Р1Т2

Толмачева Н.И.

Раздел 1. Система атмосфера-океан и ее особенности Тема 2. Масштабы временной изменчивости системы и ее механизмы

2.1. Взаимодействие атмосферы и океана

Взаимодействие атмосферы и океана определяет погоду и климат различных областей земного шара, тепловой и динамический режим Мирового океана. Практическое изучение данной проблемы открывает пути для разработки более совершенного долгосрочного прогноза погоды, прогноза изменения климата, режима Мирового океана, в настоящее время она является одной из важнейших.

Атмосфера и океан взаимодействуют на поверхности, составляющей около 71% поверхности планеты. На всем этом пространстве между газовой и жидкой оболочками Земли происходят разнообразные процессы и непрерывное их взаимодействие. Только некоторые из них, например, приливные явления, могут рассматриваться независимо в океане и атмосфере.

Все процессы в атмосфере и океане возбуждаются единым источником энергии солнечным излучением и представляют собой различные части единого механизма, в котором происходит трансформация тепловой энергии Солнца в другие виды. Тепловое и динамическое взаимодействие, обмен влагой являются основными процессами во взаимодействии атмосферы и океана, именно они исследуются в дисциплине (входят также вопросы взаимодействие атмосферы с поверхностями материков, океанов, без их рассмотрения крупномасштабное взаимодействие не будет полностью исследовано).

Атмосфера активна в динамическом отношении в силу подвижности и больших запасов кинетической энергии, а океан в тепловом, так как обладает большим запасом тепла. При протекании некоторых процессов видно преобладание определенно направленного воздействия атмосферы на океан или океана на атмосферу, но в целом процессы взаимодействия в системе атмосфера-океан происходят с активной обратной связью. Поэтому причины и следствия в цепи взаимодействия могут меняться местами, и в большинстве случаев трудно указать, находятся причины в атмосфере или в океане. В результате теплового и динамического взаимодействия газообразной и жидкой оболочек Земли создается активность атмосферы и океана на фоне которой развиваются физические, химические, биологические 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, режимом преобладающих ветров над

1

океанами, обусловлены главные черты системы общей циркуляции вод океана, ветрового волнения, уровенной поверхности. Например, колебания атмосферного давления при прохождении циклонов, создают в океане градиентные течения, долгопериодные внутренние волны, сгонно-нагонные изменения уровня.

Воздействие океана на атмосферу проявляется в передаче ей тепла и влаги, важную роль играет скрытая теплота, содержащаяся в водяном паре и реализуемая атмосферой в районах конденсации. Тепло океана передается в атмосферу процессами испарения, турбулентного теплообмена 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. Распределение величин результирующего теплообмена океана с атмосферой определяет районы наибольшего поступления тепловой энергии в атмосферу, следовательно, и районы наибольшей термодинамической активности в атмосфере. Например, системы течений Гольфстрим и Куросио.

Важную роль регулятора в процессах взаимодействия океана с атмосферой играет облачность. В ней при конденсации выделяется скрытая теплота испарения, и она же экранирует прямую солнечную радиацию, поэтому распределение облачности создает неравномерность в прогреве верхних слоев океана. Длительные аномалии в количестве облачности над определенным районом океана способствуют образованию аномалий теплосодержания деятельного слоя. При этом изменяется испарение, турбулентный и лучистый теплообмен океана, что соответствующим образом изменяет облачность и другие характеристики атмосферы.

Таким образом, облачность осуществляет обратную связь в процессах воздействия атмосфера-океан и может придавать им колебательный характер. В районах частой повторяемости штормов резко увеличиваются турбулентные потоки тепла и влаги, в результате чего эти области являются очагами интенсивного взаимодействия атмосферы и океана. Морской лед также играет роль своеобразного регулятора в теплопередаче атмосфераокеан в полярных областях, уменьшая теплообмен.

2.2. Изменчивость процессов океана

Проблема взаимодействия атмосферы и океана сложна, а форма и содержание взаимодействия многообразны. Важно классифицировать процессы взаимодействия по масштабам, деление определяется масштабом неоднородностей граничных условий на поверхности планеты. Многообразные внутренние процессы в атмосфере и океане связаны между собой, например, взаимосвязь прослеживается как между малыми объемами воды, так и между водными массами всего океана. В основе данной взаимосвязи лежат циркуляционные процессы, спектр их широк от

