Покрывая свыше 2/3 поверхности земного шара, Мировой океан регулирует обмен веществ и энергии на всей нашей планете.
В процессе обмена энергией и веществами Мирового океана с внешним миром происходит формирование и изменение основных свойств его вод, а это в свою очередь определяет изменение климата на Земле. Поэтому большинство проектов преобразования климата основывается на увеличении притока тепла и влаги с океанской акватории. Уже сейчас возникают идеи искусственного изменения круговорота энергии и веществ, с тем чтобы создать наиболее благоприятные условия для жизни и хозяйственной деятельности всего человечества.
Теплообмен океана с атмосферой — важнейший климатообразующий фактор. Поглощаемая Мировым океаном солнечная энергия идет, во-первых, на поддержание устойчивого термического режима вод, при котором сохраняется постоянство температурных полей, во-вторых, на испарение огромной массы воды и, в-третьих, на турбулентный теплообмен с атмосферой.
Естественно, что Мировой океан, покрывающий большую часть земного шара, поглощает основную массу солнечной энергии, достигающей поверхности нашей планеты. Хотя количество ее примерно одинаково в одних и тех же широтах, вода (благодаря своей высокой теплоемкости) поглощает на 25—50% больше тепла, чем суша. Так, в тропической зоне Мирового океана поглощается в среднем за год 100—120 ккал/см2 и более, тогда как в тех же широтах на суше обыкновенно лишь 60—80 ккал/см2. С удалением к полюсам это различие постепенно уменьшается, и в полярных районах вода и суша поглощают очень мало солнечной энергии, обыкновенно менее 20 ккал/см2 за год.
Поэтому почти повсеместно температура воды оказывается выше, чем воздуха. Благодаря тому, что разность температур увеличивается от экватора к полюсам, отепляющая роль Мирового океана повышается с ростом географической широты, достигая максимального значения в полярных областях.
Воды Мирового океана в среднем за год поглощают в низких широтах (примерно между 30° с. ш. и 30—35° ю. ш.) от 25 до 75 ккал/см2. В умеренных широтах бюджет тепла существенно разнится между южным и северным полушариями. На юге поглощается тепла немного больше его расходования, тогда как на севере океан отдает в атмосферу значительно больше тепла, чем получает от солнца (примерно 50—70 ккал/см2 в год). Это определяется различием в распределении воды и суши. В полярных районах Мировой океан излучает в атмосферу огромное количество тепла, достигающее 50—75 ккал/см2 в год и более.
В тех областях, где расход тепла превышает его поступление, необходимая компенсация осуществляется за счет переноса тепла из низких широт течениями. Таким образом, бюджет тепла поверхности Мирового океана, с одной стороны, оказывает огромное влияние на климат всей планеты, с другой — вызывает перенос вод. Эти перемещения в конечном счете распространяются на всю толщу океана, поскольку даже небольшой их перенос в одном месте (обусловленный теми или иными причинами) вызывает целую систему движений, связанных с оттоком вод и компенсационным их поступлением со стороны. Таким образом, теплообмен с внешним миром порождает сложную циркуляцию вод, в процессе которой в круговорот энергии и веществ вовлекается весь Мировой океан. Благодаря этому в нем аккумулируется огромная масса тепла, газов, растворенных солей и других веществ. Подсчеты показали, что в столбе океанской воды содержится в 500—1000, местами в 1500 раз больше того количества тепла, которое переносится в течение года через его поверхность. Поэтому все межгодовые изменения климатических процессов легко покрываются за счет внутренних резервов Мирового океана.
Водообмен между океаном и атмосферой — другой важный процесс, влияющий на климат Земли. Основные его черты определяются различием между испарением и осадками. Общая масса воды, испаряющаяся с поверхности Мирового океана, составляет около 355 тыс. км3 в год, а выпадает обратно почти 320 тыс. км3 в год. Остальное (что составляет (примерно 1/10 всей испарившейся влаги) уносится в виде водяных паров на сушу. Выпадая здесь, эта вода реками снова выносится в моря и океаны, замыкая таким образом общий круговорот воды на планете.
