25 Билет

1. Первоисточником энергии для всех процессов, происходящих в атмосфере и гидросфере, является лучистая энергия Солнца, называемая солнечной радиацией. Энергия звездной радиации и тепло, поступающее на поверхность Земли в результате процессов, происходящих в ее глубинных слоях, ничтожно малы по сравнению с солнечной радиацией.

Солнце, наиболее близко расположенная к нам звезда, представляет собой раскаленный газовый шар с температурой поверхности около 6000°С. Температура Солнца возрастает с глубиной, где протекают ядерные реакции. Источником солнечной энергии считается реакция превращения водорода в гелий. Эта энергия распространяется в окружающем пространстве в виде электромагнитной радиации и корпускулярных потоков, состоящих преимущественно из протонов и электронов.

Для наших целей Солнце можно рассматривать как абсолютно черное тело с температурой поверхности 6000 К. Оно испускает электромагнитное излучение, вид энергии, перемещающийся в пространстве со скоростью света (300 000 000 м/сек). Количество энергии, излучаемое единицей поверхности черного тела (E), описывается законом Стефана-Больцмана: E = σT⁴, где -σ так называемая постоянная Стефана-Больцмана, а T-абсолютная температура поверхности.

Хотя Солнце излучает электромагнитные волны очень широкого спектра — от гамма-излучения с длинами волн 10^-10 см и короче до сверхдлинных радиоволн порядка десятков и сотен километров, однако, интенсивность излучения Солнца по длинам волн распределяется неравномерно. Эта энергия распределена в широком диапазоне длин волн, как показано на рис. 1.2.1. В зависимости от длины волн энергетический спектр удобно разделить на три части: >0,7 мк - инфракрасное излучение, составляющее около 48% всей солнечной энергии; 0,4-0,7 мк - видимая часть спектра, составляющая 43%; < 0,4 мк - ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи, составляющие около 9%.

 Приблизительно 99% солнечной радиации имеют длины волн от 0,15 до 4 мк. Максимум интенсивности солнечного света приходится на длину волны 0,5 мк (зелено-голубой свет). Максимум излучения Солнца приходится на 0,5 мкм (сине-голубой участок спектра).

В метеорологии принято выделять коротковолновую и длинноволновую радиацию. К коротковолновой относят радиацию в диапазоне длин волн от 0,1 до 4 мкм, т. е. она включает, кроме видимого участка спектра, еще и ближайшие к нему по длинам волн участки ультрафиолетового и инфракрасного спектра. Длинноволновая — это радиация с длинами волн от 4 до 100—120 мкм. Такой радиацией обладают земная поверхность и атмосфера.

Энергия корпускулярных потоков в среднем в 10⁷ раз меньше, чем энергия электромагнитной радиации Солнца, и она сильно меняется в зависимости от солнечной активности. Под действием корпускулярной радиации происходит ионизация воздуха в верхних слоях атмосферы. Она влияет на магнитное поле Земли, в частности вызывая магнитные бури; ею обусловлены полярные сияния и другие явления в верхних слоях атмосферы. Ниже 90 км корпускулярная радиация почти не проникает.

Количество тепла, приносимого солнечной радиацией на 1 см² поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, в 1 мин называется интенсивностью солнечной радиации. Она измеряется специальными приборами — актинометрами и пиргелиометрами и выражается в кал/(см²-мин) (1 кал ==4,1868 Дж). Вычисления, основанные на многочисленных измерениях у земной поверхности, и непосредственно измерения, проведенные с помощью искусственных спутников Земли и геофизических ракет, показали, что при среднем расстоянии Земли от Солнца интенсивность солнечной радиации составляет 1,98 кал/(см²-мин) или 1,36 квт/м². Эта величина называется солнечной постоянной.

Но постоянна ли она в действительности - остается неясным.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и находится от него в среднем на расстоянии 150 млн. км. Колебания этой величины в настоящее время составляют около 5 млн. км в зависимости от времени года.

До недавнего времени солнечную постоянную определяли, измеряя радиацию на уровне поверхности Земли и внося поправки на ее уменьшение при прохождении через атмосферу. Колебания этой величины, измеренные в нашем веке, дают величину ошибки ее измерения ±5%. Использование данных космического зондирования дало бы нам возможность определить, существуют ли колебания величины солнечной постоянной, связанные, например, с солнечными пятнами -признаком солнечной активности, которые могут оказывать влияние на изменение климата Земли. Однако проблемы калибровки приборов, устанавливаемых на борту спутников Земли, препятствуют получению достаточно надежных данных.

Конве́кция (от лат. convectio — принесение, доставка) — явление переноса теплоты в жидкостях или газах путем перемешивания самого вещества (как вынужденно, так и самопроизвольно). Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.

Турбуле́нтность, устар. турбуле́нция (лат. turbulentus — бурный, беспорядочный), турбуле́нтное тече́ние — явление, заключающееся в том, что при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии. Для расчёта подобных течений были созданы различные модели турбулентности.

2. Океанические, или морские, течения — это поступательное движение водных масс в океанах и морях, вызванное различными силами. Хотя наиболее значительной причиной, образующей течения, является ветер, они могут сформироваться и из-за неодинаковой солёности отдельных частей океана или моря, разности уровней воды, неравномерного нагрева разных участков акваторий. В толще океана существуют вихри, созданные неровностями дна, их размер нередко достигает 100—300 км в диаметре, они захватывают слои воды в сотни метров толщиной.

