Испарение с поверхности мирового океана

Всей своей поверхностью Мировой океан соприкасается с атмосферой. И естественно, что на рубеже этих стихий между ними происходит интенсивный обмен. В обоих направлениях перемещаются газы, влага и тепло. Ежедневно в атмосфере в виде паров находится около 13 тысяч кубических километров воды. Этот постоянный фонд влаги все время пополняется за счет испарения воды с поверхности океана и расходуется, выпадая на поверхность планеты в виде осадков.

Общая масса воды, которую океан отдает атмосфере, составляет около 355 тысяч кубических километров в год. Обратно же, из воздуха в море, возвращается только 320 тысяч кубических километров. Остальная вода (35 тысяч кубо-километров), прежде чем вернуться в океан, проходит сложный цикл на суше.

Таким образом, только одна десятая часть того огромного количества влаги, которое испаряется с поверхности Мирового океана, орошает леса и поля, а девять десятых циркулируют в замкнутой системе море — атмосфера.

Величина испарения прямо пропорциональна количеству поступающего солнечного тепла, поэтому в тропической зоне в атмосферу уходит больше воды, чем возвращается в океан. В умеренных и высоких широтах, начиная примерно с 40-го градуса, осадки превышают испарение.

Как известно, газы лучше растворяются в холодной, чем в теплой воде. В своем труде «Введение в геохимию океана» академик А. Виноградов сравнивает Мировой океан с грандиозным воздушным насосом, который поглощает газы в холодных областях и отдает часть их в тропиках. В результате вертикальных конвекционных течений растворенные в воде газы пронизывают всю толщу океанской воды, вплоть до дна глубочайших впадин. По подсчетам ученого общий объем газов, растворенных в Мировом океане, примерно в три раза больше всего объема его вод.

В нижних слоях атмосферы воздух состоит из 78 процентов азота и 21 процента кислорода (кроме того, в нем имеются инертные газы, водород и углекислота, в сумме составляющие 1 процент объема). Растворимость разных газов в воде неодинакова; там, кислород растворяется в ней значительно легче азота, поэтому объемное соотношение кислорода к азоту в океанических водах равно 1:2, а не 1:4, как в воздухе.

Кислород, растворенный в водах Мирового океане, полностью обеспечивает потребность морских организмов, за его счет происходит также окисление органических и минеральных продуктов. Тем не менее в воде постоянно имеются излишки кислорода, который улетучивается в атмосферу. Особенно обильно он поступает в атмосферу в местах произрастания морских растений, в первую очередь одноклеточных планктонных водорослей.

Ученые предполагают, что весь кислород воздушной оболочки нашей планеты образовался за счет фотосинтеза и его наличие в атмосфере поддерживается зелеными растениями. Как известно, в ХХ столетии в результате роста городов и промышленных предприятий площадь суши, занятая зелеными растениями, резко сократилась. Особенно катастрофически уменьшаются лесные массивы, дающие львиную долю кислорода, синтезируемого наземной растительностью.

В этой связи роль океана в регенерации воздушной оболочки Земли еще более возрастает. Мировой океан не только обогащает атмосферу кислородом, но и способствует удалению из нее углекислого газа, который образуется в результате дыхания живых организмов и как одно из следствий разрушения горных пород и вулканической деятельности. Относительное количество этого вещества в воздухе ничтожно и равно (по объему) 0,03 процента. Однако роль его в становлении глобальных климатических условий и для нормального развития жизни совершенно несоразмерна со столь малой величиной.

Дело в том, что углекислота атмосферы задерживает тепловое излучение Земли. При уменьшении ее в атмосфере климат становится холоднее, а при увеличении наступает потепление. Согласно одной из гипотез уменьшение углекислоты в атмосфере наполовину послужило в прошлом причиной наступления оледенения. Если же количество углекислого газа в воздушной оболочке Земли возрастет, то увеличится так называемый парниковый эффект, который вызовет перегрев.

Угроза эта вполне реальна. В текущем столетии содержание углекислого газа в атмосфере вследствие сжигания большого количества органического топлива и за счет сокращения лесов уже увеличилось на 13 процентов. К счастью, на нашей планете существует океан, который постоянно извлекает из воздуха углекислый газ; в настоящее время его в морской воде содержится в 60 раз больше, чем в атмосфере. В море углекислый газ претерпевает сложные химические превращения, и в конечном итоге значительная его часть при посредстве некоторых организмов, строящих себе скелеты, связывается и входит в состав малорастворимой соли — углекислого кальция,— накапливающейся на дне в виде осадочных известковых пород.

