Взаємодія океану і атмосфери

Характерною особливістю океанічних вод є перебування у вічній і безперервній взаємодії насамперед з атмосферою. При цьому Світовий океан — основне сховище водних запасів планети — відіграє одну з провідних ролей у формуванні неповторного обличчя нашої планети. Світовий океан — найважливіша ланка в ланцюзі одержання й перерозподілу сонячної енергії по земній поверхні. Океан відіграє роль планетарного демпфера.

Єдина частина поверхні Землі, яка значною мірою прозора для сонячної радіації — це вода. Сумарна її кількість досягає 29,7·10¹⁹ ккал за рік, а на суші — 6,8·10¹⁹ ккал за рік .

У водах Світового океану за довгу історію Землі накопичилась велика кількість тепла — 7,6·10²⁶ ккал. Акумуляція великої маси тепла пояснюється високою теплоємністю води та інтенсивним перемішуванням.

Вода має дуже велику питому теплоємність. Питома теплоємність при t = 15°С дорівнює 4190 Дж/ кг °С. Вона, наприклад, у 3000 разів більша за теплоємність повітря. Це значить, що для нагрівання якоїсь маси води потрібно в 3000 разів більше тепла, ніж для нагрівання такої самої маси повітря до тієї самої температури. І навпаки, при остиганні вода виділяє багато тепла. У води також дуже висока схована теплота пароутворення (539 кал/г при t = 100°С або 2,26·10⁶ Дж/ кг).

Густина води при підвищенні температури від 0° до 4° збільшується, при 4° стає найбільшою і зменшується тільки при подальшому підвищенні температури. Унаслідок цього у водоймах перед початком зими вода поступово охолоджується і опускається вниз, доки температура всієї водойми не досягне 4°. А при подальшому охолодженні біль холодна вода залишається нагорі, і будь-яке перемішування припиняється. Тонкий холодний шар стає немов ковдрою для мешканців підводного світу.

Під час замерзання вода різко збільшує свій об’єм (майже на 10 відсотків). Через цю чудову особливість крига плаває на поверхні води, утворюючи своєрідний панцер, який захищає водойму від глибокого промерзання. Густина льоду при 0°С — 916,7 кг/м³.

Світовий океан — це паровий котел, що нагрівається Сонцем. У середньому близько 1000 т пари за годину вбирає атмосфера з 1 км² поверхні цього велетенського котла. У тропіках, під пекучими променями Сонця, ця величина зростає у 2–3 рази. Тут над океаном скупчується величезна кількість водяної пари. Звідси починаються вітри, що дають перші поштовхи атмосферній циркуляції. Звідси водяна пара розноситься по всій земній кулі. Величина увібраної радіації зменшується від екватора до полюсів (від 250 ккал/см² до 50–55 ккал/см²). З цієї кількості радіації 25 відсотків засвоюється атмосферою і 75 відсотків — океаном.

Механізм убирання тепла водою відбувається переважно пароутворенням. Вода перетворюється на пару при температурі, значно меншій, ніж +100°С. Це значить, що над водою постійно стелеться пара, і пароутворення в природних умовах відбувається безперервно. При цьому тиск майже не змінюється .

Як писав американський метеоролог Дж. С. Малкус, водяна пара — це основне “пальне” атмосфери, принаймні в її нижніх шарах. Саме в процесі випаровування слід шукати причини, що породжують рух повітря, тобто вітер, який у свою чергу впливає на море, і при цьому відбувається пряма передача механічної енергії морю.

Світовий океан накопичує основну масу тепла, яку дістає Земля від Сонця. Так, за оцінкою А. С. Моніна, тепла, що виділяє стометровий шар Світового океану під час охолодження всього лише на 0,1°С, достатньо для прогрівання всієї атмосфери в середньому на 6° (при збереженні її об’єму).

Середньорічні температури поверхні води в океані, як правило, вищі за температури повітря тих же місцевостей. При цьому різниця збільшується від екватора до полюсів, тобто роль нагрівання океану в холодних водах більша, ніж у теплих.

Середня температура поверхневих вод для всього Світового океану, за розрахунками В. Н. Степанова, становить +17,54°С. Середня температура повітря +14,4°С. Температура поверхневих вод у північній півкулі приблизно на 3° вища, ніж у південній.