Основная масса воды испаряется в тропических и субтропических широтах Мирового океана, где наиболее велик приток солнечного тепла, а преобладание антициклональной погоды обусловливает минимальные осадки. В низких широтах Мирового океана только в экваториальной зоне осадки преобладают над испарением, благодаря восходящим потокам в атмосфере. В умеренных и высоких широтах, начиная примерно от 40°, осадки превышают испарение.
Общее количество воды, находящейся в атмосфере в виде водяных паров, оценивается всего лишь в 13 тыс. км3. С изменением термического режима планеты количество водяных паров в атмосфере должно значительно изменяться. Особенно велики такие колебания в периоды долговременных потеплений и похолоданий климата. В наше время средняя температура воздушной оболочки Земли составляет 14°, тогда как до последнего (четвертичного) оледенения она была 22°. Поэтому с поверхности Мирового океана испарялось рачительно больше воды. Соответственно должны были меняться и остальные составляющие водного баланса планеты. В эпоху четвертичного оледенения средняя температура атмосферы, но имеющимся оценкам, могла меняться от 2° (в период максимального оледенения) до 17° в межледниковые периоды потепления. По отложениям дна экваториальной области Атлантического океана выявлено, что температура воды на его поверхности в ледниковую эпоху понижалась до 17°, тогда как в наше время она равна 26°. По некоторым данным, в период наибольшего оледенения Земли, максимальный объем льда мог быть раз в пять больше, чем сейчас, достигая примерно 150 млн. км3. Существуют расчеты, показывающие, что для возникновения ледникового периода достаточно понижения средней температуры атмосферы всего лишь на 4°. При этом огромное количество водяных паров, находящихся в обращении, сосредоточивается на поверхности суши в виде ледяных покровов.
Изучение круговорота воды и роли, которую при этом играет Мировой океан, имеет огромное значение не только для понимания влияния влагооборота на формирование и изменение природы земного шара, но и на выяснение воздействия водяных паров на тепловой режим всей планеты. Некоторые ученые считают, что с увеличением испарения воды с поверхности Мирового океана должна повышаться температура воздуха, что влияет на потепление климата. Это происходит благодаря так называемому «парниковому эффекту» водяных паров; пропуская коротковолновую солнечную радиацию, они задерживают длинноволновое тепловое излучение Земли.
Некоторые особенности газообмена океана с атмосферой. Возможно, что и этот процесс имеет существенное влияние на климат нашей планеты, в связи с изменением углекислого газа в атмосфере, которому так же свойствен «парниковый эффект». На этом явлении основывается углекислотная теория колебания климата.
В настоящее время в воздушной оболочке Земли содержится примерно 2300 млрд, г углекислого газа, что составляет только 0,03% от общей ее массы. В прошлом этот процент мог существенно изменяться. Достаточно было бы ему уменьшиться наполовину, по сравнению с настоящим временем (до 0,15%), чтобы средняя температура всей планеты понизилась почти на 4°, что достаточно для возникновения ледниковой эпохи. Подобные условия, в частности, могли иметь место в каменноугольный период, когда было изъято из обмена между атмосферой и гидросферой очень большое количество углекислоты.
За последнее столетие содержание углекислого газа в воздушной оболочке Земли возросло на 13%. За счет этого могла увеличиться средняя температура атмосферы. Существуют прогнозы, по которым только за счет сжигания органического топлива и сокращения лесных массивов к концу текущего столетия, в результате дальнейшего увеличения количества углекислоты, средняя температура воздушной оболочки может повыситься на 2°.
В этих работах, по-видимому, не учтена роль Мирового океана в круговороте газов. Благодаря колоссальной площади и большой растворяющей способности морской воды Мировой океан способен поглощать и выделять огромное количество газов, осуществляя подвижное равновесие между газовым составом атмосферы и гидросферы. В частности, Мировой океан должен поглотить около половины той углекислоты, которая добавится в воздушную оболочку земного шара. Примерно через тысячу лет углекислота, растворенная в морской воде, может прийти в равновесие с давлением углекислого газа в атмосфере. С круговоротом этого газа связаны и те сложнейшие биохимические процессы, благодаря которым происходит его превращение в углекислые соли. Они, как известно, составляют основу скелета большинства животных, из них сложены карбонатные отложения дна и горные породы, в пресных водах главную массу растворенных солей составляют карбонатные соединения.
