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

нических систем гидродинамические эффекты создают нисхо­ дящие перемещения, а по их периферии — восходящие. Цикло­ нические системы являются их антиподами и в отношении вер­ тикальных потоков. В итоге создается довольно сложное взаи­ мообусловленное обращение масс в горизонтальных и верти­ кальных плоскостях. В квазистационарных макроциркуляционных системах это обращение масс приобретает установив­

шийся характер.

Вертикальные движения начинаются вблизи поверхности Земли, поэтому свойства водных и воздушных масс, вовлекаю­ щихся в такие обращения, определяются физико-географиче­ скими условиями, в которых они формировались. Из этих свойств особенно большое значение имеет их плотность, зави­ сящая в первую очередь от характеристики термических по­ лей в месте образования данных масс.

Водные и воздушные массы, перемещаясь на то или иное расстояние от поверхности Земли, в зависимости от их плот­ ности и интенсивности вертикальных движений, распростра­ няются затем на различных уровнях в горизонтальном направ­ лении. Вовлекаясь в вертикальные перемещения, они снова попадают в поверхностные слои. Таким образом замыкается вертикальное обращение масс.

В процессе перемещения масс происходят их смешение и трансформация. Образуются новые водные и воздушные мас­

структурной единице самостоятельными системами обращения масс.

Такие системы образуются благодаря изменению направ­ лений и скоростей переноса масс в отдельных слоях, а также большому различию между горизонтальными и вертикальны­ ми скоростями. В атмосфере интенсивность вертикальных пе­

ванной среде. Между этими процессами поддерживается ди­ намическое равновесие за счет устойчивости макроциркуляционных систем. Если бы не было такой квазистационарности условий, не могли бы иметь место столь хорошо выраженная

20

стратификация и неоднородность физико-химических полей. Перенос и перераопределение масс теснейшим образом взаимосвязаны с обменом энергии и веществ. В планетарном обмене особенно большую роль играет тепло- и влагообмен между океанооферой, атмосферой и литосферой. Непосредст­ венные измерения составляющих тепло- и влагообмена крайне ограниченны, а по некоторым из них и полностью отсутствуют какие-либо прямые определения. Поэтому приходится широ­ ко привлекать различные расчетные методы с использова­

равенство (баланс) между приходом и расходом тепла и вла­ ги. В каждой конкретной точке океана разность между при­ ходными и расходными составляющими тепло- и влагообмена представляет собой бюджет, который может иметь самые раз­ личные значения.

Наиболее объективным критерием оценки общего влагооб­ мена Мирового океана с атмосферой является величина реч­ ного стока. Она должна быть равна разности между количе­ ством воды, испаряющейся с поверхности Мирового океана, я всей массой осадков. По величине мирового речного стока был сбалансирован бюджет влаги поверхности Мирового океана. По рекомендации А. С. Монина, аналогичная операция прове­ дена и по бюджету тепла.

Основные черты планетарного теплообмена. Солнечная энергия, поглощаемая поверхностью земного шара, расходует­ ся затем на испарение и перенос тепла турбулентными пото­ ками. На испарение уходит в среднем по всей планете около 80%, а на турбулентный теплообмен — остальные 20% ог общего тепла.

Процессы теплообмена и изменения с географической ши­ ротой его составляющих в океане и на суше отличаются боль­ шим своеобразием. Все тепло, поглощаемое сушей весной и летом, полностью теряется осенью и зимой; при сбалансиро­ ванном годовом бюджете тепла он, следовательно, повсемест­ но оказывается равным нулю.

ВМировом океане благодаря большой теплоемкости воды

иее подвижности в низких широтах происходит накопление тепла, откуда оно переносится течениями в высокие широты, где расходование его превышает поступление (рис. 4). Таком

21

Рис. 4. Тепло- и влагообмен Мирового океана с атмосферой в среднем за год.

Вверху — суммарный бюджет тепла в ккал/см2 в год (точками выделены

акватории, в пределах которых океан расходует больше тепла, . чем полу­ чает). Внизу — влагообмен в г/см2 в год (точками отмечены области, где

испарение превышает осадки).

