Топлината на океана
Топлината на океана
Художник В. Логинов
Пушкин "Евгений Онегин"
Всъщност основната причина за подобни промени във времето е известна. Това са температурни контрасти, възникващи от неравномерното нагряване на земната повърхност. Те са основната причина за всички движения на водата и въздуха на нашата планета. В края на краищата вода и земя, гора и пустиня, лед и степ - това, което учените наричат подлежащата повърхност, се нагряват от слънцето по напълно различни начини. Но атмосферата на Земята винаги се нагрява отдолу. Въздухът почти безпрепятствено преминава през слънчевите лъчи и се нагрява от дълговълновата радиация, която нагрятата подлежаща повърхност изпраща (вижте схематичния чертеж на страница 26). Долните, топли слоеве от него се издигат нагоре, те се заменят със студени: възниква конвекция - явление, което е широко разпространено и добре известно - един от основните механизми за пренос на топлина в атмосферата отдолу нагоре.
Още преди 30 години температурните контрасти на планетите доведоха академик В. В. Шулейкин до идеята за "топлинни двигатели" в движещата се обвивка на Земята. Той развива теорията за термобаричните вълни в атмосферата и дава на геофизиците изключително плодотворна идея. Въз основа на принципа на работа на топлинните двигатели (нагревател плюс хладилник) той обясни основния въздушен поток в тропическата зона на Земята - пасатите и сезонното движение на въздушните маси от океана към сушата и обратно - мусоните. Известно е, че през зимата масата на студения въздух над азиатския континент се увеличава със 150 000 тона на всеки квадратен километър. Тежкият студен въздух има тенденция да се разпространява отдолу в различни посоки, вятърът духа от континента към океана, над който въздухът е по-топъл и налягането е по-ниско. През лятото морската повърхност е по-студена от сушата. Центърът на високото налягане се премества към океана. Вятърът започва да духа от океана къмконтинентална част. Така се образува сезонният вятър – мусонът.
Академик В. В. Шулейкин изчислява по-специално количеството топлина, което Норвежко море отделя през зимата на въздуха от 60 до 75 ° северна ширина между Норвегия и Исландия. Оказа се, че това са 2,5 х 10 18 големи калории на ден. По-малка част от него се излъчва в космоса, а останалата част, превърната в енергийни мерки, е 80 милиона мегавата. Циклоните носят около 70% от този гигантски източник на топлинна енергия на евразийския континент.
Защо има толкова много топлина в океана в тези високи студени географски ширини? Нека видим къде се натрупва тази топлина, откъде идва и какво се случва в океанските течения.
В обширен пояс на север и юг от екватора, широк около 3000 км, огромна маса вода се движи от изток на запад. За няколко месеца от пътуването водата в повърхностния слой с дебелина 20-30 m се нагрява до 26-28 °. В слоя до 100-120 m температурата на водата се задържа над 20°. Според нашите изчисления средният топлопренос по ширина в пояса от 5 до 25° южна ширина и в слоя от повърхността до дълбочина 1000 m в Атлантическия и Тихия океан е 5,4 х 10 15 големи калории на ден.
Океанът отдава топлина на атмосферата по два начина: турбулентен топлообмен, т.е. директно нагряване, и чрез изпарение. Спомнете си, че 586 калории се изразходват за изпаряване на 1 g вода при температура 20°C. Като цяло океанът изпарява от повърхността си 334 x 10 12 тона вода годишно, отделяйки около 2 x 10 20 големи калории топлина във въздуха. Освен това цялото това количество се отделя в атмосферата и загрява въздуха по време на кондензацията на водните пари - по време на образуването на облаци и мъгли. Според А. С. Монин общата мощност на потреблението на топлина за изпаряване на цялата планета е 30 милиарда мегавата, т.е. около 30% от количеството топлина, което Земята отделяполучава от слънцето
Съотношението на топлинния капацитет на водата и въздуха е такова, че ако стометров слой вода се охлади с една десета от градуса, тогава цялата атмосфера над него се нагрява средно с 6 °. Освен това трябва да се има предвид, че по целия си път водата загрява въздуха над нея. Сигурно щеше да й е още по-топло, ако задържаше топлината в себе си. Но океанът е щедър и в същото време не разточителен. Огромно количество топлина се пренася от водите на океана до западните му граници. Но сега течението е достигнало континента. Топлата вода се натрупва близо до брега, но трябва да отиде някъде. Под влияние на бреговата линия и вятъра над морето по-голямата част от водата се обръща на север. Образуват се такива добре познати топлинни потоци в океана като Гълфстрийм и Курошио. За около една и половина хиляди километра те вървят по крайбрежието и след това завиват на изток в открития океан.
В северните ширини слънцето не е толкова горещо, колкото е на екватора. И въздухът там е много по-студен. Но колкото по-студен е въздухът и колкото по-силен е вятърът, толкова по-интензивно отнема топлина от водата, толкова по-бързо се загрява. И въпреки че водата в тези топли потоци се охлажда, смесва, тя все още остава много по-топла от околните води от местен произход. По-топло от околностите? Но това също са температурни контрасти, дължащи се на неравномерно нагряване на водната повърхност. Тук ли произлизат циклоните? Да, точно тук, в района на Гренландия и Исландия, на мястото, където студените води на Арктика идват от север и влизат в контакт с топлите води на Гълфстрийм. Оказа се, че линията на най-голям топлообмен се простира по оста на топлото Северноатлантическо и Норвежко течение.
