продолжение 8 темы

Сравнение течений с циркуляцией атмосферы

Даже при беглом взгляде на таблицы теплового баланса поверхности Земли , атмосферы и планеты в целом обращает на себя внимание появление двух совершенно новых статей баланса: тепла, приносимого океаническими течениями (для поверхности Земли), и тепла, приносимого воздушными течениями (для атмосферы). Этих составляющих не было в приводимом нами уравнении теплового баланса. Они появляются тогда, когда мы рассматриваем горизонтальный обмен теплом. Такой обмен постоянно существует в природе и вызывается неравномерностью нагревания разных участков поверхности Земли или атмосферы и образованием (в связи с этим) теперь уже не вертикального, а горизонтального температурного градиента, или горизонтального перепада температуры, который, как мы знаем, и является причиной возникновения потока тепла. Хотя эта статья теплового баланса в отличие от всех остальных составляющих и не образуется в результате превращения лучистой энергии Солнца в тепловую, она тем не менее имеет к Солнцу самое близкое отношение, являясь как бы второй производной от его деятельности. Что же касается влияния этой составляющей на процессы и явления природы, то оно, как мы увидим, огромно. Уже, то, что из самой обширной на Земле экваториальной зоны от 20 до 25 процентов солнечного тепла уносится в другие широты морскими течениями и около половины — воздушными, свидетельствует о колоссальном значении этой составляющей в формировании и распределении энергетического баланса на нашей планете.

Перераспределяя и нивелируя солнечное тепло как у земной поверхности, так и в свободной атмосфере, они играют важнейшую роль в формировании климатов на Земле. Не будь движения тепла от экватора к полюсам, температура зимой у поверхности Земли достигала бы там 90 градусов мороза. Значительно холоднее были бы и умеренные широты. А что происходило бы на экваторе? Возросшее на ¹/₃ испарение и почти на столько же увеличившееся выделение тепла при конденсации превратили бы эту зону Земли в зону страшнейших гроз, тропических ливней и ураганов.

Что же представляют собой эти составляющие теплового баланса? Еще изучая в школе курс элементарной географии, каждый из нас знакомился с грандиозными океаническими течениями, такими, как Экваториальное, Гольфстрим, Куросиво и другие, а также с не менее грандиозными воздушными течениями, такими, как пассаты и муссоны. Учителя географии рассказывали нам о схемах существующих на нашей планете циркуляции атмосферы и мирового океана, а также о причинах, их вызывающих. Все казалось до удивления просто и ясно. На экваторе солнечного тепла поступает больше всего, поверхность суши и океана нагревается сильнее, чем на других широтах, теплый воздух поднимается вверх, а поскольку природа не терпит пустоты, то на смену ему с севера и с юга устремляются потоки более холодного воздуха, которые, отклоняясь под действием вращения Земли, образуют постоянные ветры — пассаты (юго-восточный и северо-восточный). Воздух же, поднявшийся вверх над экватором, также растекается, двигаясь на северо-восток и юго-восток, образуя в свободной атмосфере не менее постоянные ветры противоположных направлений — юго-западный и северо-западный антипассаты. Не менее проста казалась и природа океанических течений. Пассаты гонят воду вдоль экватора, в результате чего образуется Экваториальное течение. Двигаясь от западных берегов Африки, это течение сгоняет воду к восточным берегам Америки, откуда она растекается в виде двух ветвей этого течения: Гольфстрима, движущегося на юго-восток, и Южно-Американского, идущего вдоль западных берегов Южной Америки.

Примерно такая же картина наблюдается и в Тихом океане. Но поскольку там на пути Экваториального течения встречаются только полуострова Азии и Зондский архипелаг, то наиболее четко выражена только северная ветвь течения — Куросиво. Аналогичное объяснение давалось и другим крупным системам воздушных и морских речений. Конечно, такое объяснение является, в общем, правильным. Качественную схему общей циркуляции атмосферы ученые построили еще в прошлом веке. И теперь, как мы видим, она целиком подтверждается тепловым балансом системы Земля — атмосфера и количественно. Общую же циркуляцию океанических вод академику М. П. Лазареву еще несколько десятков лет назад удалось даже выполнить в виде простой и очень остроумной модели. Применив для этого большую ванну, в которую были помещены макеты материков, он воспроизвел «пассат» в виде направленного потока воздуха из воздуходувки. Действие этого «пассата» создало систему течений, похожую на действительную. А вот модель циркуляции атмосферы до последнего времени сконструировать не удалось, Тем более трудно было создать модель взаимодействия циркуляции атмосферы и океана. Лишь в последние, годы А. М. Гусев и его сотрудники смогли построить упрощенную модель такого взаимодействия и получили ряд очень важных для науки результатов.

Не менее поразительные нарушения замечены и в океанических течениях, которые иногда вдруг совершенно неожиданно изменяют свое направление; Короче говоря, загадки возникают на каждом шагу, а вот отгадывать их приходится иногда десятилетиями. Только в последние годы, когда на вооружение ученых поступили такие средства исследований, как метеорологические и геофизические спутники Земли, армада специализированных научно-исследовательских судов и многое другое, все более и более начали открываться тайны общей циркуляция атмосферы и океана и теснейшее взаимодействие атмосферы и гидросферы.

Солнечную энергию, первопричину этого взаимодействия, можно, пожалуй, сравнить с огромным мотором, вращающим главный вал трансмиссии, который приводит в движение целую систему других более мелких моторчиков и шкивов, двигающих, в свою очередь, всю огромную массу станков, пил, точил и другие механизмов, чьими усилиями производится окончательная продукция. В атмосфере такой продукцией являются разнообразные воздушные волны и вихри: от огромных циклонов и антициклонов до более мелких — торнадо, смерчей и, наконец, самых мелких турбулентных вихрей, о которых мы уже говорили. А в гидросфере это — не менее грандиозные морские вихри и волны. Обе эти системы вихрей теснейшим образов взаимосвязаны между собой и часто образуют невероятные по своей силе явления; смерчи, тайфуны, огромные ветровке волны и т. д.

