Тепло океану
Тепло океану
Художник В. Логінов
Пушкін «Євгеній Онєгін»
Взагалі основна причина таких змін погоди відома. Це контрасти температури, які від нерівномірного прогріву земної поверхні. Вони і є першопричиною всіх рухів води та повітря на нашій планеті. Адже вода і суша, ліс і пустеля, лід і степ - те, що вчені називають поверхнею, що підстилає, нагріваються сонцем зовсім по-різному. А ось атмосфера Землі завжди прогрівається знизу. Повітря майже безперешкодно пропускає сонячні промені і нагрівається тим довгохвильовим випромінюванням, яке посилає прогріта поверхня, що підстилає (див. схематичний малюнок на стор. 26). Нижні, теплі шари його піднімаються вгору, на зміну їм приходять холодні: виникає конвекція - явище, поширене і добре відоме, - один з головних механізмів передачі тепла в атмосфері знизу вгору.
Ще 30 років тому планетарні контрасти температури навели академіка В. В. Шулейкіна на думку про «теплові машини» в рухомій оболонці Землі. Він розробив теорію термобаричних хвиль в атмосфері та дав геофізикам винятково плідну ідею. Виходячи з принципу роботи теплових машин (нагрівач плюс холодильник), він пояснив основний потік повітря в тропічному поясі Землі – пасати та сезонні переміщення повітряних мас з океану на материк та назад – мусони. Відомо, що взимку маса холодного повітря над Азіатським материком зростає на 150 тис. т над кожним квадратним кілометром. Важке холодне повітря прагне внизу розтектися в різні боки, вітер дме з материка на океан, над яким повітря тепліше і нижче. Влітку морська поверхня холодніша, ніж суша. Центр високого тиску переміщується океаном. Вітер починає дмухати з океану наматерик. Так утворюється сезонний вітер – мусон.
Академік В. В. Шулейкін розрахував, зокрема, ту кількість тепла, яке взимку віддає Норвезьке море у повітря від 60 до 75° північної широти між Норвегією та Ісландією. Воно дорівнювало 2,5 • 10 18 великих калорій на добу. Найменша частина його випромінюється в космос, а решта, переведена в енергетичні заходи, становить 80 млн. мегават. На євроазіатський материк циклони приносять близько 70% цього гігантського вогнища теплової енергії.
Звідки в цих високих холодних широтах в океані стільки тепла? Простежимо, де накопичується це тепло, звідки воно приходить і що відбувається в океанських течіях.
У великому поясі на північ і на південь від екватора шириною близько 3 тис. км. величезна маса води рухається зі сходу на захід. За кілька місяців шляху вода у поверхневому шарі завтовшки 20-30 м нагрівається до 26-28°. У шарі до 100-120 м температура води залишається вищою за 20°. За нашими розрахунками, середнє широтне перенесення тепла в поясі від 5 до 25° південної широти та у шарі від поверхні до глибини 1000 м в Атлантичному та Тихому океанах становить 5,4 • 10 15 великих калорій на добу.
Океан віддає тепло атмосфері двома шляхами: турбулентним теплообміном, тобто безпосереднім нагріванням, та шляхом випаровування. Згадаємо, що на випаровування 1 г води за температури 20° витрачається 586 калорій. Усього ж океан випаровує зі своєї поверхні 334 • 10 12 т води на рік, віддаючи при цьому повітря близько 2 • 10 20 великих калорій тепла. Причому вся ця кількість виділяється в атмосферу та нагріває повітря при конденсації водяної пари - при утворенні хмар та туманів. За А. С. Моніною, загальна потужність витрат тепла на випаровування по всій планеті становить 30 млрд. мегават, тобто близько 30% тієї кількості тепла, яку Земляотримує від Сонця
Співвідношення теплоємностей води та повітря таке, що якщо стометровий шар води охолоджується на одну десяту градуса, то вся атмосфера над ним нагрівається в середньому на 6°. Причому треба врахувати, що всім шляхом вода нагріває над собою повітря. Вона була б, мабуть, ще теплішою, якби зберігала тепло в собі. Але океан щедрий і водночас не марнотратний. Безліч тепла доносять води океану до своїх західних кордонів. Але ось течія дійшла до материка. Тепла вода накопичується біля берега, але кудись подітися їй треба. Під впливом берегової межі і вітру над морем більшість води повертає північ. Утворюються такі широко відомі теплові потоки в океані, як Гольфстрім та Куросіо. Протягом приблизно півтора тис. км. вони йдуть вздовж берега, а потім повертають на схід у відкритий океан.
У північних широтах сонце не таке спекотне, так на екваторі. І повітря там значно холодніше. Але чим холодніше повітря і сильніший вітер, тим інтенсивніше він забирає тепло у води, тим швидше прагне нагріватися сам. І хоча вода в цих теплих потоках остигає, перемішується, вона все ж таки залишається значно тепліше, ніж оточуючі води місцевого походження. Тепліше, ніж оточуючі? Але це є контрасти температури внаслідок нерівномірного прогріву водної поверхні. Чи не тут зароджуються циклони? Так, саме тут, у районі Гренландії та Ісландії, там, де з півночі приходять холодні води Арктики і стикаються з теплими водами Гольфстріму. Виявилося, що лінія найбільшої тепловіддачі витягнулася вздовж осі теплої Північноатлантичної та Норвезької течій.
