книги из ГПНТБ / Степанов В.Н. Мировой океан. Динамика и свойства вод

(без его морей и прибрежного мелководья) сделано около 200 тыс. океанографических станции i. В Атлантическом океа­ не количество их несколько превышает 100 тыс., в Тихом — 70— 80 тыс., а в Индийском — менее 10 тыс. В открытой части Се­ верного Ледовитого океана (в Арктическом бассейне, также без учета морей) общее число станций, выполненных с дрей­ фующих льдов, по-видимому, достигло нескольких тысяч.

Несмотря на большие различия в общем объеме данных, накопленных по отдельным океанам, обеспеченность ими еди­ ницы площади оказывается повсеместно примерно одинако­ вой. Это объясняется тем, что преобладающая масса океано­ графических станций приходится на северо-западные и севе­ ро-восточные окраины Атлантического и Тихого океанов (рис. 2); количество их в пределах десятиградусных трапеций превышает 1000. На всей же остальной акватории Мирового океана число станций на той же единице площади уменьшает­ ся от нескольких сотен к северу от экватора до 10—50 и менее в Южном полушарии. Обширные акватории южных частей

1 Океанографические станции начали выполняться около 100 лет назад. Однако преобладающее их большинство полу­ чено после второй мировой войны.

10

океанов имеют единичные океанографические станции или вовсе лишены их. Таким образом, далеко не везде можно по­ лучить надежные средние значения исходных данных и прочие статистические характеристики. Преобладающее большинство наблюдений относится к верхней 1000—2000-метровой толще вод.

Изучение сезонной изменчивости гидрометеорологических условий может быть проведено только по данным, относящим­ ся к северным частям океанов. Однако и здесь преобладающее большинство океанографических станций относится к теплому времени года. К югу же от акватора по холодному периоду имеются единичные данные. Бессистемное выполнение океано­ графических исследований крайне затрудняет анализ межго­ довой изменчивости процессов даже по тем акваториям, кото­ рые сказались наиболее насыщенными наблюдениями.

Общее число океанографических станций, выполненных в морях, достигает 150—200 тыс. Особенно много станций сде­ лано в морях Баренцевом, Норвежском и Гренландском, Се­ верном и Японском (около 10—20 тыс. в каждом из них). Не­

Азовском, Беринговом, Охотском. Наиболее систематические исследования проводятся в евразийских арктических морях, что связано с научно-оперативным обеспечением навигации на Северном морском пути.

Весьма неравномерное распределение имеющихся данных по времени и пространству сильно осложняет изучение дина­ мики и свойств вод океанов и морей. Положение спасает боль­ шая устойчивость преобладающих процессов в Мировом океа­ не, которая увеличивается с удалением от поверхности к дну.

Поскольку книга построена на обобщении обширных, пре­ имущественно оригинальных материалов, она может быть по­ лезна весьма широкому кругу лиц, интересующихся теми во­ просами, которые в ней рассматриваются. Этим определялось стремление к их изложению в возможно более доступной фор­ ме, не снижая, однако, научного уровня освещаемых проблем. Первая часть книги, посвященная структуре и циркуляции вод Мирового океана, построена главным образом на оригиналь­ ных материалах Института океанологии АН СССР, многие из которых публикуются впервые; некоторые из них были подго­ товлены автором для настоящего издания. Во второй части работы освещаются важнейшие физико-химические свойства океанических вод на основе обобщения литературных мате­

12

Часть Циркуляция и структура

в о д

Мирового океана

Свойства и динамика океанических вод, обмен энергии и веществ как в Мировом океане, так и между океаносферой и атмосферой сильно зависят от процессов, определяющих при­ роду всей нашей планеты. Вместе с тем сам Мировой океан оказывает исключительно сильное влияние на планетарные процессы, т. е. на те процессы, с которыми связано формиро­ вание и изменение природы всего земного шара.

ГЛАВА I

ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ И ДИНАМИКИ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА В ПРОЦЕССЕ ПЛАНЕТАРНОГО ОБМЕНА ЭНЕРГИИ И ВЕЩЕСТВ

Глобальный обмен тепла, влаги, газов, биогенных и мине­ ральных веществ возбуждается и постоянно поддерживается притоком солнечной энергии.

Солнечная энергия, поглощаемая поверхностью земного шара. К верхней границе воздушной оболочки нашей планеты, согласно существующим расчетам, поступает 170 ккал/см2 в год солнечной энергии. До поверхности Земли доходит только 70% ее, остальные 30% рассеиваются и поглощаются атмо­ сферой. Количество солнечной радиации, достигающей земной поверхности, в среднем для всей планеты составляет 130 ккал/см2 в год. Часть ее отражается от поверхности воды и суши, а некоторое количество уже усвоенной радиации снова излучается в атмосферу. В результате величина поглощенной солнечной энергии в среднем для всего земного шара оказы­

14

вается равной 70 ккал/смг. Это составляет примерно около половины приходящей энергии.

