Общая циркуляция атмосферы и океана

Движения воздуха, с которыми все наиболее знакомы, — это ветры. В основном они горизонтальны относительно подстилающей земной поверхности. Как отмечалось ранее, ветры определяются распределением атмосферного давления и вращением Земли.

Первоначальную теорию, объясняющую ветры, выдвинул в 1735 г. естествоиспытатель Хэдли. Он полагал, что, поскольку Земля получает больше тепла вблизи экватора, чем у полюсов, то воздух, нагретый в тропиках, должен подниматься, затем устремляться к полюсам и, охлаждаясь там, опускаться и возвращаться обратно к экватору вдоль земной поверхности. Вследствие вращения Земли, воздух, движущийся к экватору над подстилающей поверхностью, отклоняется так, что в результате возникают ветры, дующие с востока на запад. Удивительно, но Хэдли указал в своих рассуждениях на эффект отклоняющей силы вращения Земли за 100 лет до опубликования теории Кориолиса.

Модель Хэдли в основном объясняет природу пассатов — постоянных ветров со скоростями 0,5—0,75 м/с в поясах между широтами 5—25° в каждом полушарии. В северном полушарии они дуют с северо-востока, а в южном — с юго-востока. В то же время для других широт модель Хэдли не совпадает с осредненными натурными данными о ветре.

Ошибка в модели Хэдли проистекает из предположения о том, что нагревание и охлаждение атмосферы ограничивается воздействием подстилающей земной поверхности. Но, как известно, верхние слои атмосферы излучают радиацию в космическое пространство, при этом они охлаждаются. По современным научным сведениям величина радиационного выхолаживания лежит в пределах от 1 до 2°С в сутки.

На рис. 3.10 приводится осредненная схема ветров, связанная со средним полем атмосферного давления. Из схемы видно, что между пассатами и ветрами околополюсных областей располагаются широкие пояса с преобладающими западными ветрами. Простая модель Хэдли не объясняет их образования. Атмосферные динамические процессы полнее, чем у Хэдли, описываются на основе гораздо более поздних теоретических представлений. Они объясняются моделью «с тремя ячейками циркуляции», представленными на рис. 3.11.

Воздух, идущий к полюсу в верхних слоях, достигнув примерно 30° широты, начинает опускаться к поверхности. При этом за счет сжатия он нагревается. Достигнув поверхности, воздух растекается к северу и югу, формируя область высокого давления. Образуется замкнутая циркуляционная ячейка между экватором и 30°. Воздух, который опустился у 30° и далее следует к полюсу, вызывает ветры с преобладающей западной составляющей вследствие вращения Земли под влиянием силы Кориолиса. Так образуются области переменных западных ветров.

Общее распределение атмосферного давления у земной поверхности построено но зональному принципу. Вдоль экватора протягивается пояс пониженного давления; к северу и югу от него на широтах 30—40° располагаются пояса повышенного давления; далее, на 60—70° пояса пониженного давления, а в полярных районах — области повышенного давления.

Схема распределения давления и ветров на земном шаре

Рис. 3.10. Схема распределения давления и ветров на земном шаре

Модель ветров «с тремя ячейками циркуляции»

Рис. 3.11. Модель ветров «с тремя ячейками циркуляции»

Рассмотрим соответствующее полю давления распределение ветров. Вдоль экватора в области низкого давления ветры слабые — зона штилей. Около 5° широты по обе стороны от экватора начинается район пассатов, который распространяется примерно до 25° широты. Далее к северу расположены области с высоким давлением и с малыми скоростями ветра. Здесь с 30 до 35° широты направления ветра почти непредсказуемы. В северном полушарии этот район получил историческое название «конские широты». Европейские первооткрыватели новых земель часто были вынуждены выбрасывать за борт своих парусников лошадей из-за нехватки питьевой воды, дрейфуя в безбрежных океанских водах под палящими солнечными лучами. Продолжая следовать по направлению к полюсам, мы попадаем в районы переменных западных ветров на широтах от 35 до 55°. И, наконец, в приполярных областях от 65 до 90° ветры в среднем дуют с востока.