Что же касается самих течений, то они не более как приводные ремни этой планетарной трансмиссии, которые лишь переносят и передают эту энергию от одного источника к другому.

Мы уже говорили, что Солнце непосредственно нагревает сравнительно узкую зону нашей планеты — примерно до 40 градусов к югу и северу от экватора. Выше этих широт радиационный баланс Земли уже отрицательный. Это значит, что если бы на Земле не было воздушных и океанических течений, а небо всегда оставалось ясным, то есть климат определялся бы только поступлением тепла от Солнца (солярный климат), то он был бы намного холоднее, чем в настоящее время.

Далее мы видим, что основную роль в нагревании, и охлаждении Земли играют процессы конденсации и испарения и несколько меньшую, но сравнимую с ней — морские и воздушные течения. Это — очень важное обстоятельство в формировании всех природных процессов на нашей планете. Изменись в силу каких-либо причин (и не только космических, но и земных) это соотношение между приходными и расходными составляющими баланса, и природа на разных широтах нашей планеты станет иной. Изменение в расположении материков и океанов, в соотношении между морем и сушей, сдвиги в положении полюсов, по-видимому, не раз в истории Земли приводили к установлению на ней иной циркуляции океанических вод и атмосферы по сравнению с существующим положением. Что же касается поступления солнечной радиации на земную поверхность, то, несмотря на сравнительную устойчивость солнечной постоянной, из-за изменения мутности атмосферы и других факторов, вызванных чисто земными условиями, оно, по-видимому, менялось также в значительных пределах. Все это не могло не сказаться на тепловом балансе нашей планеты, на соотношении приходных и расходных его статей. Каждое нарушение обязательно должно было приводить к смене климатических условий в различных ее районах, а вместе с ним, и к изменению всей природы этих районов в разные периоды истории Земли. Самые грандиозные изменения на нашей планете были, пожалуй, связаны с наступлением и отступлением ледников. Вот почему прежде чем рассматривать роль теплового баланса в формировании современной географии планеты, мы остановимся на истории последних оледенений.

Происхождение морских течений и их классификация

Поступательные горизонтальные движения водных масс, связанные с перемещением значительных объемов воды на большие расстояния, называют течениями. Течения возникают под действием различных факторов, таких, как ветер (т. е. трение и давление движущихся воздушных масс на водную поверхность), изменений в распределении атмосферного давления, неравномерность в распределении плотности морской воды (т. е. горизонтальный градиент давления вод различной плотности на одинаковых глубинах), приливообразующие силы Луны и Солнца. На характер движения масс воды существенное влияние оказывают также вторичные силы, которые сами не вызывают его, а проявляются лишь при наличии движения. К этим силам относятся сила, возникающая благодаря вращению Земли — сила Кориолиса, центробежные силы, трение вод о дно и берега материков, внутреннее трение. Большое влияние на морские течения оказывают распределение суши и моря, рельеф дна и очертания берегов. Классифицируют течения главным образом по происхождению. В зависимости от сил, их возбуждающих, течения объединяют в четыре группы: 1) фрикционные (ветровые и дрейфовые), 2) градиентно-гравитационные, 3) приливные, 4) инерционные.

Течения, возникающие при участии сил трения,— это ветровые течения, вызванные временными и непродолжительными ветрами, и дрейфовые, вызванные установившимися, действующими длительное время ветрами. В ветровых течениях не создается наклона уровня, дрейфовые же течения приводят к наклону уровня и появлению градиента давления, которые определяют возникновение в прибрежных районах глубинного градиентного течения.

Градиентно-гравитационные течения возникают вследствие наклона физической поверхности моря, вызванного различными факторами,— это плотностные, бароградиентные и стоковые течения. Первые создаются горизонтальным градиентом плотности, возникающим вследствие перераспределения поля плотности. Бароградиентные течения вызываются изменениями в распределении атмосферного давления, которые приводят к наклону уровня в областях повышенного давления и повышению его в области пониженного давления. Стоковые течения создаются в результате наклона поверхности моря, вызванного притоком береговых вод, атмосферными осадками, испарением, притоком вод из другого бассейна или оттоком вод в другие районы. Наконец, могут возникать компенсационные течения вследствие нарушения равновесия за счет убыли или оттока вод из одного бассейна в другой под влиянием сгоннонагонной циркуляции и других факторов.

Приливные течения возникают под действием приливообразующих сил Луны и Солнца (см. стр. 147).

Воздействие сил внутреннего трения, турбулентности и др. приводит к разрыву орбит и формированию сложных траекторий с преобладанием обращения частиц воды по часовой стрелке в северном и против часовой стрелки в южном полушарии. Инерционные-течения наблюдались в Балтийском море, в Черном, Средиземное и др.

Течения подразделяются по степени устойчивости, расположению, физико-химическим свойствам, характеру движения.

По устойчивости выделяют постоянные, периодические и временные (случайные) течения. Постоянные — это течения, сохраняющие средние значения скорости и направления длительное время. Они заметно изменяют свои характеристики от сезона к сезону, но почти не изменяют их от года к году. К ним относятся Гольфстрим, Куросио, пассатные и др.

Периодические — течения, меняющие свои элементы во времени с определенным периодом (муссонные, приливные).

Временные течения возникают под влиянием временных интенсивных ветров, резких внезапных изменений давления атмосферы выпадения осадков.

По расположению выделяют течения поверхностные, глубинные, придонные, прибрежные, открытого моря.