Цепи событий рождаемых тесным взаимодействием четырех общепланетарных факторов атмосферы океана

Взаимодействие атмосферы и океаносферы

Проникновение света в воду. Прозрачность и цвет морской воды

Проникновение света в воду зависит от ее прозрачности. Прозрачность выражается числом метров, то есть глубиной, на которой еще виден белый диск диаметром 30 см. Наибольшая прозрачность (67 м) наблюдалась в 1971 г. в центральной части Тихого океана. Близка к ней прозрачность Саргассова моря – 62 м по диску диаметром 30 см. Другие акватории с чистой и прозрачной водой располагаются также в тропиках и субтропиках: в Средиземном море — 60 м, в Индийском океане – 50 м. Высокая прозрачность тропических акваторий объясняется особенностями циркуляции воды в них. В морях, где количество взвешенных частиц увеличивается, прозрачность уменьшается. В Северном мое она равна 23 м, в Балтийском – 13 м, в Белом – 9 м, в Азовском – 3 м.

Прозрачность воды имеет высокое экологическое, биологическое и географическое значение: вегетация фитопланктона возможна только до глубин, на которые проникает солнечный свет. Для фотосинтеза требуется сравнительно много света, поэтому с глубин 100-150 м, редко 200 м растения исчезают. Нижняя граница фотосинтеза в Средиземном море находится на глубине находится на глубине 150 м 150 м, в Северном море – 45 м, в Балтийском море – всего 20 м.

Атмосфера и океаносфера по динамике и структуре весьма близки и образуют единую систему. Однако масса воды в океане в 300 раз больше, чем масса воздуха в атмосфере. Если бы атмосфера имела плотность воды, то толщи ее равнялись бы всего 10 м. В тепловом отношении активнее океан, а в динамическом атмосфера. Относительная высокая плотность и повышенная динамическая устойчивость воды (по сравнению с воздухом) обусловливают и более медленный по сравнению с атмосферой обмен веществами и энергией. Все это способствует стабильности общепланетарных гидрометеорологических процессов.

Взаимодействие воздушной и водной оболочек начинается с тончайшего, в несколько молекулярных диаметров, но не больше 1 мм слоя. Именно с этого слоя происходит испарение, этот слой воспринимает удары и трение воздуха, на него падают лучи. При волнении ветром срываются капли воды с растворенной в них солью. Так происходит механическое испарении. Воздушные пузырьки воды лопаются и в воздухе оказываются водяной пар и кристаллы соли. Под воздействием солнечного тепла происходит физическое испарение. От поверхности моря отрываются молекулы воды, а с ними и соль. Так в атмосферу проникают пар и аэрозоли. При солевом обмене между океаносферой и атмосферой, образно называемом солевым дыханием океана, соли не только переходят из воды в воздух, но меняется их механический состав. Речной сток восполняет убыток сульфатов в океане в процессе обмена солями в системе «океаносфера-атмосфера-суша».

Горизонтальный и вертикальный переносы масс воды в океане осуществляется циркуляционными системами различных размеров. Эти системы принято делить на микро-, мезо- и макроциркуляционные. Обращение воды обычно происходит в форме системы вихрей, которые могут быть циклоническими (масса воды движется против хода часовой стрелки и поднимается) и антициклональными (с движением воды по ходу часовой стрелки и вниз). Движения обоих родов соответствуют атмосферным и порождаются волновыми фронтальными возмущениями. Цикло-антициклоническая деятельность в тропосфере продолжается вниз, в океаносферу. Локализована же она в соответствии с атмосферными фронтами и центрами действия атмосферы.

При постоянном перемещении водных масс в одних местах они сходятся, в других расходятся. Сходимость называется конвергенцией, расходимость – дивергенцией. При конвергенции вода накапливается, уровень океана повышается, увеличивается давление и плотность воды и она опускается. При дивергенции (например, при расхождении течений) происходит понижение уровня и подъем глубинных вод.

Схождение и расхождение может быть между движущейся водной массой (например, течением) и берегом. Если в результате действия силы Кориолиса течение подходит к берегу, то возникает конвергенция и вода опускается. При удалении же течения от берега наблюдается дивергенция, в результате которой поднимается глубинная вода. Наконец, и вертикальная и горизонтальная циркуляция вызывается разностью плотностей воды.