Говоря о газообмене Мирового океана с атмосферой, следует иметь в виду, что в нем в два раза больше кислорода, чем в воздухе; объемное соотношение кислорода к азоту в океанических водах 1:2, а не 1:4, как в атмосфере. При этом повсеместно, от поверхности до самых больших глубин, содержание кислорода в водах Мирового океана настолько велико, что оно не только обеспечивает активное развитие окислительных процессов, но и наличие значительного его количества даже у самого дна. Исключением являются некоторые моря, имеющие очень ограниченный водообмен с океаном и большой материковый сток. В результате сильного опреснения поверхностного слоя создается резкая стратификация вод, сильно ограничивающая вертикальное перемешивание, благодаря чему в глубинах не только преобладают восстановительные процессы, но и появляется сероводород. Подобные условия отмечаются в Балтийском и Черном морях и совсем потерявшим связь с океаном Каспийским морем.
Если кислород на нашей планете образовался главным образом за счет фотосинтеза, то в этом случае немалую роль должен был сыграть Мировой океан.
Основные черты взаимодействия между циркуляцией атмосферы и вод Мирового океана. Все главнейшие особенности круговорота энергии и вещества осуществляются в процессе обращения водных и воздушных масс. Определяются они неравномерностью распределения солнечной энергии по земному шару и изменениями ее поступления во времени. В соответствии с расположением воды и суши вместо сплошных широтных зон высокого и низкого давления в атмосфере формируются квазистационарные циклоны и антициклоны. В то время, когда центры действия атмосферы в пределах материковых пространств, как правило, претерпевают сезонные изменения, переходя от антициклонов зимой к летним циклонам, над Мировым океаном один и тот же барический центры обыкновенно сохраняется в течение всего года. Благодаря этому зимой охлажденный воздух выносится с континента на океан, а летом — с океана на сушу, что способствует смягчению климата Земли.
Мы не будем здесь приводить карт давления воздуха и преобладающих ветров, как и поверхностных течений, достаточно хорошо известных по многочисленным атласам и даже школьным учебникам. При рассмотрении карты Мирового океана легко заметить, что океаны суживаются к северу, достигают наибольшей ширины в низких широтах, а в южном полушарии, между сороковыми градусами и Антарктидой, располагается сплошное водное пространство.
Как и в атмосфере, в гидросфере существуют два вида обращения вод: циклонический и антициклонический. В северном полушарии, как известно, в антициклонических круговоротах происходит перемещение водных и воздушных масс по часовой стрелке, а в циклонических — против; в южном полушарии направление движения меняется на обратное. Эти круговороты являются квазистационарными, г. е. постоянно существующими в одних и тех же областях земного шара. Оба вида циркуляции воздушных и водных масс теснейшим образом связаны между собой, так что одни и те же потоки являются периферийными частями смежных круговоротов, последовательно сменяющих друг друга с географической широтой. Поэтому одни и те же массы воды и воздуха последовательно переходят из одного круговорота в другой, осуществляя таким образом неразрывность движения. Интенсивность переноса вод находится в прямой зависимости от устойчивости воздушных потоков. Поскольку ветровой перенос увеличивается от полюсов к экватору, устойчивость и скорость основных течений, формирующих круговороты вод, повышаются в том же направлении. Увеличение интенсивности атмосферной циркуляции зимой и ослабление летом приводит к тому, что интенсивность обращения вод несколько повышаются в холодное время года и понижается в теплое. Однако вся система круговоротов вод и воздуха над океанами остается неизменной, лишь несколько смещаясь к югу в северном полушарии и к северу, когда холодный период наступает в южной половине земного шара. Исключением являются отдельные районы, главным образом связанные с муссонной сменой ветра; это прежде всего относится к северной части Индийского океана, Зондскому архипелагу, району, расположенному к западу от Австралии, и некоторым другим районам Мирового океана.
