Как происходит взаимодействие океана с атмосферой

Взаимодействие океана с атмосферой и сушей и его роль в жизни планеты

Существовали времена в древнейшей истории планеты, когда всю поверхность Земли покрывали водные массы. В этих бесконечных пространствах когда-то зарождалась первая жизнь в виде одноклеточных существ. Затем из воды выделились материки (правда, в глубокой древности они имели совсем не такой вид, как сегодня). Взаимодействие океана с атмосферой и сушей обусловило выход жизненных форм из водной среды, их развитие и многообразие. А в итоге – появление на Земле высших млекопитающих и человека.

Значение мирового океана

В жизнедеятельности всей планеты как единого организма океанические массы выполняют важнейшие задачи. Взаимодействие океана с атмосферой и сушей определяется некоторыми физическими свойствами воды, которой свойственно поглощать гораздо большее количество тепла, чем суше. Вода нагревается медленнее, но зато длительное время способна удерживать тепло. Таким образом, более двух третей всего тепла, полученного от Солнца, поглощается водными массами. А всего лишь в десяти сантиметрах воды на поверхности содержится намного больше тепла, чем в атмосферных слоях. Не случайно мировой океан называют аккумулятором тепловой энергии в планетарном масштабе. Взаимодействие океана с атмосферой и сушей выражается в первую очередь в том, что он поставляет в воздух влагу, которая затем в виде осадков питает сушу Земли. Так достигается глобальный круговорот воды, без которого жизнь на планете была бы под большим вопросом (по крайней мере, на наземной ее части).

Солевой обмен

Взаимодействие океана и атмосферы оказывает влияние на «обмен веществ» в планетарном масштабе. В чем же он состоит? Давайте рассмотрим поподробнее. Итак, мы выяснили, что мировой океан насыщает атмосферу влагой и затем напитывает осадками участки суши. Но одновременно с этой влагой (в ходе испарений и разбрызгивания при помощи ветров) в воздухе оказываются соли, которыми полна океанская вода. Превращенные в аэрозоли (мельчайшие частицы, взвешенные в атмосфере), эти соли входят в состав осадков, выпадающих на землю.

Обмен влагой и теплом

Взаимодействие океана с атмосферой и сушей можно описать следующей схемой. Холодные воздушные массы нагреваются над теплыми слоями океана, а теплый воздух, наоборот, охлаждается над холодными. Запасенное океаном тепло (и влага) уходит в ближние слои атмосферы. Над поверхностью мирового океана формируются особые морские воздушные массы. Они кардинально отличаются от континентальных повышенной влажностью и разбросом температурного режима. Данные особенности температур (их различие) способствуют возникновению разницы в атмосферном давлении и способствуют перемещению воздушных масс с океана на материки. Именно поэтому на побережье всегда особый, мягкий, «морской» климат.

Ветры и течения

Яркий пример взаимодействия – муссоны, особые сезонные ветра. Они формируются на границе воды и суши и сильно влияют на климатические условия материков.

Течения в мировом океане (к примеру, Гольфстрим), как результат взаимодействия, также выполняют одну из важнейших задач. Они носят огромнейшие количества тепла (больше, чем передается по воздуху) от экваториальных до умеренных и даже полярных широт, обеспечивая энергоснабжение и своеобразное «отопление» Земли.

Гидросфера: взаимодействие океана и атмосферы

Гидросфера – водная оболочка планеты. Она включает в себя все виды вод на Земле: мировой океан, подземные, поверхностные континентальные. Их общий объем достигает более полутора миллионов кубических километров с массой, превышающей массу атмосферы в сотни раз. Из них океанические воды занимают большую часть – свыше 95%. Принято считать, что в гидросфере впервые появилась и начала развиваться жизнь. И только в палеозое животные и растения стали выбираться на сушу.

Жизнь в океане

Взаимодействие океана с атмосферой и сушей обуславливает многообразие жизненных форм в мировом океане. В нем рождается и развивается великое многообразие живых существ: от мельчайших микроорганизмов до самых больших млекопитающих на планете – гигантских китов. Океан – кладезь пищевых запасов для всего человечества. Здесь ведется промысел млекопитающих, лов рыб, сбор водорослей и планктона. А из морских даров получают не только пищу, но и лекарства от болезней.

Источник

Как происходит взаимодействие океана с атмосферой

Водная и воздушная оболочки Земли соприкасаются друг с другом на пространстве, равном площади поверхности Мирового океана. Обе среды постоянно находятся в непосредственном контакте и на поверхности раздела вода-воздух непрерывно обмениваются энергией и веществом. Связь между океаном и атмосферой настолько тесна, что изменения в одной из сред не могут быть поняты и объяснены без учета влияния другой среды и наоборот. Поэтому в настоящее время все в большей степени становятся необходимыми строгие количественные критерии изменчивости состояния атмосферы и океана. С этих позиций атмосфера и океан рассматриваются как единая термодинамическая система.

