Некоторые океанологические следствия высокой удельной теплоемкости воды

  Большие массы воды существенно смягчают колебания кли­мата на соседних с ними участках суши. Этот факт известен всякому, кто имел возможность или мечтал жить на побережье. Физическая подоплека его совершенно понятна: вода может накапливать или высвобождать большое количество тепла, в то время как ее температурные изменения остают­ся небольшими.

  Мы уже знаем (рисунок 3.1), что приповерхностные ветры и океанические течения представляют собой отклик атмосфе­ры и океанов на неравномерное нагревание поверхности Земли под воздействием солнечной радиации. Они отража­ют механизмы, которые стремятся сгладить эту неравно­мерность. В стационарном случае это достигается перено­сом избытка тепла от низких широт к полярным областям, где солнечного тепла поступает мало. Всю систему теплопереноса иллюстрирует рисунок 6.4. В пределах тематики этой главы важно понять роль воды как «рабочего вещества» глобальной «тепловой машины».

 Рисунок 6.4. Перенос тепла к полюсам в океанах и атмосфере.

 Изменение по широте потока падающей солнечной радиации и потока уходящей от Земли радиации (приведены среднегодовые значения, осредненные по широтным полосам Северного полушария)

(а) Изменение по широте потока падающей солнечной радиации и потока уходящей от Земли радиации (приведены среднегодовые значения, осредненные по широтным полосам Северного полуша­рия). Примерно у 40° с. ш. падающий и уходящий потоки компен­сируют друг друга. Севернее этой параллели Земля теряет больше тепла, чем получает: этот дефицит покрывается направленным к полюсу потоком тепла в океанах и в атмосфере.

Один квадрант сечения Земли, показывающий, что максимальное значение поток тепла к полюсу принимает у 40° с.ш.

(б) Один квадрант сечения Земли, показывающий, что максималь­ное значение поток тепла к полюсу принимает у 40° с. ш. Пред­ставлен результирующий поток, обусловленный океаническими и воздушными течениями, которые вносят примерно одинаковый вклад в перенос тепла. Океанические течения переносят к полюсу теплую воду, а воздушные течения в атмосфере переносят водяной пар, содержащий большое количество скрытой теплоты.

Стрелки отражают количество тепла, переносимого через единичную площадку в единицу времени

(в) Говоря о переносе тепла к полюсам в океа­нах и атмосфере, применяют термин «поток». Стрелки отражают количество тепла, перено­симого через единичную площадку в единицу времени.

 

Перенос тепла к полюсам

  Посмотрим, как обстоит дело в реальности. На рисунке 6.4,а показано распределение среднегодового потока падающей солнечной радиации (коротковолновой, ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной) в сравнении со среднегодовым по­током уходящей радиации (длинноволновым излучением «черного тела», сходным с тепловыми «волнами», испускае­мыми нагретой печью). Ясно, что в тропиках поток падаю­щей радиации превышает поток уходящей, а в полярных областях — наоборот. Кривые потоков падающего и уходя­щего излучений пересекаются в окрестности примерно 40° с.ш.; отсюда следует, что весь избыток тепла должен переноситься из низких широт через 40-ю параллель, чтобы компенсировать дефицит тепла в высоких широтах.

  Нам нужно найти подходящий способ выразить скорость переноса тепла к полюсам. Океанологи используют понятие «поток тепла», распределение которого показано на рисунке 6.4,в. Эта величина определяется как количество тепла, переносимое через единичную площадку за единицу времени; поток тепла может быть равен, скажем, 1000 кал/(м2 ∙ с). Одинаковая длина стрелок на рисунке означает, что океаны и атмосфера вносят примерно одинаковый вклад в перенос тепла к полюсам; об этом свидетельствуют лучшие из су­ществующих на сегодняшний день оценок ветров и течений. Стрелка, относящаяся к океанам, показывает, что поток тепла в них направлен к полюсу: течения полярного направ­ления несут теплую воду, а течения экваториального на­правления — холодную. Тепловой поток в атмосфере также направлен к полюсу, и это означает, что южные ветры не­сут с собой более влажный (содержащий больше водяного пара) воздух, чем ветры северные. Тот факт, что свое мак­симальное значение поток тепла принимает у 40° с.ш., ил­люстрирует рисунок 6.4,6.

 Рисунок 6.5. Перенос теплой поверхностной воды к полюсу в Атлантическом океане.

Перенос теплой поверхностной воды к полюсу в Атлантическом океане

Заштрихованы районы, где поверхностные воды теплее, чем в среднем по океану (расчет велся по широтным полосам). Числа обозначают объемный перенос воды (в млн. м3/с), а стрелки указывают направление течения. Жирная линия вдоль Атлантического побережья США — Гольфстрим. Он — главный «переносчик» теплой во­ды (и, следовательно, тепловой энергии) из тропических районов океана в полярные; часть теплой воды посту­пает в Северный Ледовитый океан в районе Норвегии.

Сравните информацию, которую дает эта схема, с картиной меридионального переноса тепла, показанной на рисунке 6.4. Если выбрать в качестве границы параллель 40°, то окажется, что перенос теплой воды на север примерно равен переносу воды на юг: 48 и 44 млн. м3/с соответственно.

  Роль океана в переносе тепла видна из схемы циркуляции в Северной Атлантике. Из рисунка 6.5 понятно, что основным течением, пересекающим параллель 40° в Северном полуша­рии с юга на север, является Северо-Атлантическое течение — продолжение потока теплой воды под названием Гольфстрим, следующего вдоль Атлантического побережья США. Гольфстрим выносит 26 млн. м3/с воды (почти поло­вину своего максимального расхода) из областей океана, на­ходящихся южнее 20° с. ш. Это тропические и субтропиче­ские поверхностные воды с температурой выше 25 °С. Все­го через 40-ю параллель в направлении к Северному полюсу переносится 48 млн. м3 теплой воды а секунду; ветви Северо-Атлантического течения достигают полярных морей у берегов Норвегии и Гренландии. Складывая числа, приве­денные на рисунке 6.5 для течений, пересекающих параллель 40° с севера на юг, мы получим только 44 млн. м3/с, при­чем следует учесть, что текущие на юг воды холоднее. (Ве­роятно, примерно 4 млн. м3 воды в секунду испаряется или теряется по каким-либо другим причинам в северных широ­тах.)

  Какую роль играет высокая удельная теплоемкость воды применительно к рассматриваемым нами вопросам? Если считать, что средняя температура воды, текущей к полюсу, на 10 °С выше, чем волы, текущей к экватору, то результи­рующий перенос тепла к полюсу должен составлять в рас­чете на секунду 10 кал на 1 г воды, участвующей в обмене, или 10 млн. кал на 1 м3 воды, или 4 ∙ 1013 кал для всей Се­верной Атлантики.

  Океаны из спирта. Попробуем поиграть цифрами иначе. Предположим, что океанические бассейны заполнены не водой, а какой-то другой жидкостью. Как изменятся в этом случае приведенные выше числа? Например, этило­вый спирт имеет удельную теплоемкость лишь 0,5 кал/(г ∙ град) - вдвое меньшую, чем вода. Чтобы обес­печить такую же величину меридионального переноса тепла, скорости течений в океане из спирта должны быть вдвое больше. Однако поверхностные течения в океане создаются ветром и не совсем очевидно, что ветер над океаном из спирта будет дуть вдвое сильнее. Если бы жидкость в та­ком гипотетическом океане не текла вдвое быстрее, не мог бы поддерживаться существующий баланс между приходом и расходом тепла. В результате в низких широтах температура возросла бы, а в полярных областях стало бы ещё хо­лоднее. Эти изменения происходили бы до наступления но­вого равновесия, при котором разность температур между полюсами и экватором была бы значительно больше, чем сейчас, а следовательно, ветры — сильнее. (Право, нам здо­рово повезло, что океаны на Земле состоят из воды, а не из виски.) Практически термодинамика Мирового океана пря­мо связана с тем, что вода имеет высокую теплоемкость.

Муссоны и бризы

  Тот факт, что удельная теплоемкость воды существенно больше, чем удельная теплоемкость пород суши, объясняет и другие явления. Рисунок 6.6 иллюстрирует одно из них, наб­людаемое в Аравийском море, на западном побережье Ин­дии и в Гималаях, находящихся в глубине континента. Ле­том Гималаи, как и ближайшие к ним районы океана, по­глощают большое количество тепла, идущего от Солнца, однако горные породы нагреваются сильнее из-за того, что их удельная теплоемкость невелика. Теплые горные масси­вы нагревают нижний слой воздуха (благодаря теплопро­водности), и тот поднимается над хребтами в виде теплых струй — термиков. В результате на сушу засасывается влажный воздух с Аравийского моря. Когда этот воздух поднимается вдоль склонов Гималаев, значительная часть содержащейся в нем влаги конденсируется и выпадает в ви­де дождя. Такой процесс идет на протяжении большей ча­сти лета, называемой сезоном муссонов. В противополож­ность описанной ситуации зимой, когда поток солнечной ра­диации уменьшается, циркуляция меняет знак: холодный су­хой воздух движется вниз по склонам гор и растекается над Аравийским морем.

Муссоны в Индийском океане - это сезонное явление, объясняемое различием в удельной теплоемкости пород суши и воды

Рисунок 6.6. Муссоны в Индийском океане — это сезонное явление, объясняемое различи­ем в удельной теплоемкости пород суши и воды.

Летом в результате нагревания высоких су­хих континентальных плато Гималайского хребта возникают восходящие воздушные потоки и влажный воздух засасывается на континент со стороны Аравийского моря. Над морем дуют преимущественно юго-за­падные ветры. Муссонные дожди выпада­ют тогда, когда влажный воздух поднима­ется вверх по горным склонам и излишек влаги конденсируется (сплошные стрелки). Зимой происходит обратный процесс. Вы­сокие плато охлаждаются гораздо сильнее, чем поверхность моря. В этот сезон над Аравийским морем дуют северо-восточные ветры (пунктирные стрелки).

  Дж. Миченер в своем эпическом повествовании (The covenant) опи­сывает, как использовали эту смену поверхностных ветров с полугодовым периодом индийские и аравийские купцы. Зи­мой их суда, подгоняемые ветром, плыли на юг вдоль побе­режья Африки, а в сезон муссонов возвращались назад на север. Интересный факт: древние парусные суда могли плыть только по ветру. Чтобы заставить их двигаться против ветра, потребовалось изобрести киль. Таким образом, первые мореплаватели были вынуждены становиться «хорошими метеорологами»: их жизнь зависела от направления ветра и от их способности предсказывать ветер. До того как появление искусственных спутников Земли позволило «наблюдать» за распределением ветра, наиболее надежные оценки ветров над океанами удавалось получать путем обработки тысяч наблюдений, выполняемых на судах.

Рисунок 6.7. Морской бриз характеризуется суточным циклом в смене направления ветра (на берег и с берега) и объясняется различием в зна­чениях удельной теплоемкости суши и воды.

Дневной и ночной морской бриз

(а) Дневной бриз. Под воздействием однородного потока солнеч­ной радиации температура суши, удельная теплоемкость которой меньше, растет быстрее, чем температура моря вблизи берега. Поднимающиеся термики — струи воздуха, нагретого от суши,— освобождают место для холодного морского воздуха, который за­сасывается на берег.

(б) Ночной бриз. Ночью суша остывает быстрее, чем море. Поздно вечером воздух, охладившийся над сушей, начинает течь в сторону моря.

  Морской бриз, хорошо знакомый жителям побережья, также объясняется различием в удельной теплоемкости су­ши и воды. Из рисунка 6.7 можно понять, почему морской бриз ежедневно меняет направление на противоположное. Если днем суша и море получают равное количество тепла от Со­лнца, температура суши растет быстрее, чем воды. В результате нагретый воздух, расположенный над сушей, начи­нает подниматься, а ему на смену на сушу засасывается воз­дух с моря. Это движение и образует дневной бриз. Ночью температура суши падает быстрее, чем температура воды у берега, и холодный воздух перетекает от берега в океан — возникает ночной бриз.