Вблизи полюса происходит быстрое охлаждение воздуха в верхних слоях, вызывающее его опускание и рост давления. Поскольку этот воздух у поверхности Земли направляется к экватору, он отклоняется так, что результирующий ветер имеет преобладающую восточную составляющую. Субполярный район низкого давления образуется там, где холодные восточные ветры встречаются с теплыми западными ветрами. Здесь происходит подъем воздушного потока и, как следствие, падение давления.

Реальная картина распределения давления и связанных с ним ветров гораздо сложнее общих модельных представлений, что отражается на июльских и январских картах погоды. Прежде всего, это касается субтропических и субполярных широт. Если бы Земля была полностью покрыта водой, модель циркуляции «с тремя ячейками» была бы значительно ближе к фактическим данным. Однако среднее давление и средняя ветровая система в значительной степени определяются распределением суши и океана. Зимой в северном полушарии преобладает область высокого давления над Азией и Северной Америкой, в то время как над океаном давление понижено. В южном полушарии давление ниже над материками, чем над океаном. Летом возникает противоположная ситуация.

Годовой ход давления над Азией вызывает сезонные ветры - муссоны. Зимой над Индийским океаном они дуют на юго-запад, неся поток сухого воздуха. В июле ситуация меняется: ветры дуют с Индийского океана на северо-восток, в сторону материка. Влажный океанический воздух, достигая теплого материка, приносит с собой обильные осадки. На погоду Дальнего Востока и региона арктических морей России также оказывает влияние муссонный тип атмосферной циркуляции.

Ветры, кроме известного всем волнения, перемещают водные массы на большие расстояния. Если бы Земля была полностью покрыта водой, то циркуляция океана была бы подобна циркуляции атмосферы. Океанические течения тогда перемещали бы воды с востока на запад в зоне пассатов и полярных районов, а также в противоположном направлении в умеренных широтах. В реальности картина океанической циркуляции более сложна из-за наличия суши.

Два главных океана, Атлантический и Тихий, простираясь от Арктики до Антарктики, ограничиваются американским и афро- евразийским суперматериками. Наибольший по площади Тихий океан также ограничивается на юго-западе Австралией. Чтобы рассмотреть главные черты океанической циркуляции, обратимся к модели.

Для анализа общей картины циркуляции заменим фактическую сложную береговую линию главных океанов эллиптической границей, простирающейся от одного полюса к другому. Пусть на этот упрощенный океан действует осредненный ветер с преобладающими западно-восточными составляющими. Взаимодействие ветров и течений в таком океане, например Атлантическом, графически изображается на рис. 3.12.

Модель ветровой циркуляции в океане

Рис. 3.12. Модель ветровой циркуляции в океане

Как отмечалось ранее, у Северного полюса ветры дуют с востока. Далее к югу расположен район с преобладанием ветров с запада. Южнее района переменных западных ветров расположены «конские широты», а затем район пассатов, где восточные ветры обладают большим постоянством и силой. Вблизи экватора пассаты ослабевают и переходят в штилевую зону и снова усиливаются в южном поясе пассатов. Еще южнее расположен район переменных западных ветров, а вблизи Южного полюса преобладают восточные ветры.

Указанная система ветров вызывает соответствующие движения океанических водных масс. Причем если бы вся Земля была покрыта водой, то течения были бы круговыми, перемещали бы воду вдоль параллелей. Эллиптическая граница модели океана отклоняет течения, образуя ряд круговоротов.

Наибольшие по размеру субтропические круговороты формируются водами, текущими на запад под действием пассатов и поворачивающими в обратную сторону в районе переменных западных ветров. По обе стороны от экватора узкие экваториальные круговороты формируются возвращающимися на восток в штилевой области потоками, которые берут начало в пассатных поясах.

Рассмотренная простая модель океана дает нам систему из шести круговоротов. Они образованы океаническими макроциркуляциями'. субарктической, северной субтропической, северной экваториальной, южной экваториальной, южной субтропической и субантарктической.

В противоположность простой модели, демонстрирующей западно-восточную симметрию в картине течений, фактически более сильные течения наблюдаются на западной стороне океанов (например, Гольфстрим и Куросио на западной стороне северных частей Атлантики и Тихого океана). На восточной стороне этих океанов течения гораздо слабее.