Взаимодействие атмосферы и океана (ВАО) есть совокупность разномасштабных, взаимовлияющих механизмов обмена теплом, влагой, импульсом, солями и газами, обеспечивающая в многолетнем плане динамически равновесное состояние климатической системы Земли. Соприкасающиеся газовая и жидкая среды отличаются по многим параметрам, таким как плотность, степень подвижности, химический состав, теплофизические свойства, которыми определяются значительные градиенты многих характеристик на поверхности контакта, вызывающие соответствующие потоки разных субстанций. Например, плотность воды почти на три порядка превышает плотность воздуха, соответственно скорости ветров как минимум на два порядка выше скоростей морских течений. Средняя по массе температура Мирового океана, равная 3,7 о С, на 22,3 о С выше, чем средняя по массе температура атмосферы. ВАО в значительной степени определяется состоянием поверхности океана. Средняя температура воды на поверхности океана (17,82 о С) на 3,6 о С выше, чем средняя температура воздуха у поверхности Земли, следовательно, поток тепла преимущественно направлен от поверхности океана вверх.

Безоблачная атмосфера практически прозрачна для большей части солнечной коротковолновой радиации. Океан, напротив, в основном поглощает коротковолновую энергию и при этом нагревается, а отдает тепло в длинноволновом инфракрасном диапазоне, нагревая таким образом атмосферу. Иными словами, атмосфера нагревается снизу, океан – сверху. В результате океан оказывается стратифицирован преимущественно устойчиво, а в нижней атмосфере очень часто наблюдается неустойчивая стратификация.

Поступление тепла на земную поверхность изначально задано равномерным достаточно стабильной светимостью Солнца, но из-за сферичности Земли, ее осевого и орбитального вращения, а также наклона оси вращения к плоскости эклиптики оказывается весьма изменчивым по времени и пространству, в результате чего в атмосфере и верхнем деятельном слое океана постоянно наблюдаются значительные горизонтальные градиенты температуры. Последние в свою очередь вызывают соответствующие перестройки в поле плотности, что приводит к перемещению воздушных масс, возникновению ветра, волнения, морских течений, то есть прежде всего – динамическому взаимодействию воздушной и водной оболочек Земли. Одновременно происходит испарение воды – наиболее энергоемкий в климатической системе процесс фазового перехода жидкости в пар. Так дается начало созданию механизмов перераспределения тепла и влаги, которые имеют наиболее высокий энергетический уровень. За ними следуют менее энергоемкие, но весьма важные процессы обмена солями и газами.

Практически все движения воды в океане (за исключением имеющих приливную природу) есть прямой или опосредованный результат атмосферных воздействий. Таковы широко распространенные в океане ветровые волны, дрейфовые течения, океанские вихри, а также упомянутые сейши, ветровые и волновые нагоны – то есть явления, возникающие в результате воздействия атмосферы на водную поверхность.

Принципиальная разница взаимовлияния жидкой и газовой земных сфер заключается еще и в том, что атмосфера оказывает на океан преимущественно динамическое воздействие, а океан на атмосферу – тепловое.

Процессы взаимодействия океана и атмосферы, приводящие к взаимному приспособлению геофизических полей, являются одними из наиболее сложных в климатической системе Земли. Большинство этих процессов происходят одновременно, на разных уровнях и разных пространственно–временных масштабах.

Источник

§ 12. Взаимодействие океана с атмосферой и сушей

Роль океана в жизни планеты определяется замечательными свойствами воды, которая поглощает гораздо больше тепла, чем поверхность суши. Вода в отличие от суши медленно нагревается, но долго удерживает тепло.

Огромная поверхность океана поглощает 2/3 тепла, поступающего на Землю от Солнца. В десятиметровом слое поверхностных океанических вод тепла содержится больше, чем во всей атмосфере. Поэтому океан называют накопителем тепла на планете. Он поставляет в атмосферу и влагу, питает осадками сушу.

Одновременно с влагой в процессе испарения и разбрызгивания воды под влиянием ветра в воздух попадают соли, растворенные в океане. Эти соли переходят в аэрозоли (мельчайшие взвешенные в воздухе частицы) и определяют солевой состав атмосферных осадков.

Рис. 29. Взаимодействие океана и атмосферы

Роль воздушных масс во взаимодействии океана с атмосферой и материками особенно велика. Поверхность океана активно взаимодействует с атмосферой, обмениваясь с ней теплом и влагой. Этот обмен происходит в результате нагревания холодного воздуха над теплой поверхностью океана и, наоборот, охлаждения теплого воздуха над более прохладными водами. При испарении воды с поверхности океана происходит ее охлаждение, а запасенное в испарившейся воде тепло передается нижнему слою атмосферы.