Микроциркуляционные системы в океане имеют форму вихрей циклонического и антициклонического характера диаметром от 200 м до 30 км. Образуются они обычно вдоль волновых возмущений фронта, в глубину проникают на 30-40 м, местами до 150 м и существуют несколько суток.

Мезоциркуляционные системы представляет собой круговороты воды также циклонического и антициклонического характера диаметром от 50 до 200 км и глубиной обычно 200 – 300 км, иногда до 1 км. Они возникают на изгибах фронтов. Замкнутые круговороты воды формируются и вне связи с фронтами. Их могут вызвать ветер, неровности океанического дна или конфигурация берегов.

Макроциркуляционные системы – это квазистационарные системы планетарного обмена вод, обычно называемые океанскими течениями.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Взаимосвязь процессов в океане и атмосфере

Взаимодействие океана и атмосферы определяет погоду и климат различных областей земного шара, тепловой и динамический режим Мирового океана. Практическое значение решения этой проблемы очевидно — оно открывает пути для разработки более совершенного долгосрочного прогноза погоды, прогноза изменения климата, прогноза режима Мирового океана. Сейчас эта проблема стала одной из важнейших проблем.

Океан и атмосфера соприкасаются на пространстве, составляющем около 71% поверхности планеты. На всем этом пространстве между газовой и жидкой оболочками Земли происходит непрерывное взаимодействие в разнообразных процессах. Только приливные явления, из всех происходящих в Мировом океане процессов, могут рассматриваться независимо в океане и атмосфере.

Все процессы в океане и атмосфере возбуждаются единым источником энергии — солнечным излучением — и представляют собой различные части единого механизма, в котором происходит трансформация тепловой энергии Солнца в другие виды энергии.

Тепловое и динамическое взаимодействие, обмен влагой являются основными процессами во взаимодействии океана и атмосферы. Именно эти процессы имеются в виду, когда рассматривается проблема взаимодействия океана и атмосферы. В нее входит и взаимодействие атмосферы с поверхностью материков, без которого крупномасштабное взаимодействие было бы не полным.

В тепловом отношении океан более активен, так как обладает большим запасом тепла, а атмосфера более активна в динамическом — в силу большей подвижности и больших запасов кинетической энергии.

В ряде отдельных процессов можно видеть преобладание определенно направленного воздействия атмосферы на океан или океана на атмосферу. Однако в целом процессы взаимодействия в системе океан-атмосфера происходят с активной обратной связью. Поэтому причины и следствия в цепи взаимодействия могут меняться местами, и в большинстве случаев невозможно указать, находятся причины в атмосфере или в океане.

В результате теплового и динамического взаимодействия газообразной и жидкой оболочек Земли создается основной фон жизни океана и атмосферы, на котором развиваются все остальные физические, а также химические, биологические и геологические процессы, поглощающие несравненно меньшую часть приходящей на Землю солнечной энергии.

Воздействие атмосферы на океан проявляется в основном в передаче ему количества движения. Под действием касательного напряжения и пульсаций давления турбулизированного ветрового потока в океане возникают дрейфовые течения, ветровое волнение, внутренние волны. Энергией циркуляции атмосферы, т.е. режимом преобладающих ветров над океанами, обусловлены главные черты системы общей циркуляции вод океана и ветрового волнения.

Воздействие океана на атмосферу проявляется главным образом в передаче ей тепла и влаги. Существенную роль при этом играет скрытая теплота, содержащаяся в водяном паре и реализуемая атмосферой в районах конденсации. Тепло океана передается в атмосферу процессами испарения, турбулентного теплооомена и длинноволнового излучения с поверхности океана.

Благодаря большой тепловой инерции деятельного слоя океана его тепловое состояние более стабильно и меняется во времени медленнее, чем тепловое состояние атмосферы. Поэтому крупномасштабные движения в атмосфере стремятся приспособиться к тепловому состоянию океана.

Важную роль регулятора в процессах взаимодействия океана с атмосферой играет облачность.

