Маховик климата и погоды

Солнечные лучи почти не нагревают воздух. Его нагревает обратное длинноволновое, тепловое и невидимое для глаз излучение суши и моря. Суша быстро нагревается и быстро остывает. В приземном слое воздуха над сушей можно встретить температуру от 50? тепла до 80? мороза, тогда как самая высокая температура в тропических водах открытого океана +28?, а самая низкая в полярных бассейнах -1,9?. У дна в глубоководных частях Мирового океана температура воды повсеместно около 2? выше нуля.

Годовые изменения температуры поверхностной воды в тропиках не превышают 2?, а в полярных бассейнах 14-15?. Это происходит потому, что вода, в отличие от суши, медленно нагревается и медленно остывает. У воды ничтожно мала физическая теплопроводность. Передача тепла в море от поверхности в более глубокие слои происходит путем перемешивания. Эту задачу выполняют волны, приливные и другие течения. Перемешивая воду, они способствуют проникновению тепла в глубины моря летом и возвращению его в атмосферу зимой. Заметные сезонные колебания температуры воды не проникают обычно глубже 100-200 м. Температура воздуха над поверхностью воды лишь незначительно отличается от температуры воды.

В средних и высоких широтах летом вода в океанах и морях накапливает тепло, а зимой отдает его в атмосферу. Теплоемкость воды огромна. Кубический метр воды, охлажденный на несколько градусов, на столько же градусов нагревает 3134 м3 воздуха. Даже лед не препятствует морю нагревать атмосферу. Поэтому в Центральной Арктике в разгар зимы температура воздуха редко бывает ниже -20?, тогда как на севере Сибири, в Якутии, она падает порой до 70? ниже нуля.

Если в северных широтах океан согревает воздух, то в экваториальных странах он его охлаждает. Кроме того, он охотно делится избытком тепла, накопленного в тропиках, с северными холодными морями при посредстве течений. Теплое течение Куросио согревает Японские острова, Гольфстрим – север Европы. Вместе с этим мощным течением из Атлантического океана в Арктику ежегодно поступает от 140 до 243 тыс. млрд. ккал тепла. Таким количеством тепла можно растопить 3 млрд. т льда. Под влиянием Гольфстрима среднегодовая температура воздуха в Англии на 15?, а в Норвегии – на 20-25? выше нормальной температуры для соответствующей географической широты. Благодаря Гольфстриму наше Мурманское побережье круглый год свободно от льда. Теплые океанские течения – водяное отопление умеренных и северных широт планеты.

Полярные моря в свою очередь направляют холодные воды в области океана, расположенные в средних и экваториальных широтах. Их переносят холодные поверхностные течения – Ойясио и Гренландское в северном полушарии, Перуанское и Бенгельское – в южном полушарии. Кроме того, холодные полярные воды текут в сторону экватора в глубинах океана. Таким образом, океан непрерывно выравнивает температуру воздуха на земном шаре.

Океан согревает атмосферу не только путем непосредственного теплообмена и длинноволновой радиации, но и посредством испарения. Океан – это нагреваемый Солнцем паровой котел. В среднем около тысячи тонн пара в час снимает атмосфера с квадратного километра поверхности этого гигантского парового котла. В тропиках под палящими лучами солнца испарение возрастает в два – три раза. Здесь над безбрежными просторами океана собирается в воздухе огромное количество водяных паров. Конденсируясь и превращаясь в облака, они выделяют тепло, отнятое при испарении у океана. Доля этого тепла в нагреве атмосферы оценивается учеными по-разному – от 2/3 до 9/10 общего количества тепла, поступающего от океана в атмосферу. Как бы ни считать, оно служит мощным источником энергии, приводящей в движение воздушные массы. Весьма вероятно, что именно в тропиках начинаются ветры, дающие первые толчки атмосферной циркуляции, которая охватывает весь земной шар.

Это хорошо показал, например, американский ученый Бьеркнес в своем докладе о крупномасштабном взаимодействии океана и атмосферы на 2-м Международном океанографическом конгрессе в Москве.

