3.1.2. Взаємодія океану та атмосфери

Взаємодія океану та атмосфери — найважливіша складова кліматичної системи Землі. Розглянемо її більш детально.

Основним джерелом енергії як океану, так і атмосфери виступає Сонце. Але атмосфера достатньо прозора, тому фактично вона отримує енергію в основному від океану. Це пояснює характер температурної стратифікації тропосфери. Важливу роль грає також парниковий (оранжерейний) ефект. Він пов’язаний з різними компонентами атмосфери, в тому числі і з водяною парою. Поряд з вертикальними потоками тепла важливу роль грає її горизонтальний перерозподіл. Основний його напрямок екватор — полюси. Крім сонячної енергії помітну роль в океані та атмосфері грає енергія припливів.

Крім загальних джерел енергії океан та атмосфера характеризуються специфікою фізичних та географічних законів розвитку. Вони мають спільне походження і геохімічну історію. Їх описують за допомогою принципово єдиної системи фізичних законів, які вивчає геофізична гідродинаміка. Ці закони описують не тільки механічні рухи, але і потоки енергії, фазові переходи, обмін речовиною та інше. Вони можуть включати також електромагнітні явища. Таким чином вони носять синтетичний характер і описують складні природні системи.

Теплова взаємодія океану та атмосфери описується за допомогою рівняння теплового балансу. Дослідження показують, що для середніх річних величин його складових, для діяльного шару океану, основними є:

1) R — радіаційний баланс;

2) P — турбулентний теплопотік між поверхнею океану та атмосферою;

3) А — обмін теплом з нижніми шарами океану;

4) LE — витрати тепла на випаровування (L — захована теплота випаровування; Е — швидкість випаровування чи конденсації).

Рівняння має вигляд:

. (3.1)

Додатково можуть впливати процеси утворення, танення та дрейфу льоду та снігу. Тепло, пов’язане з ними позначимо — D. Але вони більше відносяться до сезонних балансів (величин).

Максимальні значення радіаційного балансу спостерігаються в тропіках (менша хмарність порівняно з екваторіальними широтами). Середні широтні величини витрат тепла на випаровування також найбільші тут. Середні широтні величини турбулентного потоку тепла з поверхні океану в атмосферу збільшуються зі збільшенням широти (океан обігріває атмосферу). Перенесення тепла течіями здійснюються в основному з субекваторіальних широт у помірні. Узагальнені дані про тепловий баланс наведені в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2.

Складові теплового балансу океанів та частин світу (ккал/см² рік)

Неспівпадіння для океанів R та (LE + P) означає перенесення частини тепла течіями з океану в океан. Але їх значення невелике. Основні витрати тепла пов’язані з випаровуванням.

Важливою складовою взаємодії океану та атмосфери є формування водного балансу. Осереднене рівняння для океану записують так:

, (3.2)

де х — опади, у — стік, z — випаровування. Середні широтні зміни цих елементів представлені на рис. 3.1. Оскільки спостереження в океанах нерівномірні і специфічні точність цих даних не може бути дуже високою. Для Атлантичного та Індійського океанів характерний невеликий від’ємний водний баланс, а для Тихого — позитивний. Дані про Північний льодовитий океан недостатньо точні.

Океани впливають на погоду та клімат. Це відбувається як за рахунок різноманітних процесів передачі тепла, так і за рахунок особливостей розподілу океанів та суходолу. Різниці температур поверхні створюють різниці тиску. Влітку тиск над океанами вищий, що створює рух повітря на суходіл — літній мусон. Взимку навпаки — мусон дме з суходолу на океан. Механізм мусону пояснюють так. У вищих шарах атмосфери в сторону областей ущільненого, холодного повітря як у котловини відбувається стікання (рух) додаткових його мас. Це призводить до додаткового тиску і відтоку повітря у приземних шарах. Воно рухається від області підвищеного тиску в область пониженого.

Влітку контрасти температур між океаном та материком менший, ніж зимою. Але і їх достатньо для розвитку інтенсивної мусонної циркуляції. Вона виявляється неоднаковою біля різних берегів внаслідок взаємодії з зональною циркуляцією атмосфери. В цілому океан є причиною формування двох характерних різновидів клімату: морського та континентального.

Певний вплив на особливості розподілу тиску та атмосферну циркуляцію здійснює також система морських течій. Зокрема, наявність теплої Північно-Атлантичної течії в районі Ісландії і посилює циклонічну діяльність. Аналогічний вплив здійснює течія Куросіо біля Алеутських островів.

Особливий вплив здійснює океан на циркуляцію тропічної атмосфери. Тут можна спостерігати перехід теплової енергії в механічну шляхом розвитку тропічних циклонів (ураганів, тайфунів). Їх діаметр складає 400-1800 км. Поступальна швидкість руху 10-20 км/год. Швидкість вітру (обертові швидкості) досягає 200-400 км/год. В центрі спостерігається штилева зона («око бурі») діаметром до 30 км. Зародження тайфунів відбувається між 5° та 20° широт, при температурах поверхні океану понад 27°С. Це викликає настільки потужну вертикальну конвенцію, що вона приводить до зародження вихорів на основі синоптичних хвильових збурень у східному потоці повітря. Середня тривалість їх життя складає 6-7 діб. Помічено, що їх траєкторії прямують до теплих поверхневих вод океану. Вони ніби підживлюють циклон. Енергія тайфунів надзвичайно велика (за одну годину великий тайфун виділяє її стільки, скільки могли б виділити десятки водневих бомб). Тайфуни живлять атмосферу енергією та вологою. Їх кількість складає в середньому 120 на рік. Три чверті припадають на північну півкулю. Інтенсивність зародження змінюється на протязі року. Основні траекторії показані на рис. 3.2.

З циркуляцією атмосфери тісно пов’язані циркуляція вод океану та дрейф морського льоду. Найбільш яскравою особливістю океанічних течій є їх зв’язок з областями високого тиску у тропічних широтах. Субтропічні антициклони створюють пасатні зони, де утворюються потужні пасатні течії. Біля східних берегів материків вони відхиляються і несуть теплі води у високі широти. Біля західних берегів їх компенсують холодні течії, які також пов’язані з пасатами. Таким чином утворюються антициклонічні кола циркуляції. Їх доповнюють інші течії та частини циркуляції. У високих широтах також існують значні дрейфові течії. Особливо це виражено навколо Антарктиди — циркумантарктична течія (ЦАТ).

Крім обміну енергією та вологою океан та атмосфера обмінюються іншими речовинами. Глобальні цикли більшості біологічно важливих речовин пов’язані з океаном. Крім того океан значно впливає на парниковий ефект. Зокрема він може поглинати значну частину СО₂ з атмосфери. Така їх взаємодія є важливою складовою як кліматичної системи, так і біосфери та географічної оболонки.