Что вызывает асимметрию в циркуляции океанических течений? Ответ на этот вопрос сравнительно недавно (в 1948 г.) дал американский океанограф Г. Стоммел. Им были выделены три фактора, влияющие на образование океанических круговоротов: ветровое воздействие, сила трения и сила Кориолиса. Однонаправленные силы способствуют увеличению потоков, а разнонаправленные — уменьшению.

Складывая векторы трех действующих сил (ветра, трения и силы Кориолиса), Стоммел получил увеличение скорости течения у западного берега и уменьшение на востоке. Объясняется это так. Вращение Земли вызывает ускорение Кориолиса. Соответствующая сила на единицу массы пропорциональна синусу широты и увеличивается от нуля на экваторе до 1,5 • 10-4 V на полюсе. Изменение силы Кориолиса с широтой и приводит к асимметрии течений. Таким образом, равновесие сил наступает только при условии усиления течения в западной части океана.

Упрощенная схема из шести больших водоворотов океанических течений дает общее представление о формировании ветровой циркуляции. На карте поверхностных течений в реальном океане, составленной по среднемноголетним данным, показаны Гольфстрим, Перуанское течение, Куросио, Северное и Южное пассатные течения, Антарктическое циркумполярное течение и др. (рис. 3.13). Они имеют много общих черт с картиной ветровой циркуляции. В то же время видно, что в Мировом океане более сложная система противотечений у оконечностей континентов, где располагаются Лабрадорское течение, Аляскинское возвратное течение и др.

Кроме того, в реальном океане на огромные водовороты, приводимые в движение ветром, накладывается так называемая термохаллинная циркуляция, образованная непосредственным влиянием солнечной радиации. «Термо» в названии указывает на связь с температурой воды, а «халина» — на связь с ее соленостью. Осрсдненныс по широтным поясам океанографические данные показывают, что температура изменяется от 0 до 27°С, а соленость — от 30 до 37%о (промилле). Комбинированный эффект изменения температуры и солености определяет плотность воды в океане. В связи с тем, что в тропические широты поступает больше тепла от Солнца, чем в полярные, холодная плотная полярная вода погружается на глубину, замещаясь теплой поверхностной водой. Одновременно в толще океанских вод развивается слабый поток холодной глубинной воды к поверхности.

Основные океанические поверхностные течения

Рис. 3.13. Основные океанические поверхностные течения

После изучения динамики океана — главного объекта гидросферы, рассмотрим общие вопросы глобального круговорота воды.

Естественный круговорот воды включает перенос водных масс течениями и стоками, испарение с открытых поверхностей, выделение водяного пара, конденсацию и сублимацию в атмосфере, выпадение осадков, образование и таяние льда, взаимодействие с животным и растительным миром. Водные балансы отдельных регионов планеты формируются в зависимости от совокупности всех перечисленных компонент водообмена.

Средние глобальные величины испарения, осадков и стоков приводятся на рис. 3.14.

Для анализа многих геосферпых процессов важно оценить, как быстро осуществляется водообмен. Активность водообмена - это время т0, в течение которого происходит смена всего объема той или иной части гидросферы за счет естественного годового баланса. По современным оценкам значения т0 составляют: для рек — 0,03—0,06 года; для влаги в атмосфере — 0,027 года; для почвенной влаги — 0,9—1,0 год; для ледников — 8000—9800 лет; для подземных вод — 2900—5000 лет; для океана — около 3000 лет.

Характеристики глобального водообмена по данным ВМО

Рис. 3.14. Характеристики глобального водообмена по данным ВМО

Значения активности водообмена показывают, что влага атмосферы полностью сменяется примерно каждые 8—10 суток, а речной сток — каждые 11—20 суток. Наиболее длительный период обновления у подземных вод и вод Мирового океана — тысячи лет. Поэтому особенно актуальна задача их защиты от антропогенного загрязнения.

Необходимо помнить, что Мировой океан — это будущее человечества, а подземные воды — ближайший резерв питьевого водоснабжения населения планеты.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >