Взгляд со стороны физики

  Специалисты по физике океана занимаются изучением гидро- и термодинамики этой изменчивой жидкой среды. Физик утверждает, что движения океана и атмосферы — это следствие неодинакового нагрева земной поверхности Солн­цем. На рисунке 3.1 показаны пучки солнечного света равного поперечного сечения, попадающие на разные участки Земли. Вблизи экватора они нагревают меньшую площадь, чем в полярных зонах, поэтому экваториальная область ежеднев­но получает больше калорий тепла на квадратный метр. Это объясняет явление неравномерного нагрева земной по­верхности и служит физическим основанием для исследова­ний так называемой тепловой машины Земли.

  Неодинаковый нагрев создает разность температур меж­ду экваториальными и полярными зонами. В этом заключа­ется фундаментальная физическая причина, приводящая ат­мосферу и океан в движение. Движения жидкой оболочки Земли — реакция на действие этой силы, направленная на то, чтобы уравновесить неодинаковое распределение тепла путем его переноса от экваториальных областей с избыточ­ным нагревом к полярным областям, где нагрев недостато­чен. Описания атмосферных ветров и океанических тече­ний — основные исходные данные для изучения теплового баланса Земли. Мы оцениваем роли атмосферы и океана в процессе перераспределения тепла на земном шаре как при­мерно равные.

  Атмосфера участвует в работе тепловой машины через сложное сочетание элементарных вихревых движений, за­хватывающих определенные части пространства — так на­зываемые ячейки Гадлея. Они схематически изображены на рисунке 3.1 (более детальное описание атмосферы приведено на рисунке 10.4).

Океаны с точки зрения физики

Рисунок 3.1. Океаны с точки зрения физики.

  Океанологов больше всего интересуют поверхностные ветры, так как именно они непосредственно взаимодейству­ют с океаном. На рисунке 3.1 показано распределение поверх­ностных ветров над Мировым океаном; существуют особые «пояса» восточных и западных ветров. (Называя направле­ния ветров, метеорологи указывают, откуда движется воз­душная масса, океанологи же дают названия течениям исхо­дя из того, куда они направлены.) В общем, эти пояса дейст­вительно «опоясывают» весь земной шар. Между зоной за­падных ветров, приуроченных к широтам 30-50°, лежат зо­ны восточных ветров — пассатов, дующих и над эквато­ром; ближе к полюсам расположены другие системы вос­точных ветров.

  Поверхностные ветры порождают движения в поверх­ностном слое океанов. В самом деле, как показано на рисунке 3.1, распределение поверхностных ветров коррелирует с распределением крупных поверхностных течений. Хотя от­дельные течения имеют собственные названия, например конкретные западные и восточные пограничные течения, но суть в том, что ветровые течения образуют закономерные системы крупномасштабной циркуляции (круговороты); раз­мер этих систем в общем сравним с размерами главных оке­анических бассейнов — таковы, например, Северо-Тихоокеанский и Северо-Атлантический круговороты.

  Однако существует дополнительная сила, создаваемая вращением Земли, — сила Кориолиса (см. рисунок 10.3), и вследствие этого система течений разделяется на изолиро­ванные круговороты, расположенные к северу и югу от эк­ватора. Эти круговороты имеют противоположные направ­ления. По сути дела системы циркуляции в Северном и Юж­ном полушариях как в океане, так и в атмосфере «симмет­ричны» относительно экватора.

  Кроме того, в результате неодинакового солнечного на­грева поверхностные воды у экватора оказываются более теплыми, а значит, менее плотными, чем полярные поверх­ностные воды. С другой стороны, в полярных районах под влиянием сильного охлаждения и испарения поверхностные воды настолько уплотняются, что опускаются на глубину. В совокупности эти факторы создают и поддерживают осо­бый тип вертикального движения, называемый термогалинной циркуляцией, посредством которой теплые субтропичес­кие воды верхнего слоя движутся к полюсам, а более холод­ные воды глубинного слоя — к экватору. Из этого и возни­кает представление, в соответствии с которым мы «модели­руем» океан как двухслойную систему (рисунок 3.1). В верхнем слое время полного оборота в возбуждаемых ветрами кру­говоротах 2-3 года, тогда как период глубинной циркуля­ции измеряется сотнями лет.

  Чтобы вода, опустившись на глубину в зонах даунвеллинга приполярных районов, вернулась на поверхность в зо­нах апвеллинга, должен существовать какой-то механизм. Апвеллинг развивается в определенных районах. Например, глубинные воды вынуждены подниматься на поверхность в узких зонах вдоль побережья, где ветры бывают сильными и направлены параллельно берегу; другие зоны апвеллинга встречаются в виде узких полос у экватора, в частности в Тихом океане, и широко распространены в Южном океане вокруг Антарктиды. Зоны апвеллинга и даунвеллинга пред­ставляют большой интерес и для биологов — главным об­разом из-за круговорота питательных веществ в океане, — и для химиков, изучающих, какие химические соединения уходят от поверхности в глубинные воды и снова возвраща­ются на поверхность.

  Некоторые события последнего времени выдвинули фи­зическую океанологию вместе с метеорологией на мировую авансцену. Обнаружилось, что в Тихом океане восточные экваториальные ветры сгоняют поверхностные воды к Ази­атскому материку, но когда эти ветры теряют силу, — а это периодически происходит, — поверхностные воды уст­ремляются назад через Тихий океан таким мощным пото­ком, что вдоль тихоокеанских берегов Южной и Северной Америки возникают крупные климатические изменения. Это явление наблюдается обычно близ побережья Эквадора и Перу примерно на рождество и носит название Эль-Ниньо («младенец»). Климатические исследования в настоящее вре­мя сильно расширились и вылились в крупные глобальные научные программы, например TOGA (Тропический Оке­ан — Глобальная Атмосфера) — комплекс исследований мирового масштаба с целью найти такие «связи» между океа­нами и атмосферой, которые могут использоваться для предсказания будущих климатических изменений.

