книги из ГПНТБ / Лакомб, А. Энергия моря

Исходя из значений температуры и солености, полу­ ченных на разных глубинах, эти авторы подсчитали объемы воды, имеющие температуру и соленость в пре­

до 35%о. Процентное содержание объемов воды с раз­ личной температурой представлено на

%рис. 9. Примечательно то, что 76% океанических вод имеют температуру

15ниже 4°. Средняя температура воды океанов и морей 3,52°, а средняя соле­

Тепловое кондиционирование земного шара

Выше мы уже видели, что 'среднее движение погру­ жающихся вод, питающее глубинную циркуляцию (рис. 2), переносит холодные воды к низким широтам. Это опускание вследствие неразрывности среды должно компенсироваться средним диффузным поднятием на очень больших пространствах океана. Такие медленные

40

Она охватывает все воды, совершающие замкнутые кру­ гообороты, такие, как Гольфстрим, Куросио, течение Игольного мыса. Интенсивные «артерии» этой циркуля­ ции у западных берегов океанов несут относительно теплые воды к высоким широтам, тогда как встречные ветви циркуляции, охватывающие восточные части океанов, переносят менее теплые воды к низким широ­ там. Эти встречные струи имеют гораздо более диффуз­ ный, рассеянный характер, однако в соответствии с принципом неразрывности они переносят в среднем такие же объемы воды, что и «артерии» (рис. 10). Итак, оказывается, что действие существующих систем цир­ куляции, как вертикальной (термодинамической по сво­ ей сущности), так и горизонтальной (состоящей из те­ чений, обусловленных ветром), направлено на то, чтобы за счет обмена воды между разными широтами обеспе­ чить тепловое кондиционирование земного шара.

Воздух также переносит через параллели значитель­ ные потоки тепла, но большая часть передаваемой та­ ким образом энергии заимствуется воздухом из морских тропических районов. Действительно, согласно Дж. С. Малкус, пар, образующийся из морской воды главным образом в тропиках (50% его образуется между 30° с. ш. и 30° ю. ш.), высвобождает большую часть своего скры­ того тепла в экваториальной зоне. Этот пар, переноси­ мый к термическому экватору северо-восточными пасса­ тами в северном полушарии и юго-восточными пассата­ ми в южном, достигает экваториальной зоны, которая является, таким образом, зоной конвергенции воздуха и водяного пара. В этой зоне имеют место значительные восходящие движения воздуха, а содержащийся в возду­ хе пар при этом конденсируется в знаменитой экватори­ альной зоне затишья, наводившей страх на пионеров юж­ ноамериканских воздушных линий.

41

Рис. 10. Количество воды, переносимое течениями в Северной Атлантике (в млн. м3/сек).

Эти движения, сопровождающиеся высвобождением скрытого тепла водяного пара, вызывают формирование сравнительно многочисленных гигантских кучево-дожде­

лен не к экватору, как внизу, а к полюсам, но он гораз­ до менее однороден во времени и пространстве. Далее, длинными, сложными и еще не получившими объясне­ ния путями эта тепловая энергия (большая часть кото­ рой излучается обратно в космическое пространство) обусловливает атмосферную циркуляцию в средних ши­ ротах. Хорошо известно, что нерегулярные поступления океанского воздуха на берега Западной Европы прино­ сят с собой дожди и делают наше лето относительно прохладным, а нашу зиму — мягкой. Таким образом, оценивая глобальные процессы переносов тепла через параллели, к теплу, переносимому океаническими тече­ ниями, следует прибавить значительное количество тепла, поступающего из экваториальных зон в умерен­ ные вследствие конденсации водяного пара на экваторе и его влияния па распределение атмосферного давления. Источником тепла, переносимого воздушным путем, яв­ ляется опять-таки океан, насыщающий воздух паром в тропических зонах.