В умеренных и полярных зонах из-за низкой температуры вода насыщена углекислотой не до предела. Вследствие этого известковые отложения здесь постепенно разрушаются, и продукты распада углекислого кальция поступают в общий круговорот веществ. На мелководье же тропических морей вода пересыщена углекислым газом, что создает условия для долговременного сохранения накопившихся известковых напластований.

Запас извести служит важнейшим буфером для стабилизации климата нашей планеты. Стоит только ему слегка похолодать, как область тропической зоны несколько сужается и часть запасов известковых отложений начинает разлагаться. Это приводит к увеличению углекислого газа в обменной системе океан — атмосфера и усиливает парниковый эффект. В результате наступающего потепления тропическая зона снова расширяется.

В данном случае, как и в поддержании баланса кислорода, роль океана трудно переоценить. Именно благодаря ему возможно осуществление динамического равновесия важнейших для жизни газов в планетарном масштабе.

Не менее грандиозна роль океана в стабилизации температуры, как повседневной, так и на протяжении всей геологической истории Земли. Океан непосредственно воздействует на температуру атмосферы. Воздух сам по себе мало нагревается солнечными лучами, а получает тепло либо от нагретой земли, либо от поверхности океана. Поскольку теплоемкость воды значительно выше теплоемкости воздуха, то нагревание атмосферы происходит гораздо быстрее, чем остывание воды. Так, если при выравнивании температуры на стыке двух стихий поступивший холодный воздух подогревается теплым морем на 6 градусов, верхний стометровый слой воды остынет лишь на одну десятую градуса.

Видный советский ученый академик В. Шулейкин сравнил взаимоотношения океана и атмосферы с тепловой машиной. Главным условием работы такой машины служит разница температур. Чтобы привести в действие паровую машину, необходимо нагреть в котле воду до кипения. Полученный пар поступает в цилиндр, где он, расширяясь, передвигает поршень и производит работу. Но так паровая машина может работать только при условии, что температура наружной среды будет ниже температуры котла; в противном случае пар из него вообще не выйдет.

В приведенном примере наружная среда служит тем холодильником, который не менее необходим для работы паровой машины, чем котел, где кипятят воду.

Природные тепловые машины, работающие в океане и атмосфере, также имеют свои нагреватели и холодильники. Академик В. Шулейкин различает два рода таких «машин».

Для первого из них нагревателем служит тропическая зона океана, а холодильником — две полярные области. Здесь важно отметить, что нагреватель и холодильники этой тепловой машины находятся каждый на своем месте. В результате производимой ими работы направление переноса тепла не меняется.

Для второго рода тепловой машины Земли зимой нагревателем служит поверхность океана, а холодильником — материки. В теплую пору года роль холодильника выполняет океан, а к материкам переходит функция нагревателя. Деятельность машины второго рода порождает переменчивую по направлению муссонную циркуляцию воздуха.

Источник

Мировой океан и погодные условия

Мировой океан — это не только огромнейший резервуар воды, но и величайшее хранилище запасов регулярно поступающего в атмосферу тепла, которое диктует погоду на планете. Также океанская вода активно поглощает углекислый газ из воздуха. В ней обитает колоссальное множество микроскопических водорослей, которые выделяют в процессе фотосинтеза кислород в атмосферу Земли.

Таким образом, Мировой океан — это легкие нашей планеты, которые помогают поддерживать постоянный состав воздуха. А еще на поверхности океана в полярных районах лежат морские льды площадью от 14 до 28 млн. км2 и зависит от состояния океана и времени года. В итоге климат и погодные условия напрямую связаны с Мировым океаном.

Поэтому анализ взаимодействия атмосферы и океана является одной из главнейших задач метеорологии и смежных с ней наук. Существует большое количество научных вопросов, нуждающихся в решении и имеющих большое значение для всего человечества. Значительное место среди них занимают вопросы метеорологии. Часть будет рассмотрена в этой статье.

Зачем метеорологам контроль состояния океанов при долгосрочном прогнозе погоды?

Так как атмосферные тепловые запасы небольшие, то незначительна и ее тепловая память, иными словами, влияние нынешнего состояния на будущее. Эта величина равна 10-20 дням. Поэтому сложно давать долгосрочный прогноз погоды, опираясь на анализ атмосферных показателей на данное время.

Океан же имеет значительные запасы, что обеспечивает большой объем тепловой памяти и умение влиять на температуру и влажность атмосферы, отдавая ей свое тепло. Поэтому использование информации о изменении теплозапасов вод Мирового океана для составления долгосрочного прогноза погоды является перспективной и активно изучается метеорологами.

Какая разница в теплозапасах Мирового океана и атмосферы Земли?