Найтеплішим є Тихий океан (+19,37°С). Друге місце посідає Індійський океан (+17,27°С), третє — Атлантичний (+16,53°С), і найнижча температура –75°С у Північному Льодовитому океані. Найнижча температура морської води — близько –2°С — вода замерзає при такій температурі. Найвища температура поверхні моря (+35,6°С) спостерігається у Перській затоці. Амплітуда коливання морської води становить лише 38°С.

Найвища в світі температура на суші в затінку (+58°С) спостерігається у Ель-Азозі (Лівія), а найнижча (–88,3°С) — на станції “Восток” в Антарктиді, а у північній півкулі — у районі Верхоянська і Оймякона (–56,6°С). Отже, амплітуда коливань температури повітря на суходолі становить близько 120–150°С.

Якби на Землі не було Світового океану і клімат залежав лише від сонячної радіації, то на екваторі середня річна температура дорівнювала б +33°С, а навколо полюсів –32°С. Але завдяки саме океанові, переміщенню повітряних мас, а також гігантським океанічним течіям сонячна енергія розподіляється більш рівномірно по всій поверхні Землі, і середньорічна температура на екваторі близько +26,0°С, а на Північному полюсі –16°С узимку та 0°С улітку. При відсутності океану ще більш разючими були б температурні коливання між літніми і зимовими місяцями. Середня температура січня знизилася б на 35–40°С, а це призвело б до того, що Європейська частина СНД перетворилася б на безплідну полярну пустелю.

Світовий океан не тільки обігріває сушу. Він майже єдиний резервуар води і забезпечує через атмосферу суходіл вологою. Понад 85% об’єму атмосферних вод, які беруть участь у кругообігу, утворюються за рахунок випаровування з поверхні Світового океану. З 455800 км³ води, які щороку випаровуються з поверхні океану, приблизно 411600 км³ повертається в океан у вигляді опадів, а 44200 км³ випадає на суходолі. Вода, що випаровується з поверхні Світового океану, дає не тільки вологу біосфері та суходолу, а й значно впливає на інші фізико-географічні умови. Так, наприклад, пара води, яка перебуває в атмосфері, пропускає короткохвильову сонячну радіацію Землі і затримує довгохвильове випромінювання Землі.

Перший дослідник, який усвідомив нерозривний зв’язок між фізичними явищами в океані, атмосфері й на суші, був видатний географ, кліматолог і метеоролог О. І. Воєйков. Але розробки його проблем ускладнювалися слабкою вивченістю океанів та морів.

Останні дослідження дали можливість довести, що постійно діючі процеси в океані, атмосфері і на поверхні континентів — рух повітряних та водних мас, вологообіг — тісно пов’язані одне з одним і утворюють систему, яка перебуває в деякій рухомій рівновазі. Зміни в одному процесі впливають на перебіг інших.

Взаємодію океану й атмосфери можна поділити на макропроцеси (великомасштабні) та мікропроцеси (дрібномасштабні процеси).

Особливу роль у макропроцесних взаємодіях океану й атмосфери відіграє тепловий бюджет океану. У середньому за рік океани отримують велику кількість радіаційного тепла. У тропіках узимку й улітку діють приблизно однакові теплові потоки, а в середніх широтах океан віддає мало тепла влітку і набагато більше взимку. Максимальні теплові потоки в атмосфері рухаються над теплими океанічними течіями, такими як Гольфстрім і Куросіо.

Вплив Гольфстріму дуже позначається на природі Північного Льодовитого океану. Так, за підрахунками В. В. Шулейкіна, ця течія приносить до 45% річної кількості тепла у північні моря. Саме завдяки Гольфстріму на північному узбережжі Європи значно тепліше, ніж у Північній Америці на тих самих широтах, а поблизу Північного полярного кола на Лефотенському острові температура досягає середньорічної температури Криму. Роль такої самої “печі” відіграє Куросіо для Японії.

Є багато холодних течій, які також впливають на клімат. Так, із Баффінової затоки виходить Лабрадорська течія, яка несе холодну воду (з айсбергами) із полярних морів. Вважають, що саме вона була причиною трагічної загибелі “Титаніка” в 1912 р. Холодна Перуанська течія біля берегів Південної Америки помітно впливає на атмосферні процеси в цьому районі. Повітряні маси, проходячи над холодними водами цієї течії, не насичуються вологою і не приносять опадів на материк. Саме тому на узбережжі й західних схилах Анд не буває опадів по кілька років — район пустелі Атаками.