Способность океанов и морей к тепловому кондицио­ нированию обусловливается также их теплоемкостью

и тепловой инерцией, гораздо более значительными, чем

усуши. При нагревании или охлаждении твердой час­ тицы поверхности суши, происходящих в результате преобладания либо падающей солнечной энергии над длинноволновым излучением, либо наоборот, а также из-за потерь явного тепла, эта частица может участво­ вать в теплообмене с окружающей средой (особенно ни­ жележащей) только за счет молекулярной теплопровод­

43

в значительных толщах воды. Поэтому их тепловые характеристики могут оказывать влияние на слои воды мощностью по крайней мере в несколько десятков мет­ ров. Соответствующий этому слою объем воды колосса­ лен, а благодаря высокому значению удельной теплоем­ кости этот объем представляет собой значительный «резервуар тепла», содержимое которого рассеивается весьма медленно по сравнению с рассеянием, происхо­ дящим с поверхности твердого тела.

В некоторых ограниченных районах моря были про­ ведены тщательные исследования теплового баланса. Так, норвежские океанографы подсчитали количество тепла, отдаваемого в атмосферу, в «Арктическом Среди­ земноморье», включающем в себя Северный Ледовитый океан и воды, расположенные севернее линии Шетланд­ ские и Фарерские о-ва — Исландия — Гренландия. Сюда входит, следовательно, и Северное море. Сообщение это­ го «Средиземного моря» с океаном осуществляется главным образом между Шотландией и Гренландией, потому что обмен через проливы Ла-Манш и Берингов очень ограничен из-за их небольшой глубины. Поток, входящий в этот бассейн к северо-западу от Шотландии, приносит ежесекундно приблизительно 3 млн. м3 воды с температурой около 8°. Выходящий поток имеет боль­ шую мощность, ибо осадкй и речной сток в Арктике превосходят испарение. Он оценивается в среднем в 3,55 млн. м3/сек., а вода в нем имеет температуру —1°. Если учесть некоторые дополнительные факторы, то

отдаваться с поверхности «Арктического Средиземно­ морья». В основном эти потери тепла происходят у по­

44

максимально возможным потерям на излучение и испа­ рение. Это тепло, переходящее в воздух, обусловливает мягкость и влажность климата на узкой полосе норвеж­ ского побережья.

Более кратковременные эффекты береговых и мор­ ских бризов в береговых зонах также представляют собой одно из проявлений теплового кондиционирова­ ния, осуществляемого морем.

Наконец, в некоторых районах, в частности на запад­ ных побережьях материков, в тех широтах, где дуют пассаты, действие ветра вызывает выход холодных вод на поверхность (upwelling). Эти относительно холодные воды, поднимающиеся с глубин порядка 300—400 м, смягчают местный климат на побережье и приносят с собой минеральные соли, которыми богаты глубинные слои. В таких случаях понижение температуры при­ брежных вод по сравнению с водами открытого моря может достигать 7° и даже больше.

Таким образом, океаны не только источник атмосфер­ ных осадков, которые делают землю плодородной; они способствуют также смягчению климата, создавая тем самым комфортабельные условия для жизни «на борту» нашей планеты.

Нам пока еще не известна во всех подробностях роль различных океанических и атмосферных движений и явлений в энергопередаче, обеспечивающей тепловое кондиционирование земного шара, как, впрочем, мы не знаем в деталях и механизма взаимодействия между дву­ мя необходимыми для нашей жизни стихиями — океаном и атмосферой. Однако этот последний вопрос является предметом усиленных исследований, ибо «разбор» этих механизмов «на составные части», по-видимому, откроет путь долгосрочному прогнозированию погоды, значение которого для экономики очевидно. Так, были установле­ ны некоторые важные связи между исключительными

45

ГЛАВА III

< ОКЕАН И МЕХАНИЧЕСКАЯ > ЭНЕРГИЯ АТМОСФЕРЫ

Общие сведения

Выше мы говорили о том, что сущест­ вующие в океане перепады температуры при наличии «источников тепла» (тропические зоны

океана) и «источников холода» (зоны погружения, где формируются глубинные воды) способствуют переходу определенного количества тепловой энергии в механиче­ скую. Эта «тепловая машина» производит лишь незначи­ тельную механическую работу, связанную с глубинной термохалинной циркуляцией.