2

процессов на молекулярном уровне до процессов всего океана. Для океанов специфичны динамические, химические, биологические и геохимические процессы формирования вертикальной и горизонтальной структуры водных масс, сообществ морских организмов и их продуктивность. Циклические процессы в основе формирования этих структур проявляются в виде почти замкнутых круговоротов массы и вещества. Не полная замкнутость имеет принципиальное значение для взаимосвязанности явлений, именно передача энергии от одного цикла в другой и осуществляет эту взаимосвязь. Детально изучены динамические циклы переноса вод, они получили название изменчивости вод, а А.С.Мониным в 1974 г. предложена классификация изменчивости вод океана:

Мелкомасштабная изменчивость с временным масштабом от долей секунды до десятков минут. К ней относятся поверхностные и внутренние волны, турбулентность и процессы эволюции вертикальной микроструктуры. Поверхность океана практически всегда деформирована волнами. Высота волн в океане может достигать 20-30 м. Волны играют большую роль в перемешивании верхнего слоя океана, в создании верхнего однородного слоя. Переслоенность плотностной структуры океана основа развития внутренних волн, которые могут возбуждаться приливообразующими силами, изменением атмосферного давления, ветром, течениями. Турбулентность играет важную роль в вертикальном перемешивании вод, в обмене количеством движения и тепла с атмосферой.

Мезомасштабная изменчивость с периодами от часов до суток. К ней относятся приливные и инерционные колебания, возникающие под действием гравитационного притяжения Луны и Солнца, сил инерции. Этим же интервалом характеризуются суточные вертикальные миграции планктона, которые в некоторых районах океана достигают сотен метров.

Синоптическая изменчивость от нескольких суток до месяцев. Проявляется в океане в виде горизонтальных вихрей размером в сотни километров. Главным управляющим фактором синоптической изменчивости является накапливающийся эффект воздействий на океан ветра и тепла. Синоптическая изменчивость отражается также в температурных колебаниях, которые могут достигать местами нескольких градусов. Синоптический период имеет смена влаги в атмосфере и воды в реках. Так, вода в атмосфере сменяется за год 37 раз, т.е. примерно каждые 10 дней. Обновление вод в реках происходит каждые 11 дней.

Сезонная изменчивость с годовым периодом и кратными ему частями. Причиной этих колебаний является годовое движение Земли вокруг Солнца и связанный с этим годовой ход солнечной радиации в различных широтных зонах. Сезонная изменчивость прослеживается в биологической продуктивности отдельных районов Мирового океана, а также в годовых колебаниях температуры воды на поверхности. Так, в северо-западных районах Атлантического и Тихого океанов амплитуда годовых колебаний температуры воды достигает 16-20°С. Пространственные масштабы сезонных колебаний находятся в зависимости от меридиональной

3

протяженности природных зон и их особенностей. Продолжительность отдельных сезонов меняется с широтой. Климатические и гидрологические сезоны в основном совпадают. Однако, между ними существуют и определенные различия, которые увеличиваются в направлении от экватора к полюсам.

Межгодовая изменчивость в ней ярко выражены колебания во взаимодействии атмосферы и океана проявляющиеся в согласованных изменениях состояния атмосферы и больших акваторий океана от года к году. Например, колебания положения и интенсивности северной ветви Гольфстрима с периодом около 3,5 лет, квазисемилетнее явление Эль Ниньопоявление аномально высоких температур воды на поверхности экваториальной части Тихого океана, а также перемещения тепловых аномалий по океаническим круговоротам.

Внутривековая изменчивость с периодами в десятки лет, связанная с колебаниями климата, одновременно охватывает атмосферу и океан. Примером может служить произошедшее в первой половине XX в. потепление вод Арктики и одновременное похолодание в низких широтах. Среди внутривековых наиболее четкими оказались колебания продолжительностью 11 и 20-30 лет. Широко распространены на земном шаре климатические изменения с периодом 30-35 лет. В течение одного такого колебания серия влажных и прохладных лет сменяется сухими и теплыми.

Межвековая изменчивость с периодами в сотни лет. Проявляется в виде межвековых колебаний климата и изменения средней температуры воды значительных акваторий океана. Одно из таких изменений происходило во время так называемого «малого ледникового периода» в ХVII-ХIХ вв. В этот период Саргассово море было на 2°С теплее, а акватория у Исландии на 1°С холоднее современной нормы. Данные отклонения явились результатом ослабления теплообмена в процессах взаимодействия атмосферы и океана. Сотнями лет оценивается время жизни глубинных вод океана, например, Тихого и Индийского 1300 лет, глубинных вод северной части Атлантики

600 лет, Антарктики 100 лет, поверхностных вод северной Атлантики

10 лет. Таким образом, межвековая изменчивость связана также с обменными процессами во всей толще океанических вод, т.е. с общей вертикальной циркуляцией.