Именно тук близо до този гигантски нагревател, чиято мощност е изчислена от В. В. Шулейкин, се намира един от глобалните климатични ефекти на атмосферата -исландски нисък. Налягането на въздуха тук е по-ниско, за това как точно се раждат циклоните има няколко хипотези. Според един от тях циклоните се образуват от вълни, които възникват като завой на границата между топъл и студен въздух. Как се е образувала вълната? Едно е да се установи основната причина - температурните контрасти, а друго, по-трудно, да се открие механизмът на възникване.
В тази връзка се забелязват интересни неща. Първо, линията на разделяне на топъл и студен въздух на повърхността на Земята минава близо до северната граница на най-топлите течения в морето. И второ, морските течения не се движат по права линия. Те се огъват и образуват примки по пътя си. Понякога такива бримки се откъсват от основната струя и образуват вихър с вертикална ос. Тези вихри се отдалечават от основния поток и живеят независимо известно време. Сега няма да навлизаме в причините, поради които това се случва. Друго нещо е важно: ако вихърът се е откъснал от топлото течение, тогава той носи резерв от топлината си в студените води, които го заобикалят. Докато самият вихър се разтвори в околната вода и престане да съществува, той продължава да нагрява въздуха над него. Студен вихър в топла вода охлажда въздуха над себе си. Границата между топъл и студен въздух е извита - върху нея се появяват вълни, които могат да се развият в циклони.
В океана, както пише В. В. Шулейкин, възниква топлинна машина от пети вид, за която особено силно нагрятите участъци от повърхността на океана служат като нагревател, а цялото пространство около системата от машини служи като хладилник. Именно нагревателят - океанът - зарежда с енергия тропическите циклони, които се превръщат в урагани със скороствятър до 60-80 м/сек. При среден "балансиран" ураган мощността, предадена към него от океана, е 200 милиона мегавата, а радиусът на източника на топлина е около 225 км.Ако температурата на водата под такъв ураган се увеличи с 3, тогава неговата разрушителна сила ще се увеличи един и половина пъти.
Примерът за доставка на топлина на циклон от океана особено убедително показва колко важна и актуална днес] темата на геофизиката, която е закъсняла за тестване, е количественото отчитане на преноса на топлина от океанската вода.
Но топлината на океанските води и неговите движения определят не само циклоничната активност в атмосферата.Океанът влияе върху климата в по-широк, планетарен мащаб: той пренася топлина от нагретите райони на тропиците към студените полярни и арктически региони.до факта, че температурата на въздуха в Арктика е 2-3 пъти по-висока, отколкото в Антарктика, въпреки че тези области получават същото количество слънчева топлина.
Според изчисленията на W. G. Kort, океанският пръстен на Антарктида отделя повече от 33 10 големи калории годишно в атмосферата. 14 10" кал се изразходват за топене на лед в южния океан през лятото. Цялото това количество топлина се носи от течения от умерените ширини на океаните. В замяна на това южният океан с течения и ветрове изпраща студ на север.
Според В. Н. Степанов в умерените и полярните ширини на северното полукълбо океанът отделя около 50-75 кал топлина годишно от 1 cm2 в атмосферата.тета от това, което се отделя в атмосферата през повърхността Количеството топлина в океана не остава постоянно То варира от месец на месец и от година на година
Благодарение на лека промяна в доставките на топлина, Океания лесно изглажда годишните колебания в топлинното състояние на атмосферата. Не случайно разликата между зимните и летните температури на въздуха е показател за континенталността на климата. Зоната на най-голямата континентална топлина в района на Якутия, където топлинните въздушни потоци от океаните почти не достигат. Океанът е в състояние да натрупа още повече топлинна енергия, за да я освободи след десетки или стотици години. местообитание, обитаемо в определени температурни граници
Колко топлина носи океанът? Как се разпространява по планетата? Къде и колко се дава на въздуха? Това са основните въпроси, с които много геофизици сега започват да се занимават отблизо.
По този начин е възможно да се формулира основният проблем, чието развитие сега започва да се развива все по-силно, обменът на енергия и материя в системите океан-атмосфера и океан-континент, планетарната цикличност и променливост на този обмен.
Трябва да се предположи, че в близко бъдеще изучаването на океана ще продължи със същите бързи темпове като изследването на космическото пространство. В края на краищата, околоземното пространство може да се превърне само в спомагателно пространство за хората на Земята.В него могат да се настанят постоянни спътници за комуникация и наблюдение на времето, научни обсерватории за астрономически и геофизични наблюдения и др.А океанът вече се е превърнал в място за многомесечен живот и работа за рибари, моряци и научни експедиции.
Човекът е в състояние да се намеси в разпределението на топлината и студаНа земята
Проектите за обръщане на топлите течения, топенето на арктическия лед и „превръщането на тундрата в цъфтяща градина" са технически осъществими, но те не могат да бъдат изпълнени, докато целият топлинен бюджет, всичките му приходи и разходни елементи за планетата като цяло и за всеки от нейните региони поотделно не се изчисли със счетоводна надеждност. В крайна сметка, ако обърнете топлия поток от обичайния му път, това означава отнемане на топлина от друга област, нарушаване на баланса Докато не разберем какво е ще доведе до, не трябва да бъде Природата жестоко отмъщава за небрежно отношение към нея. Като цяло е много важно да се научите как по-точно да прогнозирате процесите на топлообмен, за да използвате рационално слънчевата топлинна енергия, акумулирана от океана.