22

образом покрывается дефицит, создающийся в теплообмене

воды с воздухом.

В экваториальной зоне Мирового океана при большой ве­ личине поглощаемой солнечной радиации и пониженном рас­ ходовании энергии годовой бюджет тепла имеет максималь­ ные положительные значения (табл. 2). С удалением от эква­ тора положительный годовой бюджет тепла уменьшается из-за увеличения расходных составляющих теплообмена, главным образом испарения. С переходом от тропиков к умеренным широтам бюджет тепла становится отрицательным.

Особо следует остановиться на районах с отрицательным годовым бюджетом тепла, приуроченным к Гольфстриму и Куросио. Эти мощные потоки выносят в умеренные и высокие широты огромную массу тепла из тропической зоны, обуслов­ ливая большую разность между температурой воды и возду­ ха. Происходит очень сильная теплоотдача в атмосферу, и по­ тому расход тепла с поверхности океана значительно превы­ шает его поступление.

В областях, которые весь год не очищаются от льдов, судя по имеющимся ограниченны,м данным, величина отрицатель­ ного бюджета тепла начинает сокращаться. Это и естественно, поскольку лед является теплоизоляционным покровом, ограж­ дающим воду от очень сильного охлаждения.

К сожалению, пока еще не было возможности произвести количественную оценку перераспределения тепла в толще вод Мирового океана. Такие расчеты начаты в Институте океано­ логии АН СССР. Они потребуют много времени и сил. Анализ тех же процессов в атмосфере привел нас к заключению о том, что в планетарном обмене основное значение имеет перерас­ пределение масс в нижней тропосфере1.

Основные черты планетарного влагообмена. По сущест­ вующим оценкам с поверхности земного шара ежегодно испаряется 520-103 км3 воды. Лишь около 15% этой влаги испаряется с поверхности суши, остальное поставляет Миро­ вой океан. Общее количество воды, испаряющейся с его по­ верхности, примерно на 35—37 тыс. км3 (,по оценкам различ­ ных авторов) больше того, что возвращается с осадками. Этот объем влаги, уносящийся на сушу, изливается дождем и выно­ сится реками в моря и океаны. Таким образом, замыкается общепланетарный круговорот воды, благодаря которому под-

1 См. кПланбтарные процессы и изменения природы Земли».

23

Т а б л и ц а 2

Средние широтные величины бюджета тепла поверхности Мирового океана

держиваются динамическое равновесие между основными его составляющими, а следовательно, и современный уровень Ми­

рового океана.

Основные закономерности изменения с географической ши­ ротой испарения и осадков диаметрально противоположны (рис. 4, табл. 3). В экваториальной области испарение мини­ мально, а осадков больше, чем где-либо в другой части Миро­ вого океана. Максимальное испарение отмечается в тропиче-

24

Т а б л и ц а 3

Средние широтные величины бюджета влаги поверхности Мирового океана

ских и субтропических широтах. По занимаемой площади эти районы очень велики и потому отдают основную массу влаги атмосфере. За счет испарения в тропиках создается тот дефи­ цит, который покрывается речным стоком. С удалением отсю­ да к полюсам испарение быстро понижается до нулевых зна­ чений в приполярных районах. У осадков же появляется вто­ рой максимум .в умеренной зоне, после чего количество их уменьшается до минимальных значений в субполярных обла­ стях.

25

Эти особенности влагообмена океана с атмосферой оказы­ вают большое влияние на климат и свойства вод Мирового океана, что далее подлежит специальному рассмотрению. Кроме того, необходимо отметить тесную взаимосвязь между влаго- и теплообменом. В процессе влагообмена поддержи­ вается динамическое равновесие между количеством погло­ щаемой солнечной радиации и теплом, идущим на испарение

влаги, с одной стороны, и с другой — между энергией, выде­ ляемой при конденсации водяных паров, и ее расходованием

на поддержание атмосферной циркуляции. Без сохранения подвижного равновесия между этими процессами происходило бы постепенное односторонне направленное потепление или похолодание нашей планеты.