В облачности при конденсации выделяется скрытая теплота испарения, но в тоже время она экранирует прямую солнечную радиацию.

Поэтому распределение облачности создает неравномерность в прогреве верхних слоев океана.

Длительные аномалии в количестве облаков над данным районом океана способствуют образованию аномалий в теплосодержания деятельного слоя.

При этом изменяется испарение, турбулентный и лучистый теплообмен океана с атмосферой, что соответствующим образом изменяет облачность и другие характеристики атмосферы. Таким образом, облачность осуществляет обратную связь в процессах воздействия океана на атмосферу и может придавать этим процессам колебательный характер.

В районах частой повторяемости штормов резко увеличиваются турбулентные потоки тепла и влаги, в результате чего эти области являются очагами интенсивного взаимодействия океана и aтмосферы.

Источник

Взаимодействие океана и атмосферы

Мы знаем, что атмосфера сильно влияет на поведение океана. Воздушные течения создают водные течения.

Такие крупнейшие течения в океане, как Гольфстрим и Куросио, возникают в результате действия ветра. Ветер создает морские волны, а морские волны — это одна из «прелестей» океана. Наличие облачности, температура воздуха и тот же ветер определяют прогревание или охлаждение океанской воды. Наоборот, океан влияет на атмосферу, оказывая на нее прежде всего тепловое воздействие. Поскольку теплоемкость воды во много раз больше, чем теплоемкость воздуха, достаточно, например, охладить 100-метровый слой воздуха на 7ю градуса, чтобы атмосфера прогрелась в среднем на 6°. Тепловое воздействие океана на воздух очень велико, и также велико влияние океана на атмосферу вследствие испарения влаги. Влага попадает в воздух главным образом из океанов. Из океанов в год испаряется 3,34X10 14 т воды, а с суши в 5 раз меньше. Почти вся влага попадает в воздух именно с океана, на испарение тратится около 1/3 поглощаемого Землей солнечного тепла. В результате такого взаимодействия формируются долгосрочные изменения погоды.

Так же формируется и климат Земли, и колебания климата. Например, потепление климата, наблюдавшееся в первую половину XX в., а сейчас, по-видимому, закончившееся, должно найти свое объяснение в процессах взаимодействия океана и атмосферы. Потепление климата является одной из наиболее актуальных проблем современной геофизики.

Взаимодействие океана и атмосферы можно разделить на две части: 1) мелкомасштабные процессы и 2) крупномасштабные процессы.

Мелкомасштабные процессы — это образование потоков тепла, влаги и количества движения на поверхности моря, разделяющей океан и атмосферу.

Очень большую роль в их формировании играют штормы, во время которых основная масса тепла и влаги переходит из океана в атмосферу. Не, учитывая штормы, только по средним климатическим данным невозможно вычислить, сколько же тепла и влаги переходит в атмосферу и каково крупномасштабное воздействие тепла и влаги, которые поступают из океана в атмосферу.

Очень много внимания уделял этим процессам академик В. В. Шулейкин. За последние годы интересная работа была выполнена американским ученым Дж. Бьеркнесом, который установил, что малый ледниковый период, имевший место в XVII—XIX вв., по-видимому, объяснялся тем, что в северо-восточной части Атлантики вода была аномально холодной, а в Саргассовом море аномально теплой. Наблюдалась ослабленная циркуляция атмосферы зимой. Вникая в механизм воздействия океана на атмосферу, можно найти ключ к объяснению колебаний климата, вначале с непродолжительными периодами — в полвека, затем — в несколько веков, и в конце концов мы подойдем к причинам возникновения ледниковых периодов.

Надо сказать, что в настоящее время предлагается много гипотез о возникновении ледниковых периодов, но науке еще предстоит решить эту проблему.

Автор: А. С. Монин, доктор физико-математических наук, профессор

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт океанологии им. П.П. Ширшова
Российской академии наук

Взаимодействие океана и атмосферы

преподаватель: Репина Ирина Анатольевна, доктор физико-математических наук, профессор РАН

Дать общее понимание процессов взаимодействия на границе океан-атмосфера в разных пространственно-временных масштабах и их роли в моделировании океана, прогнозе состояния его отдельных компонентов.