В соответствии с наличием в атмосфере в высоких широтах квазистационарных циклонов создается циклоническое обращение вод, а в низких широтах, где формируются антициклоны, наблюдается антициклоническая циркуляция вод. В северных частях океанов благодаря высокой активности барических минимумов циклонические круговороты вод выражены очень ярко и отличаются большой интенсивностью. В южных частях океанов в условиях сплошного водного пространства циклоническое обращение вод проявляется значительно слабее. Формируются они, как общий круговорот, между прибрежным Антарктическим течением, идущим на запад, и мощным потоком, который находится к северу и переносит поток воды на восток. Интенсивное циклоническое обращение вод создается лишь в отдельных местах, где этому благоприятствует конфигурация побережья Антарктиды. Эти явления имеют место в районе морей Уэдделла, Росса, Беллинсгаузена, в юго-западной и юго-восточной частях Индийского океана.
Антициклонические круговороты вод, располагающиеся в тропических и субтропических широтах Мирового океана, распространяются на обширную акваторию, примерно от экваториальной области до сороковых широт в обоих полушариях. В соответствии с большой устойчивостью и силой господствующих здесь ветров течения, составляющие антициклонические круговороты, обладают наибольшим постоянством и мощностью по отношению к другим потокам.
До последнего времени считалось, что антициклонические круговороты распространяются на всю ширину океанов. Однако оказалось, что в восточных частях океанов антициклонические круговороты вод сменяются циклоническими. Эти представления возникли в результате расчетов циркуляции вод, проведенных в Институте океанологии Академии наук СССР, по косвенным данным (температуре и солености воды).
Как же объяснить то, что под воздействием одного и того же барического поля — субтропического антициклона — одновременно формируются две различные системы циркуляции вод: антициклоническая и циклоническая? Здесь на помощь нам приходит теория советского океанолога В. Б. Штокмана, согласно которой при неравномерной поперечной скорости ветрового потока одного направления (в данном случае весьма устойчивого пассата) могут возникнуть течения взаимопротивоположных направлений. Действительно, анализ карт завихренности ветра показал, что в области расположения субтропических барических максимумов антициклонические круговороты вод должны создаваться только в западных частях океанов, тогда как в восточных — циклонические. Таким образом, получается, что в тропических областях океанов вдоль восточных их побережий происходит перенос вод от экватора к умеренным широтам. Ранее же существовало представление о том, что здесь в обратном направлении несут свои воды Канарское, Бенгуэльское, Калифорнийское и Перуанское течения. По новым картам циркуляции вод получается, что эти течения уходят от материков в открытый океан примерно у двадцатых градусов широты. По-видимому, какие-то их ветви могут сохраниться вдоль берегов. Надо полагать, что в этих районах существует сложная система течений, усугубляющаяся эффектом пассатного апвелинга (явление подъема глубинных вод, возникающее у тропических берегов восточных частей океанов в результате сгона поверхностных вод пассатами). Последующие экспедиционные исследования должны будут дать необходимые дополнительные сведения для уточнения тех условий, которые формируются в низких широтах восточных частей океанов.
В результате обращения «водных и воздушных масс в пределах циклонических и антициклонических круговоротов возникает целая система вертикальных перемещений. При циклонической циркуляции вод происходит их подъем в центральной части такого круговорота и опускание по периферии, а при антициклоническом — наоборот. В атмосфере благодаря обратному изменению плотности с удалением от поверхности земного шара (уменьшающейся в атмосфере и увеличивающейся в гидросфере) в центре циклонов наблюдаются восходящие движения, а в антициклонах — нисходящие. Таким образом, в круговорот энергии и веществ, возникающий у поверхности планеты, вовлекаются значительные массы воды и воздуха. В атмосфере вертикальные перемещения, вызванные приземными формами горизонтальной циркуляции, распространяются главным образом на тропосферу; в процессе ее взаимодействия со стратосферой создаются еще более сложные виды трансформации энергии и веществ. В Мировом океане, ограниченном дном и имеющим относительно небольшую вертикальную протяженность, перемещение вод в конечном счете распространяется на всю толщу. Благодаря этому происходит аккумуляция огромного количества энергии и веществ. Особенности их накопления и переноса в различных частях Мирового океана определяются структурой и вертикальной циркуляцией вод.
Структура вод Мирового океана. В противоположность атмосфере, о строении которой имеются более или менее подробные представления, структура вод Мирового океана изучена еще очень слабо.