В атмосфере также имеют место термические разли­ чия и различия в содержании водяного пара. Тепло и во­ дяной пар поступают в нее в основном из океанов и морей. Водяной пар конденсируется на определенном уровне в атмосфере, высвобождая при этом значитель­ ное количество тепла. Что же является более совершен­ ной «тепловой машиной» — атмосфера или океан?

Нижние слои атмосферы, где давление относительно велико, являются и самыми теплыми. Во всяком случае, это верно для тропосферы, в которой происходит круго­ ворот воды. В то же время воздух с более низкой темпе­ ратурой расположен в верхних слоях, то есть при более низком давлении. Таким образом, коэффициент полез­ ного действия атмосферной «тепловой машины» должен быть более высоким или, лучше сказать, менее низким1, чем коэффициент полезного действия «тепловой маши­ ны» океана.

1 Какие поднялись бы ветры, если бы он был еще выше!

47

Неравномерное в разных районах распределение тем­ пературы, водяного пара и условий для конденсации

в вертикальном распределении плотности воздуха в этих районах. Это в свою очередь приводит к неравенству давления на одной и той же уровенной, эквипотенциаль­ ной поверхности.

Коротко уже говорилось о том, каким образом явное и скрытое тепло переходит в атмосферу, создавая нерав­ номерные и беспорядочные депрессии в тропических зонах океана, которые являются основными источни­ ками тепла и пара для атмосферы.

Чрезвычайно любопытен тот факт, что скрытая энер­ гия водяного пара, концентрирующаяся вначале в тропи­ ческих зонах океана, и есть причина таких мимолетных по характеру и неравномерно распределенных явлений, как метеорологические депрессии. Эти депрессии пре­ образуют небольшую часть энергии, находящейся в ат­ мосфере главным образом в скрытой форме, в механи­ ческую энергию. Движения в атмосфере, или, иначе говоря, ветры, имеют строго термодинамическое проис­ хождение. Неиспользованная тепловая энергия — это в основном энергия, излучаемая в космическое про­ странство.

На пришедшие в движение воздушные массы значи­ тельное влияние оказывает сила Кориолиса, обуслов­ ленная вращением Земли. Действие этой силы приводит к тому, что движения воздуха, возникающие в этих слоях, лишь в слабой степени выравнивают разницу давлений, которая порождает эти движения. Если бы земной шар не вращался, такое выравнивание происхо­ дило бы значительно быстрее.

Сила и постоянство ветров различны. Некоторые из них, относительно постоянные, составляют общую цир­ куляцию атмосферы, иа которую накладываются возму­ щения. Благоприятное и неблагоприятное воздействие

48

пространствами, за которыми метеорологи стремятся наблюдать и которые пытаются предсказывать, претер­ певают значительные изменения при контакте с жидкой поверхностью: с одной стороны, происходит замедление скорости ветра за счет трения о поверхность воды; с другой стороны, вблизи текучей и подвижной пленки, которую представляет собой эта поверхность, распреде­ ление атмосферного давления нарушается мелкомасш­ табными возмущениями.

Принято считать, что морская поверхность по-разно­ му реагирует на каждое из этих явлений:

—трение (которое к тому же, вероятно, зависит от состояния поверхности моря) является основной причи­ ной 'морской поверхностной циркуляции и циркуляции на небольших глубинах (до 200—300 м);

—неравенство давлений порождает волнение па поверхности моря: волны и зыбь.

Оба эти явления — результат передачи энергии, про­ исходящей в данном случае через подвижную морскую поверхность.

Трение ветра о морскую поверхность

Это трение практически выражается в замедлении движения нижних слоев воздуха вблизи морской по­ верхности, с этим же связано и возникновение влеку­ щей силы («касательного напряжения») ветра. Морская поговорка о ветре, создающем течения,— плод многове­ кового опыта мореплавания и хорошее подтверждение тому, что этот эффект известен с давних времен. Однако оценка величины этой силы в зависимости от скорости ветра стала предметом исследований только в начале

XX в.

I