Формирование свойств и динамики вод океана в процессе планетарного обмена энергии и веществ

   Глобальный обмен тепла, влаги, газов, биогенных и минеральных веществ возбуждается и постоянно поддерживается притоком солнечной энергии.

   Солнечная энергия, поглощаемая поверхностью земного шара. К верхней границе воздушной оболочки нашей планеты, согласно существующим расчетам, поступает 170 ккал/см2 в год солнечной энергии. До поверхности Земли доходит только 70% ее, остальные 30% рассеиваются и поглощаются атмосферой. Количество солнечной радиации, достигающей земной поверхности, в среднем для всей планеты составляет 130 ккал/см2 в год. Часть ее отражается от поверхности воды и суши, а некоторое количество уже усвоенной радиации снова излучается в атмосферу. В результате (величина поглощенной солнечной энергии в среднем для всего земного шара оказы вается равной 70 ккал/см2. Это составляет примерно около половины приходящей энергии.

   Поглощенная солнечная радиация в Мировом океане в целом составляет 80 ккал/см в год, тогда как для всей суши - только 50 ккал/см2 в год. В одних и тех же широтах океан поглощает на 25-50% больше тепла, чем суша. Столь значительное различие объясняется физическими свойствами воды, благодаря которым она способна усвоить больше тепла.

   Широтные изменения поглощенной солнечной энергии сильно отличаются от широтных изменений радиации, достигающей поверхности Земли. Значительно сглаживаются различия в количестве энергии, которая поглощается в экваториальной и тропической зонах. Субполярный минимум исчезает, а в полярных областях годовой радиационный бюджет становится отрицательным (до - 2,5 ккал/см2 в год в Арктике и -5 ккал/см2 в год в Антарктике). Зимой Арктика и Антарктика теряют за счет излучения больше тепла, чем получают его летом.

   На суше все тепло, получаемое весной и летом, расходуется осенью и зимой. В водах Мирового океана за долгую историю Земли накопилось в 500-1000 (местами в 1500) раз больше того количества тепла, которое поступает на его поверх­ность в течение года. Это объясняется высокой теплоемкостью воды и ее интенсивным перемешиванием, в процессе которого происходит сложное перераспределение тепла в толще океаносферы. Теплоемкость всей атмосферы в 4 раза меньше, чем у десятиметрового слоя вод Мирового океана.

   Перенос и перераспределение масс, возбуждаемые солнечной энергией. Неравномерное распределение солнечной энергии на поверхности земного шара приводит к созданию крупномасштабной горизонтальной неоднородности термических полей как в атмосфере, так и в океаносфере. Особенно велика такая неоднородность между низкими и высокими широтами. Она усиливается различием нагрева атмосферы и Мирового океана и сезонной изменчивостью термических процессов на материках.

   На формирование термических полей влияет и влагообмен между океаном и атмосферой за счет потребления тепла на испарение и выделения его при конденсации водяных паров. Горизонтальные неоднородности плотностей, возникающие в процессе тепло- и влагообмена, в соответствии с законами термодинамики возбуждают перенос водных и воздушных масс в направлении от теплых областей к холодным. Таким образом, потенциальная энергия термических полей превращается в кинетическую энергию водных и воздушных потоков.

   Более высокая плотность воды и повышенная устойчивость процессов значительно замедляют обмен энергии и веществ в океаносфере по сравнению с атмосферой. Это способствует сохранению общепланетарных природных условий в течение длительного времени, которое определяется продолжительностью данной фазы развития нашей планеты (ледниковая эпоха, эпоха потепления и т. п.).

   Высокая интенсивность макротурбулентных процессов в атмосфере ведет к быстрому перераспределению масс и, следовательно, общепланетарному обмену энергии и веществ. С этим же связана и большая активность взаимодействия между воздушной и водной оболочками. Значительно меньшая интенсивность макротурбулентных процессов в океаносфере способствует стабильности не только динамических и физико-химических условий, но и общепланетарных гидрометеоролоических процессов.

   Наибольшие градиенты плотности воды и воздуха образуется между полярными и тропическими областями. Они определяют основные планетарные особенности циркуляции атмосферы и вод Мирового океана. Под воздействием отклоняющей силы вращения Земли вместо прямого воздухо- и водообмена между высокими и низкими широтами создается сложное (зональное) перераспределение масс. Постепенное отклонение воздушных и водных потоков (в Северном полушарии вправо, а в Южном - влево) обусловливает возникновение циклонических и антициклонических макроциркуляционных (крупномасштабных) систем.

   Длительное обращение водных и воздушных масс в одних и тех же физико-географических условиях приводит к тому, что они приобретают определенные свойства. С этим и связана зональность всего комплекса процессов, являющаяся лавной закономерностью природы у поверхности Земли. Многообразие условий, наблюдающихся на фоне природной зональности, объясняется особенностями распределения солнечной энергии по поверхности земного шара и различием процессов поглощения, трансформации и расходования энергии и веществ атмосферой, океаносферой, литосферой и биосферой.

   В более подвижной воздушной среде преобладающий зональный перенос систематически нарушается меридиональными вторжениями. С увеличением интенсивности зональной циркуляции, как указывают Б.Л. Дзердзеевский и А.С. Монин, в умеренных широтах создаются большие широтные градиенты линейной скорости. Возникающее при этом вихреобразование приводит к постепенному увеличению циклонических и антициклонических систем, благодаря чему усиливается меридиональный воздухообмен. Он приводит к уменьшению температурных контрастов между экватором и полюсами и потому зональный перенос начинает ослабевать; широтные градиенты линейной скорости уменьшаются, а воздушные вихри размываются. Однако непрекращающийся приток солнечной энергии вызывает постоянное обострение меридиональных контрастов и, следовательно, возобновление интенсивности зонального переноса. «Происходящее при этом накопление количественных характеристик, - пишут Б.Л. Дзердзеевский и А.С. Монин, - создает новые качественные соотношения и сопровождается усилением контрастов между отдельными процессами обеих групп. Каждый атмосферный процесс и каждая группа таких процессов развиваются до достаточного накопления между ними контрастов, а затем характер циркуляции быстро, скачком, меняется; образуется ее новая форма, новый тип. Борьба между противоположными процессами - постоянным притоком солнечной энергии (вызывающим зональный перенос) и планетарной макротурбулентностью (способствующей его ослаблению), пишут далее те же авторы, определяет то, что атмосферу можно считать «автоколебательной системой, а автоколебания циркуляции - основой синоптических процессов».