2.3.Масштабы временной изменчивости системы атмосфера-океан

Метеорологические наблюдения свидетельствуют о большом разнообразии колебаний характеристик климатической системы, главными из них (по А.С. Монину) являются:

мелкомасштабные колебания с периодами от долей секунд до минут, обусловленные турбулентностью и различного рода волновыми процессами (например, акустическими, гравитационными волнами в атмосфере);

4

мезомасштабные колебания с периодами от минут до часов (к ним принадлежат, например, инерционные колебания). Их интенсивность невелика, и потому энергетический спектр в указанном интервале периодов содержит минимум, отделяющий квазигоризонтальные синоптические возмущения от трехмерных мелкомсштабных неоднородностей;

синоптические колебания с периодами от нескольких часов до нескольких суток в атмосфере и недель в океане. К этой группе относятся также суточные и полусуточные колебания, создаваемые суточными изменениями инсоляции и гравитационными силами Луны и Солнца;

глобальные колебания с периодами от недель до месяцев. Примером могут служить двухнедельные колебания индекса циркуляции (средней угловой скорости вращения атмосферы в умеренных широтах относительно поверхности Земли) и 30 или 60-ти суточные колебания в индоокеанском и тихоокеанском секторах тропической атмосферы;

сезонные колебания, каковыми являются колебания с годовым периодом и их гармоники (в том числе муссонные явления);

межгодичные колебания с периодами порядка нескольких лет. К ним принадлежат квазидвухлетние колебания метеорологических величин, имеющие глобальный характер, и отчетливо выраженные в экваториальной стратосфере (возникающие в результате параметрического резонанса, т.е. резонансного усиления колебаний при медленном изменении параметров атмосферы во времени), квазидвухлетнее явление, получившее название ЭльНиньо (южное колебание), трехлетние автоколебания северной ветви Гольфстрима и др.;

внутривековые колебания с периодами порядка десятков лет, примером которых является потепление в первой половине ХХ в.;

межвековые колебания с периодами порядка нескольких веков или нескольких десятков веков. Их проявления — потепление после конца ледникового периода (90-60-й вв. до н. э.) и установление так называемого «климатического оптимума» в 40-20-х вв. до н. э., последующее похолодание (10-й в. до н. э.- III в. н. э.), новое потепление в ХV-ХVI вв. и похолодание в малый ледниковый период (ХVII-ХIХ вв.);

долгопериодные колебания, продолжительностью порядка десятков тысяч лет (ледниковые и межледниковые эпохи плейстоцена), связанные с изменением параметров земной орбиты и наклона земной оси. Среди подобного рода колебаний астрономического происхождения наибольшим является колебание с периодом 100 тыс. лет. Затем в порядке уменьшения амплитуд располагаются колебания с периодами 22 и 41 тыс. лет. Первый из упомянутых периодов близок к периоду изменения эксцентриситета земной орбиты, второй совпадает с периодом прецессии, третий — с периодом угла наклона земной оси;

изменения геологических эпох продолжительностью порядка десятков и сотен миллионов лет, создаваемые тектоническими процессами и дрейфом континентов.

5

Проявления временной изменчивости климатической системы представлены в спектре колебаний температуры приземного слоя атмосферы на рис. 1.

Рис. 1. Спектр колебаний температуры приземного слоя атмосферы

В зависимости от механизма их возбуждения колебания температуры любых других климатических характеристик можно разделить на вынужденные и свободные. Вынужденными называются колебания, порождаемые внешними воздействиями (например, изменениями инсоляции), свободными — колебания, происходящие независимо от внешнего механического или теплового воздействия и обусловленные внутренней неустойчивостью климатической системы по отношению к малым возмущениям (например, автоколебания в системе атмосфера-океан).

В основе классификации, лежит то, что в любой реальной гидродинамической системе есть вязкая диссипация (если система не движется как твердое тело) и термическая диссипация (средняя скорость выравнивания температурных неоднородностей), если система не изотермична. В свободных колебаниях единственным механизмом, способным уравновесить влияние диссипации, может быть только перенос энергии по спектру, в вынужденных колебаниях влияние диссипации может компенсироваться как за счет каскадного переноса энергии, так и за счет работы вынуждающих сил. Во втором случае сначала возбуждается мода с масштабом длины вынуждающей силы, затем она под влиянием неустойчивости передает свою энергию более высоковолновым модам. Как только энергия этих мод достигает некоторого критического уровня, начинают возбуждаться еще более высоковолновые. Одновременно они оказывают обратное воздействие на порождающие низковолновые, вызывая усиление, стабилизацию и разрушение их. Внешнее воздействие является только одним из возможных механизмов изменчивости.

6