Этот неизвестный океан. Как работают приливы, рождаются шторма и живут невидимые создания в морских глубинах - Александр Осадчиев
Атмосфера же нагревается снизу от океана и суши, подобно воде в кастрюле, которая стоит на плите. Воздух в атмосфере, как и вода в кастрюле, от этого приходит в вертикальное движение. Нагретый нижний слой воздуха поднимается, а более холодные слои воздуха опускаются. Поэтому в атмосфере постоянно поддерживается конвекция, вызванная нагреванием снизу. Плотность атмосферы на несколько порядков меньше, чем плотность океана, поэтому характерные скорости движения в атмосфере (десятки метров в секунду) гораздо выше, чем в океане (десятки сантиметров в секунду). Атмосфера, получая от океана тепло и приходя в активное движение, обратно передает океану динамический импульс. Практически все течения в океане, за исключением приливных, возникают в результате воздействия атмосферы. И течения на маленьком масштабе, такие как волны и нагоны, и крупномасштабные течения вызваны именно влиянием атмосферы.
Итак, океан, который непрозрачен для солнечной радиации, нагревает атмосферу. Легкая и подвижная атмосфера от этого приходит в движение и передает динамический импульс назад в океан, что приводит к движению океана. Таким образом, взаимодействие океана и атмосферы двустороннее, и это образует очень сложную систему связей. Объемная теплоемкость у морской воды достаточно большая, примерно в три тысячи раз больше, чем у воздуха. Поэтому в океане накапливается огромное количество тепловой энергии. При этом непосредственно солнечной энергией нагревается не вся толща океана, а только верхний слой толщиной 100 метров, в котором поглощается 90% приходящей солнечной энергии. И даже этот верхний слой содержит в себе огромное количество тепла, ведь его суммарная теплоемкость в 40 раз больше, чем у всей атмосферы. По этой причине даже небольшие колебания температуры поверхности океана приводят к очень серьезным колебаниям температуры атмосферы. Но происходит это не за счет непосредственного теплообмена между океаном и атмосферой, а за счет испарения.
Испарение – это самый энергетически мощный процесс, который происходит при взаимодействии океана и атмосферы. Энергия, которая затрачивается на испарение одного килограмма воды, равна энергии, которая требуется, чтобы поднять этот килограмм воды на высоту в 250 километров. С поверхности океана за год испаряется примерно один метр воды, а в некоторых районах и того больше – до 3–4 метров. Испарение воды с поверхности океана увеличивает содержание влаги в атмосфере – из-за этого формируются облака, которые потом переходят в осадки, тоже влияющие на свойства поверхности океана. В отсутствие речного стока именно испарение и осадки – самые важные факторы, определяющие повышенную или пониженную соленость океана. Испарение и осадки могут влиять на формирование региональных течений в океане, потому что от солености воды (как и от температуры) зависит ее плотность. Процессы испарения и выпадения осадков формируют круговорот воды в природе, известный каждому из школьного учебника природоведения. При этом большая часть осадков проливается непосредственно в океан, а не на сушу, потому что площадь океана гораздо больше, чем площадь суши. Осадки, которые попадают на сушу, формируют реки и поступают в океан в виде материкового стока.
В полярных областях Мирового океана из морской воды формируется лед, который тоже значительно влияет на взаимодействие океана с атмосферой. Ледяной покров изолирует океан от атмосферы, так как лед (особенно лед, покрытый снегом) очень плохо проводит тепло. Ледяной покров также снижает передачу импульса, ветровой энергии между океаном и атмосферой. Таким образом, лед становится серьезным барьером между океаном и атмосферой, препятствуя передаче энергии и вещества. Именно поэтому циркуляция океана при наличии сплошного ледяного покрова, например в Северном Ледовитом океане, очень отличается от процессов, происходящих на открытой воде.
Непредсказуемые близнецы
Средний период круговорота воды в атмосфере составляет примерно две недели, то есть каждые две недели вода в атмосфере полностью обновляется. Именно поэтому достоверный прогноз погоды рассчитывается на период не более двух недель, так как на более длинном временном интервале стирается память атмосферы о ее начальных условиях. Состояние атмосферы и состояние более консервативного океана на временных масштабах до двух недель определяется их начальным состоянием. Состояние океана и состояние атмосферы на более длительных периодах – месяцы, годы и десятки лет – определяется уже внутренними связями, которые существуют между океаном и атмосферой. Из-за того, что атмосфера влияет на океан, а океан влияет на атмосферу, в этой системе возникают автоколебательные процессы. Подобно тому, как маятник качается то вправо, то влево, различные характеристики климатической системы «океан – атмосфера» также постоянно меняются то в большую, то в меньшую сторону. Но в отличие от простого и предсказуемого движения маятника, автоколебательные процессы в системе «океан – атмосфера» очень сложны, и человечество до сих пор не научилось достоверно их предсказывать и, соответственно, к ним готовиться.
Рис. 59.Влияние Эль-Ниньо на осадки в разных частях мира
Явление Эль-Ниньо и обратное ему явление Ла-Нинья – пример одного из важнейших автоколебаний климатической системы «океан – атмосфера». Эль-Ниньо начинается в районе тихоокеанского побережья Перу. Для этого региона характерен юго-восточный пассат, сильный ветер, дующий над экваториальной и тропической частью Тихого океана. Если по каким-то причинам южный пассат ослабевает, то поверхность Тихого океана в обширном районе к западу от побережья Перу становится более теплой. Это, в свою очередь, увеличивает испарение из океана в атмосферу и перестраивает атмосферную циркуляцию в тропической части Тихого океана. Эль-Ниньо приводит к более обильным осадкам в Перу, на юге США и в Кении, но при этом приносит засуху в Амазонию, Колумбию, Индонезию и Австралию. События Эль-Ниньо происходят с нерегулярными интервалами от двух до семи лет и длятся от девяти месяцев до двух лет. Средняя продолжительность периода Эль-Ниньо составляет пять лет.
Аномально теплое и влажное лето в Перу, которое в Южном полушарии длится с декабря по февраль, и дало название явлению Эль-Ниньо. Это слово с испанского переводится как «мальчик», так в Перу называют младенца Иисуса Христа. Им же назвали и теплое течение у берегов Перу, которое наблюдали, в том числе, на Рождество. Впоследствии оказалось, что это не просто теплое течение, а часть глобального климатического автоколебания. Когда Эль-Ниньо ослабевает, климатическая система «океан – атмосфера», как маятник, переходит в