• ознакомить студентов с основными процессами взаимодействия океана и атмосферы в различных масштабах, географическими особенностями их проявления в разных районах океанов и в морях;
• дать представление об основных методах исследования процессов взаимодействия;
• показать практическую важность взаимодействия океана и атмосферы для решения задач прогноза изменений климата, рационального использования природных ресурсов и охраны водной и воздушной сред.

Содержание курса, структурированное по темам (разделам)

Система океан-атмосфера, ее суть и особенности.
Исторический обзор; Факторы, определяющие изменчивость системы океан-атмосфера. Внешние и внутренние процессы; Масштабы временной изменчивости системы океан-атмосфера. Колебания вынужденные и свободные. Положительные и отрицательные обратные связи; Фундаментальные следствия взаимодействия океана и атмосферы; Отличие в свойствах океана и атмосферы. Общность законов изменения основных термодинамических характеристик атмосферы и океана.

Пограничный слой атмосферы
Планетарный слой атмосферы. Экмановский пограничный слой. Атмосферный пограничный слой. Основы физики пограничного слоя атмосферы, законы сопротивления и теплопередачи. Вертикальное распределение метеорологических элементов в пограничном слое атмосферы. Классификация моделей пограничного слоя атмосферы; замыкание моделей, граничные условия. Когерентные структуры, мезо- и крупномасштабное влияние потоков плавучести на структуру АПС.

Основы физики приземного (приводного) слоя атмосферы
Баланс сил, понятие слоя постоянства потоков тепла и влаги; Понятие атмосферной турбулентности; Основные отличия морской поверхности от твердой стенки; Характеристики приводного слоя (коэффициенты турбулентного обмена, числа Шмидта, Прандтля, Ричардсона); Логарифмический закон распределения метеоэлементов в приземном слое атмосферы; Спектры пульсаций метеопараметров; Устойчивость и типы стратификации в приземном слое (число Монина-Обухова). Основы полуэмпирической теории подобия Монина-Обухова. Влияние взволнованной водной поверхности на микровзаимодействие, волновое сопротивление водной поверхности.

Гидродинамические свойства поверхности моря
Гидродинамические свойства поверхности моря, ламинарный (вязкий) подслой; Параметр шероховатости; Перенос количества движения в приводном слое воздуха; Тангенциальное напряжение ветра (коэффициент трения); Общая характеристика тепловлагообмена между морем и атмосферой; Контактный теплообмен, теплообмен излучением, испарение; Методы расчета и измерений турбулентных потоков тепла, влаги и импульса. Балк-формулы. Теория процессов контактного теплообмена и испарения (числа Стэнтона, Дальтона, Боуэна); Полуэмпирические теории теплообмена и испарения; Зависимость потока количества движения от ветра и волн. Влияние стратификации. Температурный режим поверхности моря. Холодная пленка.

Действие ветра на море
Классическая теория ветровых волн. Вероятностные гидродинамические модели волнения. Факторы волнообразования и их роль в развитии волнения. Уравнение баланса волновой энергии. Гипотезы подобия для процессов ветрового волнения; универсальные функции, возраст и степень развития волнения. Понятие о режиме волнения и волновом климате. Генерация и рост волн. Сопротивление, испарение и теплопередача на разных стадиях развития волнения. Статистическое описание ветровых волн. Энергетические спектры ветрового волнения, фазовая скорость. Прогноз волнения. Формула Чарнока, динамика развития поверхностных волн, характеристика высокочастотного участка спектра ветрового волнения.
Происхождение дрейфовых течений. Экмановская идеализация теории ветровых волн и течений. Апвеллинги, нагоны.

Пограничный слой океана
Турбулентность в верхнем слое океана. Мелкомасштабная и крупномасштабная океанская турбулентность. Коэффициенты турбулентного обмена, турбулентная диффузия примесей. Конвекция в верхнем слое океана. Верхний квазиоднородный слой и сезонный термоклин в океане. Приповерхностная инверсия температуры воды в океане.

