Многообразны движения вод океана. Еще более многообразны движения воздуха в атмосфере над мировым океаном и над материками и островами, разбросанными в нем.
Но как бы ни было велико многообразие всех этих движений, все оно за малыми исключениями объединено общим источником энергии, оживляющим и воды океана, и воздух атмосферы. Этот могучий источник — потоки солнечных лучей.
Каждые сутки замечая различие температур воздуха днем и ночью, каждый год — потепление к лету и похолодание к зиме, мы можем наблюдать, как повышается количество доставляемого солнечного тепла при увеличении крутизны падения лучей на земную поверхность и как уменьшается, когда солнечные лучи косо скользят по ней. Совершенно ясно поэтому, что количество тепла, падающего за сутки в потоке солнечных лучей на единицу земной поверхности, должно уменьшаться с увеличением широты места.
Неожиданным может показаться только то, что на широтах 0° (на экваторе) и 10° максимум притока тепла наступает 2 раза в год — весной и осенью, а среди лета, в июне, суточный приток солнечного тепла на экваторе всего лишь на 100 калорий превышает суточный приток тепла у Северного полюса.
Примечательно также, что в июне солнце особо щедро дарит теплом пояс близ 40° северной широты: суточный приток там на 200 калорий больше, чем на экваторе. Легко понять, что эти интересные подробности объясняются своеобразной «борьбой» между влиянием крутизны падения солнечных лучей и влиянием общего числа часов солнечного сияния за сутки. У полюса лучи падают косо даже в июне, но зато Солнце в эту пору светит круглые сутки; у экватора солнечные лучи близки к отвесному направлению, но продолжительность дня всегда равна шести часам (немаловажно также, что тропический воздух менее прозрачен для тепловых лучей, чем воздух полярный). В обоих отношениях условия оказываются особо выгодными на широте 40°, где и падение лучей происходит под достаточным углом к горизонтальной плоскости и число часов солнечного сияния летом достаточно велико.
Разумеется, климат того или иного широтного пояса определен не отдельными максимальными значениями суточного притока тепла, о которых сейчас говорилось, а полным количеством тепла, поступающего на единицу горизонтальной площади за год. В свою очередь это полное количество тепла зависит от продолжительности лета на той или иной широте, а продолжительность лета очень резко уменьшается при удалении от экватора к полюсам. В результате полное количество тепла, получаемого за год у полюсов, чрезвычайно мало по сравнению с получаемым на экваторе.
Какова же дальнейшая судьба того тепла, которое поступило от солнечных лучей в толщу морской воды? Этой судьбой непрерывно интересовались советские исследователи на Черноморской гидрофизической станции, изучая с 1929 года не только поступление тепла, но и его расход через каждый квадратный сантиметр поверхности моря.
Так было построено учение о тепловом балансе моря, которое теперь лежит в основе исследований, выполняемых теплофизиками различных стран в различных областях мирового океана.
Тепловой баланс чёрного моря
На рисунке изображена одна из многочисленных диаграмм теплового баланса Черного моря, построенных С. Г. Богуславским для срока с марта 1951 года до марта 1952 года. Все элементы теплового баланса здесь выражены в малых калориях, отнесенных к 1 см2 поверхности моря в сутки. Положительные значения отмечены по вертикальной оси вверх (до 800 калорий), а отрицательные — вниз (до 700 калорий). По горизонтальной оси проставлены римские цифры, отмечающие соответствующие месяцы.
Кривая 1 показывает, как меняется суточное поступление тепла от солнечных лучей. Эта кривая — извилистая, благодаря воздействию облаков, уменьшающих приход тепловой энергии от Солнца. Кривая 2 говорит о потере тепла на обратное излучение с поверхности моря; эта потеря не очень велика — она обычно не достигает здесь 200 калорий в сутки с 1 см2. Потеря тепла была бы больше, если бы часть невидимого теплового излучения, исходящего с поверхности моря, не перехватывалась водяным паром в атмосфере и не возвращалась морю. Зато очень велики потери тепла на испарение черноморской воды, о чем свидетельствует кривая 3; особо велики они в конце лета, когда температура поверхностной воды наивысшая, и осенью, когда велики скорости преобладающих ветров. На рисунке видна еще кривая 4, которая описывает теплообмен между поверхностной морокой водой и атмосферой. С апреля по конец августа эта кривая слегка поднимается над осью абсцисс: в эту пору воздух в прибрежной полосе теплее, чем поверхностная вода, а потому он отдает воде часть своего тепла. Напротив, с сентября по конец марта поверхностная вода оказывается теплее воздуха, и потому море расходует часть накопленного тепла на подогревание воздуха, соприкасающегося с поверхностью воды. Об этом говорит отрезок кривой 4, лежащий ниже оси абсцисс.
