметно повысилась температура воздуха и воды, отступила к северу кромка льда, интенсивно таяли ледники; в воды Шпицбергена пришли косяки рыб, обычно встречающиеся в Норвежском море. Замечательное явление потепления Арктики, продолжавшееся примерно полтора десятилетия, по-видимому, объясняется общим усилением атмосферной циркуляции на всем Земном шаре — в областях высокого давления оно стало еще выше, а в областях низкого — еще ниже. Это, в частности, усилило юго-западные ветры в Норвежском море и, соответственно, большим стал приток теплых вод в Арктику. На климат Дальнего Востока оказывает влияние теплое течение Куросио. Во многом схожее с Гольфстримом, оно, однако, не переносит на север такого же огромного количества тепла. Во всяком случае, его влияние на климат Канады во много раз меньше, чем Гольфстрима на климат Северной Европы.

Взаимодействие океанов и материков отчетливо проявляется в действии ветров — муссонов и бризов. Муссоны — это устойчивые воздушные течения, дующие летом с более нагретого моря на сушу, а зимой — с более холодного материка в сторону моря.

Бризы меняют свое направление 2 раза в сутки: днем дуют с моря, ночью — с суши. Муссоны и бризы — явления, подобные друг другу, но различные по масштабу. В свою очередь, и материки оказывают влияние на океан, как правило, через атмосферу, что видно на примере образования муссонов и бризов. В частности, дальневосточный муссон определяет суровость зим в морях нашего Дальнего Востока: Японского, Берингова и Охотского.

При исследовании термического режима океанов и морей важно изучить пространственное распределение температуры (по вертикали и горизонтали) на обширных пространствах и ее изменения (на полигонах), слой скачка, фронты, вертикальные движения вод. С этой целью организуется густая сеть буйковых станций, используются искусственные спутники Земли.

К практическому освоению тепловой энергии океанов и морей относится также возможность получения электроэнергии. Эти работы были начаты во Франции в 1928 г. Принцип их состоял в использовании значительной разности температур воды тропических морей, где на поверхности температуры равны 25–30°, а на глубине 250–300 м — лишь около 5 °C. Таким образом, на поверхности находится естественный нагреватель, а на глубине — холодильник. Эти слои соединяются трубкой; рабочее вещество, преобразующее энергию, — морская вода, кипящая в вакууме при температуре 25 °C. Правда, коэффициент полезного действия такой электростанции мал. Однако построенный в Абиджане завод стабильно давал энергию, так как разность температур здесь устойчива. К тому же, одновременно выделялась пресная вода, выпаривались ценные соли. Проект по своей идее и осуществлению в целом признан перспективным. Он может быть также перенесен совсем в иные условия, а именно — в северные моря. Только здесь нагревателем будет служить вода подо льдом (с температурами около 0 °C), а холодильником — внешний, очень холодный воздух. Быть может, проблема борьбы со льдами будет решена с помощью тепла глубинных вод, лежащих под ними. Но это дело будущего, равно как и проблема использования термической энергии океанических течений для улучшения климата.

Без знания температурного режима океана невозможны как метеорологические долгосрочные прогнозы, так и морские.

Морские льды

К особенностям теплового режима океанов относится удивительное явление образование, развитие и исчезновение льда. Пресная и морская вода замерзают при разных условиях: пресная — при 0 °C, наибольшей плотности достигает при 4° (дистиллированная при 3,8 °C). Температура замерзания морской воды всегда ниже 0 °C, и чем больше соленость, тем температура замерзания ниже. Так, при средней для океана солености 35‰ замерзание происходит при —1,9, а при солености 40‰ — при —2,2 °C. Например, вода Финского залива начинает замерзать при —0,3…—0,5° (соленость ее 15–10‰). В Черном море, где соленость 15–20‰, для появления льда нужно охлаждение в пределах (—0,8…—1,1°), а в полярных странах — еще большее.

Для образования льда необходима сильная потеря тепла водой, некоторое переохлаждение и присутствие в воде ядер кристаллизации. К последним относятся мельчайшие частицы пыли, снежинки и т. д. Вокруг этих ядер образуются мельчайшие диски льда. Срастаясь между собой, они превращаются в иглы — это кристаллики чистого льда, растущие преимущественно в горизонтальном направлении. На спокойной воде иглы могут достигать 10 см, на взволнованной — от 0,5 до 2 см. Ледяные иглы скапливаются, смерзаются — появляется «сало». Это название дано не случайно — пятна и налет серовато-свинцового, темного цвета, действительно, напоминают сало.

Когда на холодную морскую поверхность выпадает снег (а осенью это — обычное явление), он не тает, так как температура ниже 0 °C, пропитывается водой, уплотняется и также превращается в вязкую массу льда — снежуру. Сало и снежуру ветер и течения сбивают в полосы или пятна рыхлого, пропитанного водой льда — шугу. Если вода энергично перемешивается волнением и течениями, кристаллы появляются не только на ее поверхности, но и в толще, а иногда и на дне — это внутриводный глубинный и донный лед. Он губчатого строения, между кристаллами самой разнообразной формы вкраплены пузырьки воздуха, вода, рассол. Лед, образовавшийся на дне (обычно скалистом), может достигать полуметровой толщины. Всплывая на поверхность, такие глыбы поднимают со дна камни, затонувшие якоря. Вышедший на поверхность внутриводный лед непрозрачен и непрочен. Когда море спокойно, сало превращается в сплошной тонкий эластичный слой — нилас. На пресной воде он выглядит прозрачной, блестящей, хрупкой коркой, разбивающейся со звоном и потому называемой «склянка».

Блинчатый лед появляется при слабом волнении одновременно в разных точках, образуя небольшие округлые диски («блины») диаметром 30–50 см и более. Края таких льдин из-за трения друг о друга обрамлены валиком из разрушенных кристаллов. По образному выражению Н. Н. Зубова, соли постепенно вытекают из льда, как слезы. Но молодой лед еще соленый, часто на его поверхности остаются кристаллы соли. Те соли, которые не успевают вытечь, сохраняются между кристаллами льда в виде ячеек концентрированного рассола. При температуре ниже —55 °C рассол замерзает, выпадает хлористый кальций, образуя смесь кристаллов льда и соли. Однако кристаллизация солей начинается и при небольшом понижении температуры: ниже —8° из рассола ячеек выпадает сульфат натрия, ниже —23 °C — хлориды. Довольно часто ледообразование начинается при положительных температурах воздуха. В этих случаях поверхностный слой очень тонок и резко отличается от нижележащих по плотности.

По мере того как зима все больше входит в свои права, первичные льды нарастают, наслаиваются, смерзаются и постепенно образуется сплошной, довольно ровный морской лед серого цвета. Теперь вода гораздо меньше теряет тепла. Лед нарастает снизу медленно, он более прозрачен, имеет почти правильную кристаллическую структуру. Так происходит в защищенных бухтах, полосе неподвижного льда у берега. Но в открытом море лед постоянно взламывается, нагромождается, переслаивается.

Давно замечено, что характер нарастания льда зависит от суровости зимы. Получен ряд уравнений, связывающих толщину льда с суммой градусо-дней мороза, т. е. суммой отрицательных среднесуточных температур. Теоретические исследования и анализ материалов наблюдений дали в общем сходное соотношение — число градусо-дней мороза приблизительно пропорционально квадрату толщины льда.