Большое сходство атмосферы со структурой вод Мирового океана, однотипность развития процессов и в связи с этим условий, создающихся в верхней и нижней их частях, привели к мысли разделить и океанские воды на тропосферу и стратосферу. Действительно, для тропосферы Мирового океана, как и тропосферы воздушной оболочки, характерно интенсивное развитие процессов, связанных с влиянием всей совокупности, факторов, оказывающих воздействие на поверхность земного шара; толщина ее также определяется степенью развития конвективных процессов. Стратосфера Мирового океана представлена различными слоями воды, существенно отличающимися по своим свойствам и происходящим в них процессам. В противоположность тропосфере, где преобладает вертикальное перемешивание, в стратосфере океана главную роль играет перенос вод в горизонтальном направлении. Между тропосферой и стратосферой океана располагается также небольшой переходный слой — субтропосфера. Впервые эта аналогия была подмечена еще в 30-х годах нашего столетия.
В океанологии давно уже установилось представление о наличии в Мировом океане нескольких видов водных масс, наименование которым дается в соответствии с глубиной их расположения: поверхностные, промежуточные, глубинные и придонные. Каждый такой вид, в свою очередь, подразделяется на целый ряд водных масс, отличающихся по своим свойствам, условиям формирования, местонахождению и характеру перемещения от других вод, находящихся в пределах тех же глубин. Так, например, поверхностные водные массы, в соответствии с зональным изменением, природных условий, делятся на полярные, субполярные, умеренные, субтропические, тропические и экваториальные. В свою очередь, спи подразделяются на подтипы в связи с теми конкретными условиями, которые складываются в данном широтном поясе в том или ином океане, как, например, северотропические, тихоокеанские, южнотропические тихоокеанские, экваториальные атлантические, индийские и тихоокеанские и т. п. Аналогичное подразделение существует и в отношении промежуточных, глубинных и придонных водных масс.
Таким образом, под водными массами подразумеваются большие объемы воды, отличающиеся специфическими признаками, которые они приобретают в определенных районах и сохраняют при перемещении за пределы области своего формирования. Эти признаки сохраняются даже после значительной трансформации, происходящей в результате смешения с другими типами вод.
Поскольку каждому виду водных масс свойственны однотипные процессы, изменяющиеся в соответствии с глубиной их расположения, для понимания структуры вод Мирового океана основное значение имеет изменение свойств вод по вертикали. В горизонтальном направлении меняется не структура вод, а характеристика однотипных водных масс. Поэтому под структурой вод следует понимать закономерности изменения физико-химических свойств вод по вертикали, проявляющиеся в определенном сочетании различных водных масс по глубине. Слой воды, в пределах которого находятся однотипные водные массы, был назван структурной зоной. При этом к тропосфере океана относится только поверхностная структурная зона, а к стратосфере промежуточная, глубинная и придонная.
Теперь коротко остановимся на характеристике каждой структурной зоны.
Поверхностная структурная зона или тропосфера океана отличается наиболее интенсивным развитием процессов, обусловленным активным обменом веществ и энергией с атмосферой и тем, что она подвергается воздействию всех внешних сил (солнечной радиации, ветру и остальной массе внешних физико-географических факторов). Стратификация ее вод определяется главным образом взаимодействием процессов ветрового и конвективного перемешивания, а также циркуляцией вод, вызываемой всеми упомянутыми факторами. Ветровое перемешивание приводит к созданию относительно однородного поверхностного слоя, нижняя граница которого определяется глубиной распространения волнового перемешивания. Эта однородность постоянно нарушается процессами взаимодействия с атмосферой, обусловливающими нагревание или охлаждение, опреснение или осолонение поверхностных вод, что приводит к повышению или понижению их плотности. Вместе с тем эти процессы возбуждают конвекцию, термическую в холодное время года и соленосную — в теплое. Охлажденные или осолоненные воды в местах интенсивного развития конвекции, проникая в поверхностный слой, распространяются затем в горизонтальном направлении, вовлекаясь в сложную систему циркуляции вод поверхностной зоны Мирового океана; за счет этого в высоких широтах в теплое время года под прогретым поверхностным слоем сохраняется холодная прослойка, а в низких широтах — подповерхностные осолоненные воды. Они-то и определяют характеристику нижнего слоя поверхностной зоны. Таким образом, в пределах поверхностной структурной зоны выделяются поверхностный и нижний (или конвективный) слой, разделяющийся слоем скачка. Толщина поверхностного слоя в среднем по всему Мировому океану составляет 20—30 м, слоя скачка примерно в 2 раза больше, а конвективного — 150—200 м.