В периоды аномально слабых пассатов в восточной половине Тихого океана на экваторе несколько меняются относительные скорости в системе течений и вместо подъема глубинных вод происходит их погружение. Температура воды в экваториальной зоне повышается и теплые воды распространяются далеко за обычные пределы, в результате чего устойчивый северотихоокеанский центр низкого атмосферного давления смещается со своего обычного места в Аляскинский залив. Понижение давления в северо-восточной части Тихого океана и прилегающих районах Северной Америки влечет за собой развитие центра избыточного давления вблизи Южной Гренландии и понижение давления на северо-западе России в зимнее время. В результате существенно меняется погода на огромных пространствах земного шара. Все эти явления наблюдались как раз в период Международного геофизического года (1957-1958 гг.) и поэтому были хорошо изучены. Интересно отметить, что ослабление пассатов, изменение течений и повышение температуры воды на экваторе сопровождается усилением уже известного нам течения Эль-Ниньо. Таким образом, это загадочное и сравнительно незначительное течение может служить как бы индикатором ряда крупномасштабных изменений в атмосферной циркуляции северного полушария планеты.

О другом примере связи между атмосферой и океанскими течениями на этом же конгрессе сделал сообщение российский океанолог А. И. Дуванин. Усиление западных ветров в Атлантике влечет за собой потепление Северо-Атлантического течения (Гольфстрима) и охлаждение встречных холодных течений из Арктического бассейна. Ослабление этих ветров вызывает обратные явления. Такие пульсации атмосферных и океанских течений в Северной Атлантике обнаруживают, оказывается, известную периодичность (2,5 и 5 лет), а индикатором того или иного их развития может служить уровень Балтийского моря, по состоянию которого можно судить о ледовитости Арктического бассейна за два года вперед. В свою очередь изменение ледовитости Арктического бассейна влияет на распределение атмосферного давления, на образование и движение воздушных масс, несущих погоду в северные области Европы, Азии и Америки.

Воздушные течения, как и морские, также переносят и холод, и тепло, но, кроме того, они несут с собой еще водяные пары. Словом, океан с атмосферой – это планетарный механизм кондиционирования воздуха.

Известно, что в природе нередко малые силы порождают физические процессы планетарного масштаба. Недалеко, быть может, время, когда будут найдены центры приложения таких сил для изменения воздушных течений в желаемую сторону, в частности, для перераспределения атмосферных осадков. Сейчас за движением облаков следят фотообъективы метеорологических спутников. Эти наблюдения следовало бы подкрепить учетом водности облаков, пересекающих рубежи океанов и материков. Тогда к моменту овладения движением воздушных масс наука уже точно будет знать, где и как это движение надо изменить.

Но на океан природа возложила еще одну важную роль – роль регулятора содержания углекислого газа в атмосфере. Присутствие в воздухе углекислоты, помимо биологического, имеет и чисто физическое значение. Углекислый газ, как и водяные пары, усиливает парниковый эффект атмосферы. Он не пропускает в космическое пространство длинноволновые тепловые лучи и способствует таким образом поддержанию устойчивого температурного режима планеты.

В атмосфере, по подсчетам академика А. П. Виноградова, содержится около 2000 млрд. т углекислого газа. В океанской воде его в десятки раз больше. В холодной воде больше растворено углекислоты, чем в теплой. Это обстоятельство играет важную роль в ее балансе.

Расход углекислого газа на развитие водной и наземной растительности компенсируется его выделением при гниении, брожении и дыхании. За последнее столетие выделение углекислоты в атмосферу все время возрастает в результате технической деятельности человека – увеличения площади возделанных земель и особенно сжигания огромных количеств топлива. Высказывается предположение, что со времени промышленной революции количество углекислого газа в атмосфере возросло на 10-12%. Правда, не все ученые с этим согласны, к тому же точные измерения содержания газов в атмосфере стали возможны только в последние десятилетия. Между тем подсчитано, что увеличение углекислоты вдвое повлечет за собой повышение средней температуры воздуха на Земле на 3-4?.