Большой запас тепла в водах океана влияет на свойства воздушных масс. Над его поверхностью образуется особый подтип — морские воздушные массы, которые отличаются от континентальных (образующихся над сушей) большей влажностью и небольшими различиями температур между сезонами года. Температурные различия над поверхностью океана и суши создают разницу в атмосферном давлении, вызывают перемещение воздушных масс, которые переносят тепло (холод) и влагу с океана на материки. Поэтому на побережьях образуется особый океанический (морской) климат. Наиболее ярким примером взаимодействия океана с материками служат муссоны. Эти сезонные ветры образуются на границах больших массивов суши и океанов. (Объясните их происхождение и влияние на климат суши и прибрежных вод океана в разные сезоны года.)

Огромную роль во взаимодействии океана с атмосферой и сушей играют течения. Они усиливают обмен теплом и влагой между океаном и сушей. От экватора к полюсам они переносят значительно больше тепла, чем воздушные массы. Мощные течения (Гольфстрим, Куросио и др.) несут теплую воду из тропических широт в умеренные и приполярные. Поэтому зимой, когда континенты охлаждены, нагретый теплыми течениями воздух переносит тепло на сушу. При этом повышается температура воздуха в прибрежных и даже достаточно удаленных от океана частях материков. Например, в Северной Атлантике поверхность океана отдает атмосфере тепла больше, чем получает его там же от нагревания солнечными лучами. Западные ветры переносят это тепло в Евразию.

Велика роль и круговорота воды во взаимодействии океана и суши. Океан — главный источник поступления влаги в атмосферу. Круговорот воды — это основа образования вод суши, увлажнения почвы, жизни различных организмов на суше. За год со всей поверхности океана испаряется слой воды толщиной около метра. Однако уровень океана не понижается, так как в него поступают осадки из атмосферы, стекают воды, приносимые реками.

Таким образом, Мировой океан оказывает огромное влияние на природу материков благодаря движению воздушных масс и круговороту воды. Океан определяет облик планеты в целом.

Задания.

1. Как осуществляется обмен тешюм и влагой между океаном и сушей?
2. Чем различаются воздушные массы, образующиеся над сушей и океаном?
3. По рисунку 29 определите взаимодействие океана и атмосферы.

Источник

Взаимодействие океана и атмосферы

Взаимодействие океана и атмосферы можно анализировать по двум направлениям:

Энергетическое взаимодействие океана и атмосферы многообразно. Главным является их взаимодействие как противоположно устроенных термических систем.

Атмосфера, как термическая система, получает тепловую энергию главным образом путем подогрева снизу, от земной поверхности. Земная поверхность в целом поглощает около 80% солнечной энергии. Всего лишь около 20% тепловой солнечной энергии поглощается непосредственно воздухом и облаками. Почти все тепло, получаемое нижними слоями атмосферы, является скрытым теплом конденсации, заложенным в водяном паре. При этом более половины этого тепла поступает из тропических районов. Большая же часть атмосферы имеет низкую температуру и не поглощает тепловую энергию, а излучает ее в космическое пространство.

Океан, как тепловая система, устроен противоположным образом. Верхний слой океана является мощным поглотителем тепловой энергии. Поверхность океана поглощает 99,6% поступающего на нее тепла и отражает всего лишь 0,4%. Для суши показатель поглощения составляет всего 55-69%. Причем суша занимает менее 1/3 площади земной поверхности. Следовательно, поверхностный слой океанской воды представляет собой главный аккумулятор тепла на Земле. В нижележащих слоях воды, напротив, происходит рассеивание тепловой энергии. Поскольку теплоемкость воздуха гораздо ниже, чем воды, при контакте воздуха с водной поверхностью происходит отдача тепла в атмосферу и понижение температуры поверхностного слоя океана.

Скрытая энергия, поступившая в атмосферу с водяными парами, частично преобразуется в механическую энергию. Она обеспечивает перемещение воздушных масс. Механизм этого преобразования малоэффективен. Лишь 1-2% тепловой энергии переходит в механическую. Остальная часть тепла расходуется на покрытие потерь радиации в мировое пространство. Но и этого количества энергии оказывается достаточно, чтобы привести в движение огромные массы воздуха и обеспечить горизонтальную циркуляцию в поверхностном слое океана.

Взаимодействие гидросферы с атмосферой сопровождается также и обменом веществами. Важнейшим веществом, поставляемым океаном в атмосферу, являются водяные пары (500 тыс. км3 в год по Калинину). Поступление водяного пара происходит из:

гигантских вертикальных кучево-дождевых облаков в экваториальной зоне океана. Эти облака засасывают водяные пары и скрытую в них энергию в атмосферу на высоту 10-15 км;

пассатных кучевых облаков тропических зон. Причем эти облака создают влажный конвективный слой, мощностью до 3 км, постепенно углубляющийся вдоль воздушного потока.