ГЛАВА II

ОВЗАИМОЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ

ИЦИРКУЛЯЦИЕЙ ВОД МИРОВОГО ОКЕАНА

Впроцессе планетарного обмена энергии и веществ фор­ мируются свойства вод Мирового океана, постоянно возбуж­ дается и поддерживается перенос водных масс1. В условиях динамического равновесия планетарного обмена, в пределах каждой фазы развития природы Земли создаются совершенно

определенные стратификация и циркуляция вод, отличаю­ щиеся большой устойчивостью. Их теснейшая взаимосвязь определяется взаимозависимостью между полем движения н полем масс. Поэтому циркуляция вод должна изучаться в условиях реально стратифицированного океана, а структура вод — в соответствии с тем влиянием, которое оказывает обра­ щение вод на перераспределение водных масс21.

1 Под водными массами понимаются большие объемы (мас­ сы) воды, занимающие обширные акватории и обладающие специфическими, только им присущими, консервативными свой­ ствами. Эти свойства они приобретают в определенных районах и сохраняют при перемещении за пределы области своего фор­ мирования даже после значительной трансформации, происхо­ дящей в результате смешения с водами других типов.

устройство чего-либо». Интерпретируя это общее понятие отно­ сительно Мирового океана, можно сказать, что под структурой вод следует понимать закономерности изменения физико-хими­ ческих свойств, проявляющихся в определенном сочетании раз­ личных типов вод (водных масс).

26

Для современной эпохи развития Земли характерно-нали­ чие в Мировом океане хорошо выраженной четырехслойной стратификации вод. В соответствии с глубиной расположения различных вод, отличающихся друг от друга своими физико­ химическими свойствами, принято выделять следующие четы­ ре типа водных масс: поверхностные, промежуточные, глубин­ ные и придонные.

Основываясь на закономерностях стратификации, можно установить границы между водами различных свойств по вер­ тикали и по горизонтали и тем самым перейти к познанию их структуры. Исследование стратификации вод выявляет общие черты строения физико-химических полей. Изучение структуры вод связано с установлением границ между различными типа­ ми вод.

Наличие нескольких однотипных водных масс вызвало не­ обходимость введения объединяющего структурного термина, указывающего их местоположение в толще вод океана. С этой целью было предложено понятие о структурных зонах' (по­ верхностной, промежуточной, глубинной и приданкай), пред­ ставляющих собой слои воды, в которых располагаются одно­ типные водные массы Ч Было установлено, что структурные зоны в Мировом океане повсеместно сменяют друг друга по вертикали (рис. 9). Их разделяют пограничные слои. Глубина расположения границ структурных зон определяется особен­ ностями циркуляции вод. В областях антициклонического обращения в результате нисходящих движений границы структурных зон опускаются, а в циклонических круговоротах :(с преобладающими восходящими движениями) они припод­ нимаются. Соответственно изменяется и их толщина.

Исключительно большая устойчивость стратификации, структуры вод и свойств водных масс определяется квазиста­ ционарностью циркуляции вод и наличием самостоятельных1

1 Термин «зона» может показаться не совсем удачным, так как он широко применяется для характеристики различных явлений, которым свойственна горизонтальная протяженность

вширотном направлении. Вместе с тем этот термин употреб­ ляется для характеристики природных условий, изменяющихся

вгорных местностях с высотой; зона лесов, зона лугов, зона ледников и т. п. Для наименования основных структурных еди­ ниц в атмосфере, как известно, применяется термин «сфера» (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера). Весьма употребительное понятие «слой» не может быть исполь­ зовано, поскольку и структурные зоны в океане, и «сферы» в воздухе подразделяются, в свою очередь, на несколько харак­ терных слоев.

27

вертикальных систем обращения вод в пределах каждой структурной зоны. Полное представление о структуре вод мо­ жет дать рассмотрение стратификации физико-химических полей1, структурных зон и водных масс. В то же время пра­ вильное и глубокое понимание циркуляции немыслимо вне ре­ ально стратифицированной среды (океана, моря). Их анализ; целесообразно предварить краткой характеристикой взаимо­ связи между свойствами и динамикой вод в пределах отдель­ ных структурных зон.