Теплозапасы океана больше запасов земной атмосферы примерно в 1600 раз. Это происходит потому, что воды океана имеют большую массу и плотность по сравнению с атмосферным воздухом, а вода обладает большей теплоемкостью. Небольшие теплозапасы атмосферы объясняют и ее меньшую способность сохранять свое постоянство состава. Инерция в атмосферном воздухе в десятки раз меньше, чем в водах океана. Таким образом, и атмосфера меньше влияет на воды в океанах, чем океан на атмосферное состояние.

Какое количество тепла атмосфера получает от океана на разных широтах?

Средняя величина годового радиационного потока тепла с поверхности Мирового океана в атмосферу составляет от 1150 Дж/(сут • см2) на экваторе до 418 Дж/(сут • см2) на широте, равной 60°. Общее количество тепла в низких широтах, которое попадает из океана в атмосферу, примерно одинаково, а на широте 60° оно может быть от 850 Дж зимой до 0-200 Дж летом.

Как влияет океан на температуру атмосферы?

Мировой океан — постоянно действующий нагреватель атмосферы Земли. Его воды поглощают практически все тепло от падающих на Землю солнечных лучей. Накопив тепло в летнее время, в холодные месяцы океан отдает его атмосфере.

Насколько солнечные лучи прогревают воды Мирового океана?

Лучи солнца ощутимо прогревают только верхние несколько метров океана. Так как удельный вес теплой воды меньше холодной, то она не опускается вниз. Например, верхний слой воды в теплых морях может достигать температуры 25-28°С, а на глубине одного километра температура окажется не выше 5°С.

Какая температура воды бывает в Мировом океане?

Максимальные показатели температуры отмечаются возле экватора — примерно 28°С, а в низких широтах и замкнутых морях она может достигать и 32°С. Самая низкая температура воды наблюдается в полярных областях, у края морских льдов, где она может быть от 1.5 до -1.9°С. Температура воды в океане значительно колеблется в основном в поверхностном слое, до стометровой глубины.

Как Мировой океан влияет на содержание углекислого газа в атмосфере?

Среднее содержание окиси углерода составляет триста частей на миллион, доходя в некоторых районах до шести частей. Мировой океан поглощает примерно 83 % процента углекислого газа, остальное — суша.

Что происходит с углекислым газом, который поглощают морские растения?

Газ проникает в воду и растворяется в ней, усваиваясь микроскопическими водорослями в процессе фотосинтеза. Растения, поедаемые морскими животными, позже превращаются в известковые отложения на дне — соли угольной кислоты.

Откуда берется морской лед?

Лед образуется из ледяных кристаллов, возникающих при падении температуры воды почти до -2° С. Между ними остаются незастывшие капли рассола, которые замерзают при более низкой температуре. Кристаллы всплывают на поверхность, образуя ледяную корку, которая постепенно утолщается. Большое значение в этих процессах принадлежит колебаниям солености воды с нарастанием глубины.

Если соленость постоянна вне зависимости от глубины, то лед не образуется. Если же поверхностный слой распреснен и с увеличением глубины нарастает соленость, то верхний слой воды замерзает, отдав запасы тепла атмосфере. Поэтому так распространено образование морских льдов в Северном Ледовитом океане, так как его верхний слой распреснен и поэтому быстро охлаждается.

От чего зависит толщина морских льдов?

Темп нарастания морских льдов определяется температурой его поверхности, количеством снега на нем и интенсивности теплового потока из нижележащего слоя воды.

В Арктике к концу лета ледяной покров имеет толщину около двух метров. В Центральной Арктике толщина многолетнего льда достигает толщины трех-четырех метров. Антарктические льды являются в основном сезонными и имеют толщину около полутора метров. В Антарктике многолетние льды практически не встречаются.

Каковы направления дрейфа и скорость движения морских льдов?

Она равна приблизительно одной пятидесятой скорости ветра на расстоянии двух метров над поверхностью воды. Направление движения льдов соотносится с теоретическим направлением ветра при условие, что трение отсутствует, то есть примерно под углом сорок пять градусов вправо от существующего направления ветра (под углом влево — в южном полушарии).

Какие погодные условия влияют на образование самых высоких волн?

Волнение на море создается скоростью ветра, длиной разгона волн и тем периодом времени, в течение которого продолжается ветер. Соответственно, самые большие волны возникают над теми районами поверхности Мирового океана, где градиенты давления атмосферы (колебания в горизонтальном направлении на единицу расстояния) наибольшие, то есть в глубоких продолжительных циклонах.