Огромные массы водяных паров поступают в атмосферу также из других климатических зон океана, а также в результате механического испарения. В процессе механического испарения происходит унос водяной пыли при сильных ветрах в нижние слои воздуха.

При механическом испарении в атмосферу поступают также соли. Вынос солей в атмосферу в молекулярно-дисперсном состоянии происходит и при нормальном испарении. Концентрация метаморфизированных до молекулярно-дисперсного состояния солей в поверхностном слое воды может достигать 0,5 мг на 1 л испаряющейся воды. Таким путем в атмосферу поступают ионы Na, Mg, Са, K, Сl, СО3, SO4. В дальнейшем вместе с дождевыми водами они возвращаются в океан или поступают на сушу.

Атмосфера, в свою очередь, является главным поставщиком для океана углекислоты, азота и кислорода. Холодные воды служат лучшими растворителями углекислоты. Поэтому максимальное содержание углекислого газа приурочено к придонным слоям воды в высоких широтах. В поверхностном слое воды происходит интенсивное потребление углекислого газа фотосинтезирующими организмами. С глубиной содержание растворенного углекислого газа нарастает примерно до глубины 200 м и затем до дна остается почти без изменений. Меньшая часть углекислого газа поступает в результате окислительных процессов при разложении органической материи, а также при подводных вулканических извержениях.

При преобладании процесса изъятия углекислоты из атмосферы, все же происходит и отдача некоторого ее количества из океана в воздушную оболочку. Интенсивно поглощаясь холодными водами в высоких широтах, углекислый газ в экваториальных и тропических широтах выделяется из воды в атмосферу. В умеренных зонах зимой происходит интенсивное поглощение СО2 водами океана, а летом, при прогревании поверхностного слоя воды, СО2 отдается в атмосферу. Концентрация или дефицит углекислого газа в океанских поверхностных водах существенно влияет на всю гидрохимическую обстановку.

Ежегодно в виде известковых скелетов морских организмов на дно океана поступает около 2,5 ∙ 1014 г углерода. В результате в осадочных породах земной коры накоплено углерода на несколько порядков величин больше, чем его содержится в атмосфере и гидросфере. Так количество углерода в атмосфере оценивается величиной 6,3 ∙ 1017 г, в гидросфере 3,6 ∙ 1019 г. Концентрация углерода в земной коре в виде каустобиолитов оценивается величиной 6,4 ∙ 1021 г, а в виде известняков и доломитов 5 ∙ 1022 г. Подавляющая часть захороненных в земле каустобиолитов имеет органическое происхождение. Осаждение карбонатов идет преимущественно биологическим путем. Следовательно, их энергетический потенциал можно рассматривать как ресурсы преобразованной и законсервированной солнечной энергии, накопленные за миллиарды лет существования жизни на нашей планете. Вместе с тем накопление каустобиолитов и карбонатных пород в толще осадочного слоя земной коры, подстилающего океаны, представляет собой результат мощного крупномасштабного взаимодействия атмосферы, биосферы, водной оболочки и литосферы.

Основная масса азота, поступающего в морские воды, также имеет атмосферное происхождение. В 1 л воды в среднем содержится около 13 мг растворенного азота. Меньшая часть азота в океане высвобождается в результате разложения органической материи.

Непосредственным источником кислорода в океанической воде является также кислород атмосферы. Способность воды растворять кислород достаточно велика. В результате океан нормально аэрируется до самых больших глубин. Но воздух сам получает кислород, который высвобождающийся в процессе фотосинтеза, из поверхностного слоя океана. По мнению А. П. Виноградова этот процесс потребляет только около 2% поступающей солнечной энергии. Но этой энергии хватает, чтобы фотосинтез в поверхностном слое явился главным фактором обеспечения атмосферы кислородом.

Поверхностный слой воды перенасыщен кислородом, что видно по постоянному присутствию пузырьков газа на планктонных организмах. При дыхании растения потребляют около 15% продуцируемого ими кислорода, часть потребляют другие организмы, часть уходит из поверхностного слоя с погружающимися массами воды при вертикальном перемешивании, но большая часть кислорода отдается в атмосферу.

Количество выделяемого при фотосинтезе кислорода зависит непосредственно от интенсивности фотосинтеза. Поэтому области интенсивного фотосинтеза одновременно представляют собой области и перенасыщения кислородом и интенсивной отдачи его в атмосферу. В океанических областях с малой продуктивностью фитопланктона, напротив, происходит поглощение кислорода из атмосферы. При морском волнении, особенно при сильных штормах, отдача кислорода в атмосферу значительно усиливается.

Источник