2. Изменчивость процессов в океане
Проблема взаимодействия океана с атмосферой сложна, а форма и содержание взаимодействия многообразны. Поэтому необходимо классифицировать процессы взаимодействия по масштабам. Строго говоря, эти процессы не разделимы, но в то же время деление процессов по масштабам не произвольно — оно определяется масштабом неоднородностей граничных условий на поверхности планеты.
Многообразные внутренние процессы в океане связаны между собой. Эта взаимосвязь прослеживается как между малыми объемами воды, так и между водными массами всего океана. В основе этой взаимосвязи лежат циркуляционные процессы. Спектр их широк — от 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. Эта не полная замкнутость имеет принципиальное значение для взаимосвязанности явлений. Именно передача энергии от одного цикла в другой и осуществляет эту взаимосвязь. Наиболее детально изучены динамические циклы переноса вод. Эти циклы получили название изменчивости вод. Советским ученым А.С.Мониным (1974 г.) предложена классификация изменчивости вод океана.
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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 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.
5. Межгодовая изменчивость. В ней наиболее ярко выражены колебания во взаимодействии океана и атмосферы. Проявляется в согласованных изменениях состояния больших акваторий океана и всей атмосферы от года к году. Примерами могут служить колебания положения и интенсивности северной ветви Гольфстрима с периодом около 3.5 лет, квазисемилетнее явление «Эль Ниньо» – появление аномально высоких температур воды на поверхности экваториальной части Тихого океана, а также перемещения тепловых аномалий по океаническим круговоротам.
6. Внутривековая изменчивость с периодами в десятки лет, связанная с колебаниями климата, одновременно охватывает океан и атмосферу. Примером может служить произошедшее в первой половине XX века 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 серией теплых и сухих.
7. 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 веках. В этот период Саргассово море было на 2-3°С теплее, а акватория у Исландии на 1°С холоднее современной нормы. Эти отклонения явились результатом ослабления теплообмена в процессах взаимодействия океана и атмосферы.
Сотнями лет оценивается «время жизни» глубинных вод океана: 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.
3. Влагообмен в системе океан-атмосфера
Планетарный обмен влаги складывается из количества испаряющейся воды, массы выпадающих осадков, материкового стока и вод, образующихся при таянии льда. Разность между испарением и осадками определяет бюджет пресных вод в любой точке Мирового океана. Общий баланс пресных вод в пределах всего океана вычисляется с учетом материкового стока и количества талых вод (рис.20).
Рис. 20. Планетарный обмен влагой (тыс.км3) (ВМО, 2002)
Затраты тепла на испарение, отнимающего воду с поверхности океана, непосредственно являются составляющей его теплового баланса. Осадки, возвращающие влагу в океан, являются результатом конденсации пара в атмосфере, при которой тепло испарения передается воздуху. Таким образом, влага, участвующая в непрерывном цикле испарение-конденсация, является своеобразным теплоносителем, передающим от океана атмосфере большую часть тепла солнечной радиации, поглощаемой океаном.
Влияние самих осадков на теплосодержание океана незначительно, так же как и стока с суши, возвращающего часть осадков, выпавших над материками.
Если выделить в океане вертикальный столб пространства от поверхности до дна, то баланс влагообмена для него выразится весьма просто (рис. 21).
На любой акватории океана испарение И и осадки О не равны как за небольшие промежутки времени, так и за год в среднем. Возникающие вследствие этого изменения уровня создают горизонтальные градиенты давления, которые перемещают воду и быстро компенсируют изменения уровня. Эти компенсирующие движения накладываются на течения, существующие по другим причинам, но могут быть выделены из наблюдающегося суммарного течения как разность вносимого в столб и выносимого из него объемов воды.
Рис. 21. Схема влагообмена
Таким образом, постоянство количества воды в столбе поддерживается балансом испарения, бокового притока Vп и оттока V0 воды, в которых присутствует и материковый сток Vс:
О+ Vп=И+ V0
Уравнение является уравнением водного баланса, которое определяет количественное соотношение между составляющими водного баланса. Водный баланс — соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для рассматриваемой акватории.
Уравнение не вполне корректно, поскольку Vп и V0 содержат соли, а О и И не содержат. Разность О-И компенсируется только пресной частью Vп и V0 и результирующий водообмен Vп - V0 не равен О – И. В испарении и осадках участвует только пресная вода, поэтому разность О – И называют пресным балансом.
Для океана или моря в целом, так же как и для отдельного столба, в среднем соблюдается постоянство массы воды, поэтому уравнение водного баланса справедливо и для них. Только в этом случае члены водообмена выражают водообмен с соседними водоемами, и, кроме того, в уравнение следует ввести сток с суши Vс. Пресный баланс для моря в целом выразится так: O + Vс – И = П.
Основными составляющими водного баланса являются осадки и испарение. Речной сток дает всего 10% притока. В Тихом и Северном Ледовитом океанах приток пресных вод за счет осадков и речного стока превышает испарение, вследствие чего в них образуется излишек вод, стекающих в Атлантический и Индийский океаны. Поступление пресной воды в океаны происходит в основном в экваториальной зоне и в умеренных широтах южного полушария. В тропических широтах обоих полушарий испаряется влаги больше, чем выпадает осадков. В экваториальной зоне конвергенция пассатов вызывает восходящие потоки воздуха и обильные осадки. В субтропических районах высокого атмосферного давления количество осадков убывает и дефицит воды компенсируется морскими течениями. В умеренных широтах частые циклоны приводят к превышению осадков над испарением.
Определение испарения с поверхности океана является трудным делом. Измерение осадков хотя в принципе и проще, однако на пространстве океана оно систематически выполняется только метеостанциями на островах и берегах. Поэтому в настоящее время данные по пресному балансу океанов весьма схематичны.