Для подведения теплового баланса необходимо алгебраически сложить все статьи прихода и расхода тепла, представленного кривыми 1—4. Тогда получится суммарная кривая 5, характеризующая тепловой баланс Черного моря в исследованном районе. Как видим, кривая 5 трижды пересекает ось абсцисс: в начале марта 1951 года, в начале сентября того же года и в начале марта 1952 года. В промежутке между первыми двумя точками пересечения кривая 5 поднялась над осью абсцисс; это значит, что здесь приход тепла преобладает над расходом и море в результате нагревается. Напротив, в промежутке между второй и третьей точками пересечения кривая 5 опустилась ниже оси абсцисс; это значит, что здесь преобладает расход тепла и море в результате охлаждается.
Непосредственные измерения температур воды на различных глубинах, в различные времена года показывают, что нагревание и охлаждение сказываются только до некоторой глубины — в деятельном слое моря толщиной в несколько десятков метров. Кривая 5 позволяет узнать, сколько калорий успеет накопиться в этом деятельном слое за период нагревания (в расчете на 1 см2 поверхности моря). Действительно, примем за нуль для отсчета поступающего тепла то теплосодержание, которое соответствует его минимуму в 1951 году, т. е. моменту первого пересечения кривой 5 с осью абсцисс в верхней части рисунка. Отметим этот момент на оси абсцисс в нижней части рисунка и будем отсюда вести кривую теплосодержания, обозначенную буквой Q.
Можно показать, что прирост теплосодержания деятельного слоя к какому-то дню года (например, к 1 июня 1951 года на рисунке) выражается площадью между кривой 5, ее осью абсцисс и ординатой, соответствующей заданному дню, в данном случае — заштрихованной площадью. В масштабе диаграммы это составляет 2∙104 малых калорий на 1 см2 поверхности моря. В нижней части диаграммы построена точка кривой Q, которая обладает именно такой ординатой (величины теплосодержания деятельного слоя на прежнюю единицу поверхности моря отмечены справа на оси ординат). Так строятся и все другие точки кривой, вплоть до ее максимума, наступающего в момент достижения наибольшей площади кривой 5 наверху рисунке, т. е. в момент второго пересечения кривой 5 с ее осью абсцисс.
Затем начинается охлаждение моря, и из максимальной ординаты кривой Q приходится вычитать отрезки, которые в прежнем масштабе пропорциональны соответствующим площадям кривой 5 в нижней ее части. Построение нисходящей части кривой Q обнаружило, что к концу годичного цикла — в марте 1952 года — теплосодержание деятельного слоя упало ниже того условного нуля, который был принят в самом начале построения кривой Q, во время минимума 1951 года. Это совершенно естественно: теплосодержание деятельного слоя, рассчитанное на единицу поверхности моря, не может сохраняться постоянным не только в продолжение различных сезонов года, но и от года к году в одном и том же сезоне.
Если мы разделим максимальный прирост теплосодержания «единичного столба» деятельного слоя, как бы подвешенного к 1 см2 поверхности моря, на массу воды в этом столбе и на теплоемкость, то получим разность между средней температурой деятельного слоя в начале сентября и средней температурой его в начале марта. Рисунок показывает, что к 1 сентября 1951 года теплосодержание «единичного столба» возросло на 4,3∙104 мал. калорий по сравнению с мартом того же года.
Если принять толщину деятельного слоя в исследованном районе равной примерно 60 м, а теплоемкость морской воды приблизительно равной единице, то окажется, что на основании кривой Q средняя температура воды деятельного слоя к 1 сентября повышалась примерно на 7,2°. Сам ход кривой Q в таком измененном масштабе характеризует изменения средней температуры деятельного слоя.
Для сравнения в нижней части рис. 1 нанесена ещё кривая 0°, которая показывает, как менялась здесь температура поверхностной воды. Как видим, ход кривой 0° вполне аналогичен ходу кривой Q. Только поверхностная температура воды 1 сентября превышала поверхностную температуру в марте не на 7,2°, а на 17°, — чем выше лежат частицы воды, тем больше колебания температур в продолжение года.