Значительную известность среди моряков имеют незамкнутые пространства Южного океана в районе между сороковой и шестидесятой параллелями (так называемые «Ревущие сороковые»). В этих местах высота волн может достигать пятнадцати и даже больше двадцати метров и волнение океана имеет очень постоянный характер. Оно не стесняется большими островами и континентами и поэтому почти никогда не останавливается, потому что в южном полушарии практически отсутствует суша.

Известна своими высокими волнами и северная область Тихого океана, хотя там волнения носят не такой постоянный характер, как в южных районах Атлантического, Тихого и Индийского океанов (эти места принято теперь обобщенно именовать Южным океаном). В книгах иногда встречаются упоминания о волнах в океане высотой больше тридцати метров, но, по-видимому, такие волны имели другую природу.

Все вышеперечисленное о волнении на море можно отнести и к явлениям, являющиеся по своему происхождению метеорологическими, и не относится к волнам вроде цунами, которые имеют совершенно другое происхождение (вызываются движениями земной коры). Такие огромные волны могут даже достигать высоты тридцати пяти метров.

Есть ли взаимосвязь между скоростью ветра и морскими течениями?

Такая взаимосвязь не всегда значительна, но она, несомненно, присутствует. В океане существуют мощные течения, направление которых почти точно совпадает с направлением главенствующих ветров (например, атлантическое течение Гольфстрим, которое имеет теплые воды, движущиеся по направлению с юго-запада и на северо-восток, следуя по «дороге циклонов» от побережья Северной Америки до берегов Северной Европы).

Но существуют и другие течения, направление движения которых не соответствует направлению главенствующих ветров (например, течения в проливах Дарданеллы, Босфор, в Керченском проливе, холодное Лабрадорское течение). И в высоких, и в низких широтах наблюдается закономерность соответствия течений на поверхности океанов направлению перемещения воздуха в нижних отделах тропосферы. В Тихом океане с востока на запад по обе стороны экватора направляются течения, которые связаны с пассатами и Северного, и Южного полушарий.

Арктические льды в Ледовитом океане перемещаются в направлении главенствующих ветров. При этом нельзя упускать из вида, что скорость движения воздуха и воды имеют существенное отличие. Количество движения в Мировом океане в двести тридцать раз меньше, чем в атмосфере. Помимо этого, заставляя двигаться воды океана, атмосфера подвергается обратному воздействию океана на характер состояния воздуха и режим ветра над его поверхностным слоем.

Совпадает ли направление движения ветров над Атлантикой направлению течения Гольфстрим?

В большинстве своем соответствует. Направление течения Гольфстрим примерно параллельно линиям равного давления среднего поля давления атмосферы над Атлантикой. Но в некоторых районах рельеф океанского дна оказывает влияние на направление течения.

Чему равна температура воды в Гольфстриме?

В поверхностном слое океана у побережья Флориды температура воды в течении Гольфстрим составляет примерно 26°С, в районе Саргассова моря она всего на несколько градусов превышает температуру воды на близлежащих к течению районах океана. По направлению на северо-восток и север температура воды в Гольфстриме понемногу снижается, но остается довольно высокой, если проводить сравнение с температурой Мирового океана вне границ этого течения.

Например, весной в центральном районе на широте северного полярного круга она составляет 20°С, а в нескольких сотнях километров на запад она лишь на несколько градусов будет выше нуля, а при продвижении еще дальше на запад располагается край полярных льдов Гренландского моря. При этом скорость течения равна приблизительно 7 км/ч. В створе мыса Хаттерас ширина стержня течения составляет около ста километров.

Почему Баренцево море имеет такой бурный характер?

Баренцево море имеет славу одного из самых штормовых в мире. По его акватории пролегает граница очень контрастных масс воздуха, которые проникают сюда из Центральной Арктики — очень холодных и довольно сухих и из Западной Атлантики — влажных и теплых. По этой причине над Баренцевым морем все атмосферные фронты очень активные, циклоническую деятельность — очень интенсивной, со значительными градиентами давления и глубокими циклонами, которые порождают сильнейшие ветры и волны высотой более 3.5 м.

Что называют следом тайфуна в океане?

Тропические циклоны, в числе которых особенно выделяются тайфуны западной области Тихого океана, оставляют после себя следы не только в поверхностном слое океана, но и в глубине, до расстояния примерно в полкилометра. При этом он наблюдается в продолжение нескольких недель. Человеческий глаз не может увидеть этот след, но его замечательно видно при инструментальном измерении состояния воды в океане, и, главным образом, при определении ее температуры.