Вплив Світового океану має глобальний характер, але океан виступає опосередковано, через загальну циркуляцію. В океані відбуваються такі явища, які не тільки захоплюють людину, а й змушують рахуватися з ними.

Так, тропічні циклони відносять до найбільш грізних явищ природи. Виникають вони над теплими водами тропічних морів і протягом багатьох століть супроводжуються людськими жертвами, руйнуваннями, величезними збитками.

Тропічні циклони називають по-різному. У районі Карибського моря їх називають ураганами, на північному заході Тихого океану — тайфунами, у південно-західній частині Індійського океану та в Аравійському морі — тропічними циклонами.

Велику роль у взаємодії океану і атмосфери відіграють і мікропроцеси, за допомогою яких відбувається обмін кількістю руху водяної пари, тепла, енергії, газів та соляних частинок. Мікропроцеси — це не тільки процеси, що відбуваються безпосередньо на поверхні розподілу, а й ті, що діють у прилеглих до цієї поверхні шарах океану і атмосфери завтовшки кілька десятків метрів.

Донедавна прямі вимірювання мікропроцесів були неможливими, тому використовувалися побічні, опосередковані дані. Але, завдяки застосуванню нових технічних засобів, зараз розробляються нові методи прямого вимірювання мікропроцесів. І вже перші дуже складні безпосередні спостереження в Середземному морі дали можливість виявити дивовижний факт: придонні холодні води цього моря можуть утворюватися на його теплій поверхні. Сильний сухий вітер (містраль) значно прискорює випаровування, що призводить до охолодження води настільки, що вона занурюється вниз. До цього вважали, що такий механізм діє в холодних морях узимку, а виявили цей процес у жаркий сезон в одному з найтепліших морів.

Останні дослідження свідчать про те, що погодні характеристики (в період від кількох тижнів до багатьох років) тісно пов’язані з розподілом температур поверхневих водних шарів. Завдяки великій теплопровідності й теплоємності океанів великі аномальні температури води охоплюють великі за площею і товщиною шари і змінюються повільніше, ніж на поверхні суходолу. Аномалії температурного режиму в океані часто зберігаються протягом 3–5 місяців, а іноді і довше. Саме тому вплив аномального стану температурного режиму океану на циркуляцію атмосфери стійкіший, ніж аномалія на континенті.

Прикладом впливу на клімат і погоду може бути вплив Атлантичного океану на погоду нашої країни. Так, посуха влітку 1972 р. сталася не тільки через особливості циркуляції атмосфери, а і через зміну температури поверхневих вод Атлантики.

Визначальні характеристики погоди істотно залежать від того, як переноситься повітря в район — уздовж паралелей (з океану на материк або навпаки) чи в меридіональному напрямку (із півдня на північ або навпаки) .

Поряд із тепловим обміном особливе значення має обмін газами: киснем, азотом, вуглекислим газом.

Розчиненим киснем насичена вся товща води Світового океану. Усього у Світовому океані розчинено 7480 млрд т кисню. Океан за рік виділяє 61,35 млрд т, а вбирає з атмосфери 54, 85 млрд т. Отже, щорічно в атмосферу надходить з океану 6,5 млрд т кисню, переважно в районі тропічних широт. Мало кисню в глибоководних шарах Чорного моря.

В океані розчинено вуглекислого газу в 6 разів більше, ніж в атмосфері. Місця найбільшої концентрації вуглекислого газу — високі широти та придонні горизонти холодних вод, де він краще розчиняється. Зоопланктон у процесі свого життя споживає вуглекислий газ для створення вапнякових скелетів, панцирів. Скелетні рештки зоопланктону утворюють тверді вапнякові відклади, які найбільш поширені в екваторіально-тропічних широтах. Саме цей процес споживання та випадання карбонатів на дно підтримує динамічну рівновагу вуглекислоти у системі “Океан-атмосфера” .

Питання для самоконтролю

1. Процеси взаємодії між океаном і атмосферою.

2. Процеси взаємодії між океаном і сушею.