Физико-химическое взаимодействие атмосферы и океана
Физико-химическая характеристика поверхности раздела жидкость-газ. Поверхностное натяжение и пленки. Процессы массопереноса. Пограничный диффузионный слой. Мономолекулярный слой поверхностно-активных веществ на поверхности океана. Пузыри и брызги. Перенос вещества через границу океан-атмосфера. Баланс солей и отдельных элементов в системе океан-атмосфера. Обмен газами между океаном и атмосферой.

Тепловой баланс системы атмосфера-океан
Лучистые потоки тепла в атмосфере и океане. Солнечное излучение. Длинноволновое излучение атмосферы и океана. Отражение и поглощение радиации океаном. Радиационный баланс океана. Глобальный бюджет тепла, составляющие теплового баланса. Годовой ход составляющих теплового баланса. Меридиональный перенос тепла в атмосфере. Источники и стоки тепла в системе атмосфера-океан-материк.

Глобальное взаимодействие океана и атмосферы
Теория подобия для глобального взаимодействия океана и атмосферы. Бароклинная неустойчивость, необходимые условия. Баротропная неустойчивость. Вихри в океане, фронты, общая циркуляция в атмосфере. Облачность как продукт и регулятор взаимодействия атмосферы и океана, конвекция кучевых облаков. Междугодовая изменчивость системы атмосфера-океан-континент. Крупномасштабное взаимодействие океана и атмосферы и долгопериодные прогнозы погоды. Климат земли при различных условиях глобального взаимодействия атмосферы и океана. Современный климатический режим и оценки его вариаций. Иерархия моделей климатической системы.

Региональные особенности взаимодействия атмосферы и океана.
Механизм взаимодействия океана и атмосферы в умеренных, тропических и полярных широтах. Тропические циклоны: структура, климатология. Воздействие тропических циклонов на океан. Тропические ураганы. Влияние температуры поверхности океана на региональный климат. Эль-Ниньо — Южное колебание. Лед как продукт взаимодействия океана и атмосферы. Закономерности формирования ледяного покрова. Влияние ледяного покрова на теплообмен атмосферы с океаном. Влияние полыней и разводий на взаимодействие атмосферы и океана в полярных областях. Различие климата Северной и Южной полярных областей. Местные и катабатические ветра.

1. Океанология. Гидрофизика океана. М.: «Наука». 1978. Стр. 208-339.
2. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. М.: Мир. 1986. пер. с англ. 1т. – 398 с., 2 т. – 417 с.
3. Доронин Ю.П. Взаимодействие океана и атмосферы. Л.: Гидрометиздат., 1981, 287 с.
4. Перри А.Х., Уокер Дж.М. Система океан-атмосфера. пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат. 1979. 195 с.
5. Краус Е. Б. Взаимодействие атмосферы и океана Л., Гидрометеоиздат, 1976, 296с.
6. Лайхтман Д. Л. Физика пограничного слоя атмосферы Л., Гидрометеоиздат, 1961, 252 с.
7. Федоров К. Н., Гинзбург А. И. Приповерхностный слой океана Л., Гидрометеоиздат, 1988, 302 с.

Учебно-методические материалы для самостоятельной работы

1. И.А. Репина Методы определения турбулентных потоков над морской поверхностью. Москва, 2007, ИКИ РАН, 36 с.

1. Безбородов А.В., Еремеев В.Н. Физико-химические аспекты взаимодействия океана и атмосферы. Киев. Наукова думка. 1984. 183 с.
2. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 292 с.
3. Шулейкин В.В. Избранные труды. Крупномасштабное взаимодействие океана и атмосферы. М.: Наука, 1986, 174 с.
4. Китайгородский С.А. Физика взаимодействия атмосферы и океана. Л.: Гидрометеоиздат. 1970, 284 с.
5. Взаимодейсмтвие океана и атмосферы в северной полярной области // под ред. А. Ф. Трешникова и Г. В. Алексеева.- Л.,Гидрометеоиздат, 1991, 176 с.
6. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 376 с

Перечень ресурсов, необходимых для освоения дисциплины

1. http://lib.mipt.ru/ – электронная библиотека Физтеха
2. http://benran.ru –библиотека по естественным наукам Российской академии наук
3. http://www.edu.ru – федеральный портал «Российское образование».

Необходимое программное обеспечение

1. MATLAB
2. Golden Software Surfer

Источник