В настоящее время А. Г. Колесниковым и А. А. Пивоваровым разработаны методы предвычисления колебаний температуры морской воды в различных частях деятельного слоя по характерным для исследуемого района изменениям теплового баланса. Их методы основаны на теории обмена между слоями (обмена теплом, солями и другими растворенными веществами) под действием турбулентного перемешивания, т. е. перемешивания с участием мелких и крупных вихрей в морской воде Измерения скоростей в таких вихрях цитируемые авторы производят посредством новой оригинальной аппаратуры, сконструированной ими.
Предвычисление температур морской воды на различных глубинах весьма важно для прогнозирования срока замерзания ледовитых морей и вскрытия их. Как увидим, распределение температур существенно влияет на распространение звука в морской воде, на дальность слышимости сигналов.
Многочисленные измерения температуры воды в океанах на различных глубинах показали, что распределение температур здесь весьма сложное. Деятельный слой простирается в океане значительно глубже, чем во внутренних морях. Как правило, в океане наблюдается понижение температуры в направлении ко дну и притом очень значительное. Так, близ экватора температура поверхностной воды достигает около 27°, а придонная вода обладает температурой всего лишь 2° к северу от Средне-Атлантического поднятия дна и даже менее 1° — к югу от него.
Э. X. Ленц впервые объяснил наличие холодных придонных вод в тропической области океана поступлением их из арктических и антарктических областей. Первоначальная (очень несовершенная) схема Ленца давно оставлена исследователями океана, но основные черты этой схемы совершенно правильны? под действием назревания океанических вод в тропиках и охлаждения их в Арктике и Антарктике создается круговорот, простейшая форма которого состояла бы в движении холодных вод понизу — в направлении к экватору и движении теплых вод поверху — от экватора в направлении к полюсам.
В действительности такая элементарно простая картина осложняется воздействием вращения Земли на движущиеся воды и множеством других сил. Однако мы вправе считать, что по законам термодинамики в толще океана должны двигаться громадные массы воды между «нагревателем» (в тропиках) и «холодильниками» (на севере и на юге); именно нагреватель и холодильники создают движение во всякой тепловой машине
Аналогичные тепловые машины работают и в атмосфере, между тропическим нагревателем и холодильниками в Арктике и Антарктике. В этом можно убедиться, внимательно рассмотрев климатологические карты атмосферного давления. Подобные карты изобар дают общее представление о преобладающих движениях в нижнем слое атмосферы. Именно в южном полушарии зимой должна существовать простая схема движения, вызванная очень правильным залеганием изобар примерно вдоль кругов параллелей. Летом в этой области мирового океана также должно происходить такое простое движение, но с меньшими скоростями, поскольку градиенты (перепады) давления в летнее время всюду меньше, чем зимой.
Совсем иная картина наблюдается в северном полушарии в летнее время и особенно в зимнее время. Там и следа нет простых изобар, опоясывающих полюс: изобары всюду оконтуривают либо отдельные области океанов, либо отдельные области материков. Легко понять, что в этом виноваты сами материки, которые в северном полушарии совсем расчленили океан. В этом виноваты большие контрасты, существующие между прогревом атмосферы над океаном и ее прогревом над материками.
Действительно, на диаграмме теплового баланса мы видели, что в теплое время года море жадно поглощает тепло солнечных лучей и накопляет его в своем деятельном слое — до максимума на кривой Q. Затем при наступлении холодной поры это тепло теряется морской водой на испарение, на контактный теплообмен с атмосферой и на обратное лучеиспускание. Тем самым подогревается воздух над морем.
Иначе ведет себя атмосфера над материком: летом солнечные лучи могут прогреть только сравнительно тонкий слой твердых пород, выстилающих поверхность Земли; очень малая теплопроводность и столь же малая теплоемкость этих пород приводит к тому, что наибольшая часть тепла солнечных лучей здесь передается прямо воздуху, «нагревая его до значительно более высокой температуры, чем та, до которой он нагревался летом над морем. Зимой атмосферный воздух не получает тепла от поверхности материка, успевшей очень быстро израсходовать свое скудное теплосодержание. Значит, зимой атмосфера над материком должна быть холодней, чем атмосфера над морем на той же географической широте.