Средняя глубина расположения нижней границы поверхностной структурной зоны в Мировом океане отмечается на 200—250 м. При этом она оказывается приподнятой в высоких широтах и в экваториальной области в результате преобладания восходящих потоков и опущений в умеренных широтах за счет более интенсивной конвекции. Различие в ее положении в каждом из океанов невелико.
Переходная зона, или субтропосфера океана, по-видимому, в большей степени связана с интенсивными процессами вертикального перемешивания, характерными для тропосферы, нежели с менее активными процессами, свойственными стратосфере океана, в частности, ее промежуточной зоне. Отсюда могут возникнуть соображения о том, нужно ли вообще выделять переходную зону и не следует ли отнести ее к тропосфере океана. Последующие исследования должны будут внести необходимую ясность в этот вопрос. На данном же этапе выделение ее представляется необходимым, поскольку наличие такой переходной зоны между тропосферой и стратосферой океана, существенно разнящихся по характеру протекающих в них процессов, вполне естественно. Нижняя граница субтропосферы в среднем по всему Мировому океану располагается на глубинах от 300—350 до 500—550 м. Средняя толщина субтропосферы в Мировом океане от 200—250 м в высоких широтах увеличивается до 250—300 м в умеренных широтах и сокращается в низких широтах до 150 м.
Промежуточная зона резко отличается от выше и нижележащих вод по своей температуре (в высоких широтах) или солености (в умеренных и тропических областях). Находящиеся здесь промежуточные водные массы, формируясь в основном из поверхностных вод, широко распространены по всему Мировому океану. Нижняя граница промежуточной зоны располагается на глубинах от 1000 до 2000 м. При этом сна опускается вблизи Антарктиды до 1500—1700 м за счет преобладания нисходящих потоков, затем довольно резко поднимается в субантарктической области до 800—1100 м вследствие наличия здесь циклонического обращения вод, наоборот, сильно опускается в районах субтропических антициклонических круговоротов вод до 1800—2000 м и значительно поднимается между ними до глубины 1100—1200 м в экваториальной области. Толщина промежуточной структурной зоны в Мировом океане в среднем изменяется от 600—800 до 1200—1400 м. При этом в высоких широтах и в местах антициклонических круговоротов вод, где преобладает опускание водных масс, она толще, составляя 1200—1500 м; в экваториальной зоне она тоньше, уменьшаясь до 900—1000 м, а в областях циклонических круговоротов вод — даже до 600—800 м за счет преобладающего подъема вод. Таким образом, промежуточная зона в 4—6 раз толще поверхностной и переходной структурных зон.
Глубинная структурная зона отличается наибольшим развитием по вертикали по сравнению со всеми остальными структурными зонами. Нижнюю ее границу определить, пожалуй, легче, чем все остальные границы структурных зон. Причина заключается в том, что различны процессы, протекающие по обе стороны этой границы. Выше нее, в глубинной структурной зоне, преобладают процессы, связанные с общими закономерностями циркуляции вод, ниже, в придонной структурной зоне, свойства вод в основном формируются за счет локальных условий, к числу которых в первую очередь следует отнести: рельеф дна и в соответствии с ним особенности водообмена, взаимодействие между водной средой и океанским дном, а также адиабатические процессы. Поэтому положение нижней границы глубинной структурной зоны в значительно меньшей степени связано с теми факторами, которые обусловливали конфигурацию соответствующих границ вышележащих структурных зон.