Саме тут поблизу цього гігантського нагрівача потужність якого розрахував В.В.Шулейкін і знаходиться один із глобальних кліматичних дій атмосфери.Ісландський мінімум. Тиск повітря тут нижчий щодо того, як саме зароджуються циклони, існує кілька гіпотез. За однією з них циклони утворюються з хвиль, які виникають, як вигин, на поверхні розділу теплого та холодного повітря. А як утворилася сама хвиля? Одна справа констатувати основну причину – контрасти температури, а інша, і важча, – з'ясувати механізм виникнення.
У зв'язку з цим помітили цікаві речі. По-перше, лінія поділу теплого та холодного повітря біля поверхні Землі проходить поблизу північного кордону найбільш теплих потоків у морі. І по-друге, морські течії не йдуть рівною лінією. Вони згинаються і утворюють своєму шляху петлі. Іноді такі петлі відриваються від основного струменя і утворюють вихор з вертикальною віссю. Ці вихори рухаються осторонь основного потоку і деякий час живуть самостійно. Не будемо зараз вдаватися до причин, чому це відбувається. Важливо інше: якщо вихор відірвався від теплої течії, то він несе запас свого тепла в навколишні холодні води. Доки вихор сам не розчиниться в навколишній воді і не перестане існувати, він продовжує нагрівати над собою повітря. Холодний вихор у теплій воді охолоджує над собою повітря. Поверхня поділу між теплим та холодним повітрям викривляється – на ній з'являються хвилі, які можуть розвинутись у циклони.
В океані виникає, як пише В. В. Шулейкін, теплова машина п'ятого роду, для якої нагрівачем служать особливо сильно нагріті ділянки поверхні океану, а холодильником є весь простір, що оточує систему машин. Саме нагрівач – океан – живить енергією тропічні циклони, які перетворюються на урагани зі швидкістювітру до 60-80 м/с. При середньому «врівноваженому» урагану потужність, що доставляється йому від океану, становить 200 млн. мегават, а радіус живлення вогнища тепла - близько 225 км. на холоднішу воду, то він помітно вщухає.
Приклад із тепловим харчуванням циклону з океану особливо переконливо показує, наскільки важлива і актуальна сьогодні назріла проб тема геофізики -кількісний облік перенесення тепла водою океану.
Але тепло океанських вод і його переміщення визначають не тільки циклонічну діяльність в атмосфері. всього 3-5 великих калорій на рік з кожного квадратного сантиметра Але завдяки постійно існуючим тут полинам і розведенням загальна кількість тепла, що надходить з моря, призводить до того, що температура повітря в Арктиці в 2-3 рази вища, ніж в Антарктиці, хоча сонячного тепла ці області одержують однаково.
За розрахунками Г Корту, Антарктичне океанічне кільце віддає в атмосферу понад 33 10 великих калорій на рік. На танення льоду в південному океані влітку витрачається 14 10" кал. Уся ця кількість тепла приноситься течіями з помірних широт океанів Замість нього південний океан з течіями та вітрами шле на північ холод.
За даними В Н Степанова, в помірних і полярних широтах північної півкулі океан віддає в атмосферу приблизно 50-75 кал тепла на рік з 1 см2. Попередні розрахунки показали, що в стовпі океанської води від поверхні до дна в середньому міститься в 500-1000 разів більшекількість тепла в океані не залишається постійним воно змінюється від місяця до місяця і від року до року
За рахунок незначної зміни свого запасу теплаокеаті легко згладжує річні коливання теплового стану атмосфери. Не випадково величина різниці зимової та літньої температури повітря є показником континентальності клімату. енергії, щоб віддати її через десятки або сотні років Тепло, накопичене в океані, пом'якшує перехід від однієї кліматичної епохи до іншої, робить цей перехід поступовим Саме океан зробив наше середовище проживання придатним для життя в певних температурних межах
А скільки всього тепла переносить океан? Як воно розподіляється планетою? Де і скільки його віддається повітрі? Ось основні питання, якими зараз починають займатися багато геофізики.
Таким чином, можна сформулювати основну проблему, розробка якої починає розвиватися зараз все сильніше обмін енергією та речовиною в системах океан – атмосфера та океан – материк, планетарна циклічність та мінливість цього обміну.
Слід гадати, що найближчим часом вивчення океану піде такими ж швидкими темпами, як і вивчення космосу. Адже навколоземний космос може стати лише підсобним простором для дітей Землі У ньому можна розмістити постійні супутники зв'язку і стеження за погодою, наукові обсерваторії для астрономічних і геофізичних спостережень і т.д. .
Людина здатна втрутитися у розподіл тепла та холодуна землі
Проекти повороту теплих течій, розтоплення арктичних льодів та «перетворення тундри на квітучий сад» технічно здійсненні Але вони не можуть бути реалізовані доти, доки з бухгалтерською достовірністю не буде підраховано весь бюджет тепла, всі його прибуткові та видаткові статті в цілому для планети та для кожного її району окремо Адже якщо повернути теплу течію зі звичайного шляху, то це означає відібрати тепло в якогось іншого району, порушити рівновагу. Поки ми не знаємо, до чого це приведе, робити цього не слід. ставлення. Взагалі, дуже важливо навчитися точніше прогнозувати процеси теплового обміну, щоб раціонально використовувати енергію сонячного тепла, накопичену океаном.
