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.

---

Таким образом, соленость — одна из консервативных характеристик режима всех океанов, и наблюдения ее позволяют распознавать природу различных процессов. В частности, благодаря измерениям солености в Тихом океане сделан вывод о движении вод течения Кромвелла. Подобные же исследования были проведены в 1963 г. при изучении движения средиземноморских вод в Атлантическом океане от Гибралтара до Британских островов. Обнаружилось, что соленые средиземноморские воды создают слой от 800 до 1500 м, простирающийся до юга Англии.

Существенную роль играют также газы и взвешенные вещества, растворенные в морской воде, хотя содержание их незначительно. Это кислород, азот, углекислота, иногда водород. Значение их велико для организмов, населяющих толщу вод. Кислород, захваченный из воздуха поверхностным слоем воды, проникая на глубину, указывает на интенсивную вертикальную циркуляцию. Кислород появляется в морской воде и в результате фотосинтеза морских растений, главным образом фитопланктона. Кислород расходуется на дыхание морских организмов, окисляется и частично возвращается в атмосферу при пересыщении. Известен случай, когда вода Азовского моря была пересыщена кислородом до 350 %. В целом кислород, несколько уменьшаясь с глубиной, распространен в океане довольно равномерно, и лишь в некоторых областях на глубинах 400–500 м его почти нет.

Азот в поверхностных слоях океана состоит в почти полном равновесии с азотом атмосферы. На глубине количество азота определяется образованием и распадом органического вещества.

Сероводород возникает на дне моря в результате распада органического вещества и деятельности некоторых бактерий. Сероводород, заражая глубинные слои воды, делает ее непригодной для существования животных и растений. В частности, этим отличается Черное море, в котором лишь 13 % вод не заражено сероводородом.

В морской воде содержится относительно малое количество углекислоты, но значение ее очень велико и не уступает кислороду. Углекислота необходима для построения органического вещества, с ней связана коррозия металлов и разрушение бетона.

Соленость обязательно учитывается в портостроительных работах. Она определяет также грузовую марку торговых судов, особенно работающих на трассах с резкими переходами морских и пресных вод. Очень важно знать соленость для рыбной и химической промышленности. Воды морей и океанов могут обеспечить сырьем стекольную, фармацевтическую и другие виды промышленности, дать удобрения и неограниченное количество пресной воды.

Температура моря

В понятие тепловых свойств воды входят теплоемкость, теплота плавления и кристаллизации, испарения и конденсации. По всем этим свойствам вода сильно отличается от других жидкостей. Поэтому рассмотрим их более подробно.

Под теплоемкостью понимают количество теплоты, которое необходимо для повышения температуры 1 г морской воды на 1 °C. Теплоемкость воды значительно выше, чем у всех других веществ (как жидких, так и твердых), исключение здесь составляют лишь водород и жидкий аммиак. Теплоемкость льда, например, вдвое меньше теплоемкости воды, чугуна — почти в 8 раз, а гранита — в 5 раз. Теплоемкость морской воды очень мало отличается от пресной — следовательно, значение теплоемкости можно считать одинаковым для всего Земного шара.

Воды Земли соприкасаются с воздушным океаном, охватывающим ее. Разница в теплоемкости этих двух океанов огромная, благодаря чему Мировой океан является источником запаса тепла для атмосферы. Если мысленно охладить слой воды толщиной в 200 м всего на полградуса, выделится столько тепла, что воздух над всей Европой до высоты 4 тыс. м нагреется на 10 °C.

Вода, лед и воздух — плохие проводники тепла, так как теплопроводность морской воды чрезвычайно мала. С увеличением температуры и уменьшением солености теплопроводность морской воды возрастает слабо.

Теплота, поглощаемая при плавлении 1 г вещества при условии постоянства температуры, называется теплотой плавления. Теплота плавления чистого льда значительно превышает теплоту плавления всех других веществ на Земле, за исключением аммиака. Теплота плавления морского льда зависит от его солености и при небольших отрицательных температурах заметно убывает с повышением солености льда. Теплота испарения — это количество теплоты, необходимое для поддержания неизменной температуры при испарении (или конденсации) 1 г жидкости. Для тепловых процессов в море и атмосфере очень важно то, что теплота испарения у воды больше, чем у какого-либо другого вещества. Большая часть солнечной энергии тратится на испарение морской воды. В среднем за год поверхность океана испаряет слой воды, равный примерно 1 м. Если принять эту величину (определить ее точно пока невозможно), то получится, что на испарение каждого квадратного сантиметра морской поверхности затрачивается ежегодно около 60 ккал.

Температура кипения морской воды, отличаясь от пресной, немного увеличивается с повышением солености. Большое влияние на температуру оказывает давление толщи воды. На температуру воды в различных районах океанов и морей влияют приход тепла от Солнца, вертикальный и горизонтальный теплообмен. Огромный поток тепла, поступающий от Солнца (30 % его поглощает атмосфера), захватывается совсем тонким поверхностным слоем и глубоко не проникает. Достаточно сказать, что на глубине 1 см тепловой эффект лучистой энергии Солнца убывает почти в 100 раз по сравнению с поверхностью, а на глубине 1 м — в 8350 раз!

Не будь в океане постоянного перемешивания вод, глубинные воды остались бы без тепла. Но существует механическое перемешивание, вызываемое ветровым волнением и течениями — они-то и переносят тепло на глубину 100–200 м. Вертикальное перемещение частиц воды в море (конвекция), возникающее в результате различной плотности слоев, приводит и к нагреванию и к охлаждению воды на глубине в слое до 500 м.

Доля лучистой энергии, проникающая на некоторую глубину, главным образом освещает воду и лишь отчасти нагревает. Ночью и зимой вода охлаждается и отдает воздуху тепло — при охлаждении 1 см3 воды на 1° выделяется огромное количество теплоты, способное на 1 °C повысить температуру 3134 см3 воздуха. К источникам тепла, нагревающим поверхность океанов и морей, можно было бы отнести звезды, Луну и внутреннее тепло твердой коры Земного шара (для придонных слоев). Правда, теплота от звезд и отраженной поверхности Луны хоть и существует, но ничтожно мала.

На изменениях температуры воды сказываются и другие факторы. Это прежде всего сток рек, особенно крупных. Реки умеренного пояса (и в высоких широтах) отепляют приустьевые участки, а горные реки тропиков иногда охлаждают их.

Режим ветров побережий существенно влияет на температуру, понижая или повышая ее на несколько градусов в зависимости от направления ветра. В морях на температуру воздействуют также течения, направленные с юга на север или с севера на юг. Уже упоминалось, что море не только получает, но и отдает, теряет тепло. Главные причины этого — испарение и эффективное излучение. Последнее представляет собой разность между тепловым излучением поверхности моря и встречным длинноволновым излучением атмосферы. Теплообмен между морями, соединяющимися между собой, имеет в ряде случаев также большое значение, равно как и образование и таяние льда в ледовитых морях. Таким образом, возникает проблема учета прихода и расхода тепла, составление теплового баланса моря и расчета всех его составляющих. Именно расчета, потому что определить каждую из них с помощью непосредственных наблюдений пока практически невозможно. Изучение тепловых процессов в океане — исключительно важная задача сегодняшней океанологии. Она дает возможность обнаружить причины многих явлений как в океане, так и атмосфере и поставить вопрос об их предсказании.

За длительное время приход и расход тепла балансируется. Так, за интервал, равный примерно столетию, можно полагать температуру всей поверхности Земного шара неизменной, в том числе и среднюю температуру Мирового океана.

Представим себе Земной шар, покрытый неподвижной водой океана — без всяких течений. Тогда температура воды на его поверхности в точности совпала бы с нагреванием ее солнечными лучами. При таком предположении изотермы (линии равных температур) повторяли бы линии географических параллелей. Так (или почти так) и происходит на самом деле на обширных пространствах южного полушария, начиная от 40° ю. ш. и до самой Антарктиды. Здесь нет больших участков суши и материков (кроме южной оконечности Америки), а течения незначительно искажают плавный ход изотерм.

Но в других районах океана влияние материков, ветров и течений резко меняет картину. Это легко заметить по картам среднегодовых изотерм. В восточных частях океанов в тропической зоне они сходятся в направлении к экватору, а в западных расходятся от него, что особенно отчетливо прослеживается в Атлантическом океане. Это объясняется экваториальными поверхностными течениями, встречающими на своем пути материки Америки, Азии и Африки. Здесь течения расходятся к северу и югу, теплые воды уходят в умеренные широты, а в западных частях океанов удаляются от экватора. В то же время в восточных частях океанов по обе стороны экватора (от 30° с. ш. до 30° ю. ш.) течения приносят более холодные воды из умеренных широт.