Нижняя граница глубинной структурной зоны, в среднем по всему Мировому океану, прослеживается на глубине около 4000 м. Наиболее высоко она располагается у Антарктиды, поднимаясь до 2500—3500 м, что следует связать с придонными антарктическими водами; формируясь здесь и опускаясь затем вдоль материкового склона южного материка, они далеко распространяются затем в пределах придонной структурной зоны. С удалением от Антарктиды нижняя граница 1лубинной структурной зоны резко опускается в области субполярных котловин, окаймляющих этот материк. В остальной части Мирового океана в положении данной границы трудно усмотреть какие-либо общие хорошо выраженные закономерности. Толщина глубинной структурной зоны в условиях относительно мало изменяющейся нижней ее границы определяется закономерностями изменения верхней границы, четко увязывающимися с особенностями циркуляции вод. В соответствии с этим толщина глубинной зоны в экваториальной области оказывается очень большой — около 3000 м. Примерно такова же она и в районе субантарктических котловин. Наименьшая толщина глубинной структурной зоны отмечается в областях тропических антициклонических круговоротов вод, где она сокращается в среднем по Мировому океану до 1200—1700 м. Другим подобным районом является приантарктический, где верхняя граница рассматриваемой зоны опускается, а нижняя поднимается. В прочих частях Мирового океана толщина глубинной структурной зоны составляет 2000—2500 м. Таким образом, она характеризуется наибольшей толщиной, примерно в 2 раза большей, чем толщина промежуточной структурной зоны.
Придонная структурная зона отличается большими изменениями толщины, связанными с изменениями глубины дна. Поэтому целесообразно определять ее по отношению к какой-либо условной глубине. Наиболее удобной отсчетной поверхностью является поверхность в 5 тыс. м. Таким образом, условная толщина придонной зоны будет определяться между верхней ее границей и глубиной 5000 м. В этих границах толщина ее большей частью составляет 1000—1500 м. Наибольшую толщину придонная структурная зона имеет в Тихом океане за счет несколько более высокого положения верхней ее границы и особенно значительных глубин дна. Наименьшей толщиной она отличается в Атлантическом океане, где преобладают небольшие глубины дна и более глубоко располагается верхняя ее граница.
В заключение необходимо указать на то, что структура вод Мирового океана отличается исключительно большой стабильностью. Сопоставление данных, собранных за все время существования океанологии, показало неизменность условий во всей толще океанов. Это можно объяснить квазистационарностью вертикальной циркуляции вод и тем, что каждая структурная зона обладает самостоятельной системой обращения вод. Вся изменчивость природных условий, отмечающаяся от сезона к сезону и от года к году, возникающая в процессе взаимодействия атмосферы и гидросферы, в основном ограничивается тропосферой обеих оболочек. В стратосфере Мирового океана (при огромных ее размерах, колоссальном количестве энергии и веществ, стабильности структуры и циркуляции вод) все эти изменения полностью нивелируются. Тем самым поддерживается общая однотипность природных условий, свойственных каждому отдельному планетарному циклу развития нашей планеты. С переходом к другому планетарному циклу изменится характер взаимодействия между атмосферой и гидросферой, в соответствие с чем изменится циркуляция водных и воздушных масс, структура вод, а следовательно, и общий круговорот энергии и веществ. В этом свете особый интерес представляет рассмотрение вертикальной циркуляции вод.
Основные представления о вертикальной циркуляции и переносе вод в меридиональной плоскости океанов. Рассматривая вертикальную циркуляцию вод в меридиональной протяженности океанов, мы можем выявить основные закономерности, свойственные переносу вод в каждом океане и сопоставить их между собой. Вместе с тем меридиональное обращение вод играет очень большую роль в круговороте энергии и веществ. В пределах поверхностной и промежуточной структурных зон меридиональные переносы вод происходят не только по периферии циклонических и антициклонических круговоротов вод; подъем вод в центральных частях циклонических систем и опускание их в антициклонических приводит к возникновению между ними меридионального водообмена. В глубинной и придонной структурных зонах меридиональные переносы вод, по-видимому, вообще являются преобладающими.
Представления о вертикальной циркуляции вод в меридиональной плоскости океанов составлены на основе расчетов, проведенных по косвенным данным (температуре и солености вод). Построенные по ним схемы были затем обобщены для того, чтобы составить представление об основных переносах вод. Толщина стрелок отражает в принятых градациях преобладающие скорости переноса вод в горизонтальном направлении, а головки этих стрелок — величины перемещения по вертикали.