Области исследований

  Течения. Какова скорость движения вод в океане? С появле­нием надежных корабельных часов (хронометров) в начале XVIII в. моряки впервые смогли определять географическую долготу для установления точного положения судна в море. И сразу же стало возможным измерять снос, вызванный поверхностными течениями. Снос — это разность между действительным положением судна и тем местом, где оно должно находиться. Таким способом были быстро закартированы крупные течения. В середине XIX в. М. Мори опуб­ликовал сводку течений, полученную по этим данным. В его каталоге было впервые подтверждено фактическими данны­ми существование направленного на север мощного течения Гольфстрим, идущего вдоль Атлантического побережья США. После этого ученые стали искать физическое объясне­ние того, почему более мощные течения развиваются у за­падного края океана, а не у восточного. (Оно было найдено лишь в 1948 г. - см. Циркуляция в океанах) Сегодня Гольфстрим изучается интенсивнее, чем когда бы то ни было, поскольку считает­ся, что его динамика определяет изменения погоды во всем Северном полушарии.

  Только во второй половине нашего века появились тех­нические возможности производить автоматические прибо­ры для точного измерения океанических течений. Дорогие и непростые в обращении, эти приборы позволяют получать значительно меньше данных прямых измерений, чем нам не­обходимо для адекватного описания движений океана; в не­которых районах океана такие измерения все еще не прове­дены. В значительной мере движения, происходящие в океа­не, носят турбулентный характер, т. е. их нельзя предска­зать точно. К счастью, теперь на искусственных спутниках Земли устанавливаются датчики для дистанционных измере­ний, с помощью которых можно будет собирать данные, необходимые для картирования океанических течений.

  Волны. Только в жидких и газообразных средах поддержи­ваются волнообразные движения. В океане возникает мно­жество волн разного типа — от крошечных «капилляр­ных» волн, создающих мелкую рябь на поверхности, до волн планетарного масштаба, включающих приливные вол­ны (Волны и волновые движения). Волны точно так же, как течения, переносят энергию из одного района в другой, но в отличие от тече­ний они переносят очень небольшие массы воды. Волновое движение — составная часть более обшей проблемы — как и где океаны получают и расходуют энергию движения, — поэтому физика генерации волн продолжает оставаться предметом изучения.

  Взаимодействие океана и атмосферы. Граница между двумя текучими средами: океаном и воздухом — центр внимания во многих исследованиях физиков, равно как и химиков. Че­рез эту границу ветры передают энергию, необходимую для развития течений. Это зона обмена газов, таких как кисло­род и углекислый газ. С точки зрения физика, важнейшее из всех веществ, пересекающих эту границу, — водяной пар. Именно та скрытая тепловая энергия, которую несет пар, приводит в движение воздушные массы и, таким образом, определяет саму погоду (пример был приведен в Введение в науку о море). Мы измеряем скорости обмена энергией через границу между атмосферой и океаном и определяем роль океанов в переда­че энергии, запасенной в одном районе, к месту ее высво­бождения в другом районе.

  С точки зрения биолога, важнейшее вещество, пересека­ющее эту границу в процессе диффузии, — углекислый газ С02. Скорость, с которой углерод захватывается органичес­кой протоплазмой морского живого существа, в какой-то мере определяет скорость поступления нового количества С02 в океан из газовой атмосферы. Химики также изучают эти скорости, этим же занимаются и метеорологи, посколь­ку удаление С02 из атмосферы — жизненно важная часть проблемы, создаваемой человечеством при сжигании иско­паемого топлива.

  Научная техника. Исторически первыми методами изучения океанов специалистами по физике были математические. Уравнения, описывающие динамику и термику жидкости и газа, были выведены в течение 150 лет: примерно с 1750-го и до 1900-го года. Только в последние полвека ученые нача­ли применять измерительные приборы для получения дан­ных о действительных движениях, предсказанных этими уравнениями. На рисунке 3.2 показаны некоторые основные приборы, применяемые для физических исследований океа­нов. Начиная с исторической экспедиции британского воен­ного судна «Челленджер» в 1872-1876 гг., физики стали из­мерять температуру и соленость — концентрацию раство­ренных солей — океанской воды и вычислять ее плотность. По этим данным делались выводы о мощности океаниче­ских течений и создавалась, таким образом, новая дисцип­лина — физическая океанология.

  После второй мировой войны вместе с успехами элек­троники появились новые способы измерять температуру, соленость и другие физические характеристики in situ, т. е. в данном случае «прямо в воде». Например, мы измеряем те­перь скорость звука в океане со все большей точностью, на все меньших расстояниях и за более короткое время. Это позволяет изучать, как именно и насколько быстро энергия движения в конце концов переходит в тепло. Такие данные нужны нам для построения адекватных моделей того, как трение изменяет динамику системы океан — атмосфера.

  Главным местом, где проводятся инструментальные наблюдения всех видов, всегда была подвижная платфор­ма — корабль (см., например, Два океанологических рейса). Но даже эта зависи­мость от корабля теперь меняется. В настоящее время для сбора данных используются автоматические датчики на бу­ях; одни буи закреплены якорями, другие дрейфуют под действием ветров и течений. Но самые последние достиже­ния связаны с использованием дистанционных датчиков, установленных на искусственных спутниках Земли. В ближайшем будущем мы будем иметь ежедневные сводки о мировом распределе­нии ветров, дующих над поверхностью моря, а также дан­ные о волнах и даже о цвете моря.