Свойства вод поверхностной структурной зоны формиру­ ются в процессе непосредственного обмена энергии и веществ; между океаном и атмосферой. В такой обмен вовлекается от­

носительно небольшой слой воды толщиной всего около 200— 300 м. В соответствии с особенностями развития планетарных

процессов у поверхности Земли динамика и физико-химиче­ ские характеристики вод подвержены широтной изменчивости. Циркуляция вод представляет собой последовательно сменяю­ щие друг друга с географической широтой антициклоничеокие- и циклонические макроцнркуляционные системы (рис. 19, 20 и 28). Сезонные изменения динамики и свойств вод в основном ограничиваются поверхностной структурной зоной.

Воды промежуточной структурной зоны образуются глав­ ным образом из поверхностных, опускающихся в местах ин­ тенсивных нисходящих движений, которые возбуждаются го­ ризонтальной циркуляцией на поверхности. Увлекаясь на раз­ личные глубины (в зависимости от плотности и мощности вертикальных потоков), они несколько охлаждаются и уплот­ няются в результате смешения с другими водами. Затем про­ межуточные водные массы начинают перемещаться на раз­ личных уровнях в горизонтальном направлении. Возникнове­ ние горизонтального переноса обусловлено компенсационным эффектом, поскольку в одних местах происходит постоянноеопускание вод, а в других— их подъем.

С началом горизонтального движения заметно ослабевает влияние поверхностных макроциркуляционных систем. Преоб­ ладание зональной циркуляции отмечается до оси промежу­ точных вод, располагающейся большей частью на глубине- 800—1000 м. Ниже этой оси все более усиливается меридио­ нальный перенос (рис. 19, 22 и 23). Тем самым начинает осу­ ществляться межзональный обмен вод, энергии и веществ-1

1 В первую очередь полей температуры, солености и плот­ ности воды.

28

{рис. 27—29). Следовательно, промежуточная структурная зо­ на играет особую «промежуточную» роль в процессах обмана энергии и веществ в Мировом океане, подобно стратосфере воздушной оболочки. На верхнюю часть промежуточной струк­ турной зоны, как и на нижние слои стратосферы, большое влияние оказывают процессы, зарождающиеся у поверхности Земли. В остальной же толще обеих сред формируются сущест­ венно отличные условия.

В промежуточной структурной зоне воды из низких широт, проникая в полярные области, создают теплую промежуточ­ ную прослойку (рис. 35 и 37). Опресненные воды высоких широт, перемещаясь в направлении экватора, образуют под высокосолеными поверхностными тропическими водами мощ­ ный промежуточный слой с пониженной соленостью. Вынос вод из Средиземного, Красного морей и Персидского залива создает в смежных районах океана промежуточный слой с по­ вышенной соленостью (рис. 43 и 45).

Процессы, свойственные промежуточной структурной зоне, распространяются до глубины 1500—2000 м. Ниже распола­ гаются глубинные воды, еще более изолированные от непо­ средственного влияния обмена океана с атмосферой, создаю­ щего всю сложность процессов в поверхностных и промежу­ точных водах. Однако динамика и свойства глубинных и при­ донных вод определяются тем переносом и перераспределе­ нием масс, которые возбуждаются планетарным обменом энергии и веществ. Для глубинных вод большую роль играет меридиональный обмен, прослеживающийся на большей ча­ сти Атлантического, Индийского и Тихого океанов, а также обмен между всеми океанами (рис. 29). Он возбуждается раз­ личием свойств вод каждого из океанов и антарктическим циркумполярным (круговым) переносом, захватывающим всю толщу океана.

Глубинным водам свойственна большая гомогенность (однородность) и небольшая интенсивность обращения. Одна­ ко масса переносимой энергии и веществ весьма велика, по­ скольку огромны объемы вод. Толщина занимаемого ими слоя около 2000 м, в нем заключена почти половина всей массы вод Мирового океана.

Граница между глубинными и придонными водами распо­ лагается примерно на глубине 4000 м. Придонные воды, обра­ зуясь главным образом в Антарктике, перемещаются на север по наиболее глубоким котловинам я соединяющим их прохо­ дам (рис. 29). Распространяясь по обширнейшим пространст­

29

1