Но в таком случае на Земле должны работать в атмосфере еще «тепловые машины» второго рода, у которых зимой нагревателями служат океаны и холодильниками — материки, а летом нагревателями служат материки, а холодильниками — океаны. Работа этих машин сказалась на виде карт изобар в северном полушарии. Особенно отчетливо она выступает на громадном соединенном материке Европы и Азии: замкнутые изобары здесь оконтуривают нагреватель летом и холодильник зимой.
При работе всякой тепловой машины обязательно переносится тепло «в направлении от нагревателя к холодильнику. Так и в наших «тепловых машинах» первого рода движение воздуха создается при обязательном переносе тепла вдоль меридиана: от экватора к полюсам. В тропиках движение воздуха осуществляется в форме пассатов, а в средних широтах — в форме западного переноса воздушных масс, приблизительно вдоль параллелей на больших высотах и под некоторым углом к параллели — в нижних слоях.
Работа «тепловых машин» второго рода сопряжена с обязательным переносом тепла в атмосфере: с океана на материки зимой и с материков на океан летом. Само движение воздуха здесь осуществляется в форме муссонов, дующих в нижнем слое атмосферы с материка на океан зимой и с океана на материк — летом. Зимой с материка понизу уносится холодный воздух, на смену которому поверху приносится теплый воздух с океана. Летом с материка понизу уносится теплый воздух, а поверху поступает охлажденный. Такие встречные потоки называют антимуссоном. На своем пути в атмосфере тепло со стороны экватора или со стороны океана (зимой) вызывает повышение температуры по сравнению с той, какая установилась бы в данном месте, если бы в атмосфере не существовало тепловых потоков с экватора и с океана, а было бы лишь равновесие между теплом, поступающим прямо от Солнца, и теплом, уходящим в межпланетное пространство при обратном излучении.
По приближенной теоретической схеме автор вычислил, сколько тепла отдает тепловой поток с океана столбу воздуха высотой в 4 км, опирающемуся на 1 см2 земной поверхности (в Ленинградской области) в различные месяцы. Было вычислено также и количество тепла, которое отдается этому столбу воздуха от теплового потока, идущего в атмосфере вдоль меридиана, с юга на север. Теоретические вычисления удалось проверить достаточно надежным способом, так как район, для которого они произведены, хорошо освещен непосредственными исследованиями теплового баланса атмосферы.
В свое время Главная геофизическая обсерватория занималась такими исследованиями в Павловске, близ Ленинграда. При этом выяснилось, что тепла, поступающего прямо от Солнца, не хватает для уравновешивания теплового баланса атмосферы: потери тепла превышают поступление его от солнечных лучей.
В свете изложенных теоретических соображений ясно, что «недостача» тепла, вычисленная павловскими метеорологами и актинометристами, покрывается за счет тепла, поступающего с Атлантического океана, и тепла, поступающего с юга, вдоль меридиана. Экспериментальные точки, полученные для различных месяцев по материалам Павловска, хорошо легли на диаграмму, близ теоретической кривой Шулейкина, учитывающей суммы тепла, выделяемого двумя тепловыми потоками в столбе атмосферного воздуха, в расчете на 1 см2 подстилающей поверхности.
Интересно сравнить эти суммы с количеством тепла, которое в различные месяцы поступает непосредственно от солнечных лучей на 1 см2 горизонтальной плоскости. Оказывается, что даже в разгар лета — в конце июня — 1 см2 подстилающей поверхности получает от Солнца меньше тепла, чем получает зимой, в январе, четырехкилометровый столб воздуха, опирающийся на эту единицу поверхности, от тепловых потоков в атмосфере — с Атлантического океана и с юга.
Так велико значение океана в формировании климата нашей страны. Если бы не было этого влияния, то средняя температура воздуха в Ленинграде в январе достигала бы —52°. Если бы Земля полностью лишилась океана, то средняя месячная температура на полюсах могла бы опускаться до —77°. Мы знаем, что Северный Ледовитый океан, даже невзирая на толстый слой льда, служащего теплоизолятором для воды, значительно повышает эту температуру. Зато близ Южного полюса непосредственные измерения давали температуру воздуха иногда до —80°, в полном согласии со средним месячным значением, которое было вычислено автором еще в 1948 году. Значит, влияние океана практически не ощущается в недрах Антарктического материка.