Объясняется это тем, что во время следования тропического циклона наблюдается активное испарение воды – ураганы и тайфуны берут свою энергию с поверхности океана, которая сильно разогрета. На процесс испарения уходит довольно большое количество тепла, которое впоследствии забирается воздухом при конденсации стремящихся ввысь паров воды в виде теплоты конденсации. При этом вода в океане начинает охлаждаться.

Ветер и волны, которые поднимаются тропическим циклоном, увеличивают эффект охлаждения поверхностного слоя, смешивая поверхностные воды с более глубокими и холодными. По результатам исследований русских океанологов, которые наблюдали за тайфуном Элла в Тихом океане, когда тайфун проследовал над местом расположения автоматических буйковых станций, то есть на участке шириной немного превышающей сто километров (соотносящейся с размерами тайфуна) температура воды стала ниже на 2°С, а на участках по обе стороны от оставшейся полосы — стала выше приблизительно на 3°С.

Следует отметить, что подобные следы могут оставлять после себя не только тайфуны, но и различные тропические циклоны. Подробно исследовать данное явление первый раз получилось в тайфуне, путь которого пролегал по месту океанологических изучений русского научно-исследовательского корабля «Академик Курчатов».

Как погодные условия могут оказывать влияние на фауну?

Мощные северные ветры, небывало суровые зимы и нерегулярные изменения морских течений могут наносить вред морским жителям умеренных широт, в особенности мелководным. В океанах периодически наблюдается снижение температуры воды, которое связано с долгими и суровыми холодами и нередко становится причиной гибели множества рыб. Приблизительно каждые 6-8 лет гибнет большое количество рыбы на мелководье Мексиканского залива и у техасского побережья Америки. Изменения насыщенности кислородом воды и ее температуры ведут к гибели многих морских жителей и, в результате, рыбы.

Что называют апвеллингом?

Апвеллинг – это подъем вод с глубины в океанах и морях, который сильно охлаждает поверхность моря. Существуют два типа апвеллинга: в открытом океане и около берегов. В открытом океане это явление слабо зависит от капризов погоды и вызвано течениями в океане, связанными с преобладающими ветрами.

Условия для появления вертикального движения воды и ее поднятия наверх с глубины появляются в местах расхождения поверхностных течений или крупных вихрей-круговоротов. Прибрежный апвеллинг зависит от погодных условий — появляется при длительном и мощном ветре, дующем примерно параллельно берегу или под слабым углом к нему, то есть от суши к морю. При этом с поверхности сгоняются воды и на их место приходят холодные воды с глубины.

В каких областях Земли бывает прибрежный апвеллинг?

Апвеллинг довольно часто встречается у берегов Кавказа и Крыма, в Черном море, а также на Каспии и у юго-западного берега Камчатского полуострова. Подъем вод у берегов регулярно происходит у западных берегов Перу, США, Марокко, Австралии и Южной Африки. Его интенсивность увеличивается летом и зимой и становится меньше в переходные сезоны. В нескольких странах, имеющих муссонный климат, апвеллинг появляется летом, когда муссонные ветры сгоняют воду. Постоянный летний апвеллинг встречается в некоторых местах в Бенгальском заливе и на Атлантическом побережье Северной Америки.

До какой температуры при апвеллинге происходит охлаждение поверхностных вод?

Температура при апвеллинге может понизиться от нескольких градусов и до 10-15°С. На Каспии и Черном море встречаются случаи сильных скачков температуры морской воды после сгона береговыми ветрами вод с поверхности: от 20 до 10-11°С и от 24 до 8-10°С соответственно.

Что сопровождает подъем воды с глубины, кроме снижения температуры воды?

Вместе с водами из глубины наверх всплывают и соединения фосфора и азота, что ведет к быстрому распространению фитопланктона в областях апвеллинга. Фитопланктон служит пищей для рачков, которых, в свою очередь, поедают рыбы. По этой причине в этих местах обычно встречается больше рыбы, чем в других областях океана.

Какая погода бывает в областях прибрежного апвеллинга?

В местах регулярного подъема вод с глубины наблюдается низкая температура поверхностного слоя воды и прилежащего к ней слоя воздуха. До некоторого момента температура воздуха повышается, поэтому над областями апвеллинга наблюдаются постоянные температурные инверсии, которые создают преграду для распространения морского влажного воздуха в глубину суши и вверх.

Не происходит и заметного вертикального развития облаков, потому что все запасы влаги размещаются в основном в поверхностном тонком слое воздуха, где постоянно образуются туманы. В таких местах практически не бывает облачности, способной приносить осадки и большой по высоте, и преобладает засушливый климат. Такими местами являются, например, Тихоокеанское побережье Перу и Чили в Южной Америке.

Источник