Поглощенная солнечная радиация в Мировом океа,не в целом составляет 80 ккал/см^ в год, тогда как для всей суши — только 50 ккал/см2 в год. В одних и тех же широтах океан поглощает на 25—50% больше тепла, чем суша (рис. 3). Столь значительное различие объясняется физическими свой­ ствами воды, благодаря которым она способна усвоить больше

тепла.

Широтные изменения поглощенной солнечной энергии сильно отличаются от широтных изменений радиации, дости­ гающей поверхности Земли (табл. 2). Значительно сглажива­ ются различия в количестве энергии, которая поглощается в. экваториальной и тропической зонах. Субполярный минимум исчезает, а в полярных областях годовой радиационный бюд­ жет становится отрицательным (до —2,5 ккал/см2 в год в Арктике и —5 ккал/см2 в год в Антарктике). Зимой Арктика и Антарктика теряют за счет излучения больше тепла, чем^ получают его летом.

На суше все тепло, получаемое весной и летом, расходует­ ся осенью и зимой. В водах Мирового океана за долгую исто­ рию Земли накопилось в 500—1000 (местами в 1500) раз боль­ ше того количества тепла, которое поступает на его поверх­ ность в течение года. Это объясняется высокой теплоемкостью воды и ее интенсивным перемешиванием, в процессе которого происходит сложное перераспределение тепла в толще океаносферы. Теплоемкость всей атмосферы в 4 раза меньше, чем у десятиметрового слоя вод Мирового океана.

Перенос и перераспределение масс, возбуждаемые солнеч­ ной энергией. Неравномерное распределение солнечной энер­ гии на поверхности земного шара приводит к созданию круп­ номасштабной горизонтальной неоднородности термических полей как в атмосфере, так и в океаносфере. Особенно велика такая неоднородность между низкими и высокими широтами. Она усиливается различием нагрева атмосферы и Мирового океана и сезонной изменчивостью термических процессов на материках.

На формирование термических полей влияет и власообмен между океаном и атмосферой за счет потребления тепла на испарение и выделения его при конденсации водяных паров. Горизонтальные неоднородности плотностей, возникающие в процессе тепло- и влагообмена, в соответствии с законами тер­ модинамики возбуждают перенос водных и воздушных масс в

15

циркуляции, как указывают Б. Л. Дзердзеевский и А. С. Мо­ нин, в умеренных широтах создаются большие широтные гра­ диенты линейной скорости. Возникающее при этом вихреобразование приводит к постепенному увеличению циклонических и антициклонических систем, благодаря чему усиливается ме­ ридиональный воздухообмен. Он приводит к уменьшению тем­ пературных контрастов между экватором и полюсами и пото­ му зональный перенос начинает ослабевать; широтные гради­ енты линейной скорости уменьшаются, а воздушные вихри размываются. Однако непрекращающийся приток солнечной энергии вызывает постоянное обострение меридиональных контрастов и, следовательно, возобновление интенсивности зонального переноса. «Происходящее при этом накопление количественных характеристик, — пишут Б. Л. Дзердзеевский и А. С. Монин1,— создает новые качественные соотношения и сопровождается усилением контрастов между отдельными процессами обеих групп. Каждый атмосферный процесс и каждая группа таких процессов развиваются до достаточного накопления между ними контрастов, а затем характер цирку­ ляции быстро, скачком, меняется; образуется ее новая форма, новый тип». Борьба между противоположными процессами — постоянным притоком солнечной анергии (вызывающим зо­ нальный перенос) и планетарной макротурбулентностыо (спо­ собствующей его ослаблению), пишут далее те же авторы, определяет то, что атмосферу можно считать «автоколеба­ тельной системой, а автоколебания циркуляции — основой си­ ноптических процессов».

В результате постоянного изменения активности противо­ положно направленных процессов усиливается то широтный, то меридиональный перенос. В тропосфере более 70% кине­ тической энергии приходится на зональный перенос и менее 30% — на меридиональный.

В водах Мирового океана благодаря большей плотности среды зональный перенос оказывается устойчивее, чем в атмо­ сфере. Его нарушения меридиональными вторжениями наибо­ лее часты во фронтальных областях, где создаются особенно значительные температурные градиенты. Возникающие здесь макротурбулентные вихри носят локальный характер и срав­ нительно быстро затухают. Особенно обстоятельно эти про-

1 В статье «Типовые схемы общей циркуляции атмосферы в Северном полушарии и индекс циркуляции». — Изв. АН СССР, сер. геофизическая, 1954, № 6, стр. 565.

18