Если факторы, вызывающие течения, постоянны, то образуется постоянное течение, а если они носят эпизодический характер, то формируется кратковременное, случайное течение. По преобладающему направлению течения делятся на меридиональные, несущие свои воды на север или на юг, и зональные, распространяющиеся широтно - прим. от geoglobus.ru. Течения, температура воды в которых выше средней температуры для тех же широт, называют тёплыми, ниже — холодными, а течения, имеющие ту же температуру, что и окружающие его воды, — нейтральными.

Муссонные течения изменяют своё направление от сезона к сезону, в зависимости от того, как дуют прибрежные ветры муссоны. Навстречу соседним, более мощным и протяжённым течениям в океане, движутся противотечения.

На направление течений в Мировом океане оказывает влияние отклоняющая сила, вызванная вращением Земли, — сила Кориолиса. В Северном полушарии она отклоняет течения вправо, а в Южном — влево. Скорость течений в среднем не превышает 10 м/с, а в глубину они распространяются не более чем на 300 м.

В Мировом океане постоянно существуют тысячи больших и малых течений, которые огибают континенты и сливаются в пять гигантских колец. Система течений Мирового океана называется циркуляцией и связана, прежде всего, с общей циркуляцией атмосферы. Океанические течения перераспределяют солнечное тепло, поглощённое массами воды. Тёплую воду, нагретую солнечными лучами на экваторе, они переносят в высокие широты, а холодная вода из приполярных областей благодаря течениям попадает на юг. Тёплые течения способствуют повышению температуры воздуха, а холодные, наоборот, понижению. Территории, омываемые тёплыми течениями, отличаются тёплым и влажным климатом, а те, около которых проходят холодные течения, — холодным и сухим.

Самое мощное течение Мирового океана — холодное течение Западных Ветров, называемое также Антарктическим циркумполярным (от лат. cirkum — вокруг - прим. от geoglobus.ru). Причиной его образования являются сильные и устойчивые западные ветры, дующие с запада на восток на огромных пространствах Южного полушария от умеренных широт до побережья Антарктиды. Это течение охватывает зону шириной 2500 км, распространяется на глубину более 1 км и переносит каждую секунду до 200 млн тонн воды. На пути течения Западных Ветров не встречается крупных массивов суши, и оно соединяет в своём круговом потоке воды трёх океанов — Тихого, Атлантического и Индийского.

Гольфстрим — одно из крупнейших тёплых течений Северного полушария. Оно проходит через Мексиканский залив (англ. Gulf Stream — течение залива) и несёт тёплые тропические воды Атлантического океана к высоким широтам. Этот гигантский поток тёплых вод во многом определяет климат Европы, делая его мягким и тёплым. Каждую секунду Гольфстрим переносит 75 млн. тонн воды (для сравнения: Амазонка, самая полноводная река в мире, — 220 тыс. тонн воды). На глубине около 1 км под Гольфстримом наблюдается противотечение.

3. Приливо-отливные течения. Приливные течения бывают: суточные, которые характеризуются одним максимальным приливным и одним максимальным отливным течением; полусуточные, характеризующиеся дважды повторяющимися за время лунных суток максимальными приливными и максимальными отливными течениями; истинные приливо-отливные течения смешанного типа, которые имеют дважды в сутки максимальное отливное течение. Однако скорость максимального приливоотливного течения, первого за время суток, существенно отличается от скорости вторичного максимального приливоотливного течения.

Наибольшие скорости приливоотливных течений наблюдаются у побережий и в узкостях. Приливные течения максимальны в полную воду, отливные - в малую. Однако, на малых глубинах у берега ось вертикальной орбиты движения частиц воды, занимает положение, параллельное уклону дна, вследствие чего смена течений происходит в моменты, близкие к полной и малой воде. Максимальные скорости приливоотливных течений приходятся на моменты среднего уровня.

Мелководье влияет также на скорость приливоотливных течений. В этом случае определить скорость течений можно по формуле

где А - величина прилива, Н - глубина места, знак (+) относится к полной, а (-) - к малой воде.

Из этой формулы следует, что скорость приливного течения на мелководье меньше скорости отливного течения.

Очертания берегов оказывают большое влияние на характер движения приливоотливных течений. В узких длинных проливах и заливах наблюдаются реверсивные приливо-отливные течения. При реверсивных течениях полусуточного типа в продолжении примерно 6 часов наблюдается почти постоянное направление, причем первые три часа скорость течения постепенно нарастает, затем последние три часа убывает. В конце шестого часа возрастает, а затем постепенно уменьшается. Таким образом, наиболее характерный признак реверсивного приливоотливного течения - это отсутствие постепенной смены направления течений.

Для открытого моря и средних частей достаточно широких приливов и заливов характерны вращательные приливо-отливные течения (Рис.11). Направления таких течений постепенно изменяются за время прилива, а часовые скорости незначительно отличаются друг от друга. Таким образом, при вращательном характере приливоотливного течения нет ярко выраженной смены направления течения.