3.2.2. Пограничный слой атмосферы

Под пограничным слоем атмосферы понимается прилегающий к Земле нижний слой воздуха высотой 1000–1500 м, термодинамический режим которого определяется непосредственным воздействием процессов энерго- и массообмена на подстилающей поверхности и турбулентным перемешиванием. Как и в деятельном слое океана, основными в пограничном слое атмосферы являются силы: градиента давления, Кориолиса и турбулентного трения.

В вертикальной структуре пограничного слоя атмосферы выделяются приводный (над океаном) или приземный (над сушей) слои воздуха высотой 30–60 м, в которых влиянием сил Кориолиса и градиента давления можно пренебречь по сравнению с силами турбулентного трения, а потоки импульса, тепла и влаги считать постоянными по высоте.

По сравнению с приземным приводный слой атмосферы обладает по меньшей мере двумя особенностями: повышенной влажностью и подвижностью подстилающей поверхности. Первая из них способствует более интенсивному поглощению лучистой энергии Солнца и теплового излучения океана и атмосферы, что в определенных условиях может иметь существенное значение, пока еще недостаточно исследованное. Вторая — подвижность воды — приводит к возникновению поверхностного волнения и дрейфовых течений под действием ветра. Волнение осложняет вертикальную структуру приводного слоя появлением в воздушном потоке затухающих с высотой индуцированных колебаний на основных энергонесущих частотах спектра волн. При сильных штормовых ветрах и обрушивании волн возможно появление водяной пыли и брызг в воздухе и пузырьков воздуха в воде, так что сама граница раздела вода — воздух становится неопределенной и превращается в некоторый слой двухфазной жидкости. Количественное описание процессов энерго- и массообмена для таких условий еще не разработано и требует специальных методов.

3.2.3. Взаимодействие пограничных слоев

Изложенная схема вертикальной структуры пограничных слоев океана и атмосферы соответствует некоторым осредненным условиям. В действительности, отдельные реализации профилей ветра, температуры и влажности в воздухе, скоростей течения, температуры и солености в воде, согласно многочисленным измерениям, обнаруживают значительно более сложную структуру. Для характеристики ее в океанологических исследованиях последних лет установилась специальная терминология: тонкая структура и микроструктура. Изучение взаимодействия турбулентности, тонкой структуры, микроструктуры и волновых движений в формировании гидрофизических полей является сейчас одним из наиболее актуальных направлений. К этим вопросам мы еще вернемся в последующем изложении.

В динамическом взаимодействии пограничных слоев океана и атмосферы решающая роль принадлежит атмосфере. Воздушные потоки, воздействуя на поверхность воды, вызывают ветровые волны и дрейфовые течения, служащие источником динамической турбулентности в воде. Проблема передачи энергии ветра воде, генерации ветровых волн и течений, так же как и методы расчета их основных характеристик при различных гидрометеорологических ситуациях, еще далеки от однозначного и полного решения.

В термическом взаимодействии определяющую роль играет тепловое состояние деятельного слоя океана и, в частности, температура на его поверхности. Поглощая лучистую энергию Солнца, океан подогревает атмосферу снизу, снабжая ее теплом за счет явного и скрытого тепла и теплового излучения с поверхности воды. Неравномерное по пространству поступление тепла от океана в атмосферу вызывает соответствующую неравномерность поля давления и движение воздушных масс, в свою очередь воздействующих на поверхность воды при динамическом взаимодействии.

Таким образом, в общем процессе взаимодействия пограничных слоев наиболее четко проявляется их единство и обратные связи между океаном и атмосферой.