Не вдаваясь в подробный анализ схемы основных переносов вод, который имеет специальный интерес, кратко остановимся лишь на общих закономерностях. Самой главной из них, как уже упоминалось, следует считать наличие самостоятельных систем обращения вод в каждой структурной зоне. В то же время между структурными зонами происходит активный водообмен, который также отличается большим постоянством, благодаря чему количество вод, переходящих из одной структурной зоны в другую, остается неизменным. Кроме того, необходимо отметить однотипность переносов вод в меридиональных плоскостях океанов и хорошую связь между вертикальной и горизонтальной циркуляцией вод. В низких широтах в соответствии с наличием горизонтальных квазистационарных антициклонических круговоротов вод в центральных их частях (примерно между 10 и 30° северного и южного полушарий) преобладает опускание вод, в высоких широтах — подъем, обусловленный существованием горизонтальных циклонических круговоротов. При этом восходящие движения захватывают значительно большую толщу вод, нередко от самого дна до поверхности океана, тогда как нисходящие перемещения распространяются на сравнительно небольшую глубину (не более 1500—2000 м). Это и понятно, так как значительно труднее нагнетать менее плотные воды из верхних слоев океана в глубину с высоким давлением и все возрастающей плотностью, чем подымать их в слои с меньшей плотностью и давлением.
В пределах поверхностной и промежуточной зон отмечается некоторое преобладание меридиональных переносов вод в направлении от высоких широт к экватору. В глубинной и придонной зонах меридиональный перенос вод нередко прослеживается почти по всей протяженности океанов. По антарктической области, вполне естественно, получены совершенно идентичные схемы вертикальной циркуляции вод.
Величины вертикальных составляющих скорости течений в среднем по всему Мировому океану от наибольших значений порядка нескольких единиц на 10-3 см/сек в поверхностной структурной зоне уменьшаются до нескольких единиц на 10-4 см/сек в глубинной и придонной зонах без существенных их изменений в широтном направлении. Более заметны изменения горизонтальных составляющих течений, как и более значительны различия абсолютных величин скоростей между отдельными структурными зонами. Максимальными они оказываются в приэкваториальной области поверхностной зоны, доходя в среднем по всему Мировому океану до 35 м/сек. С ростом широты скорость меридионального переноса вод постепенно уменьшается до 1—2 см/сек у 40—50°, а затем снова увеличивается до 10—20 см/сек в субполярных районах. В промежуточной зоне скорости меридионального переноса вод уже значительно меньше; они меняются от нескольких десятых до 5—8 см/сек. В глубинной и придонной зонах преобладают величины от 0,2 до 0,8 см/сек, причем в первой из них в целом они несколько больше.
Наши представления о вертикальной циркуляции вод и связанном с ней круговороте энергии и веществ еще очень ограничены. Глубокое их исследование позволит не только познать законы, определяющие формирование и изменение природы на нашей планете, но и найти пути управления ими.
Океан и проблема преобразования климата. В процессе обращения воздушных масс под океаном формируются основные их свойства, оказывающие большое влияние на климат. В качестве примера можно указать на то, что мягкий климат Европы связан с выносом огромной массы тепла и влаги с Атлантики преобладающими западными ветрами; по существующим расчетам через каждый сантиметр западного побережья этого материка в течение года с океана приносится 4 тыс. млрд, калорий тепла. В обогреве северной Атлантики большую роль играет мощное теплое течение Гольфстрим, выносящее к берегам Европы хорошо прогретые тропические воды. Благодаря полярной его ветви, огибающей Скандинавию, Мурманский порт оказывается доступным судам в продолжение всего года, тогда как Ждановский порт на Азовском море, расположенный на 2500 км южнее, примерно на два месяца замерзает.
Северная Америка лишена подобного благотворного влияния океана из-за того, что она отгорожена высокими Кордильерами. Теплый и влажный воздух, приносимый западными ветрами, скапливаясь у горной гряды; подымается кверху, отдавая тепло верхним слоям атмосферы, а водяные пары, конденсируясь, изливаются дождем, скатываясь затем по склонам обратно в океан. Это одна из основных причин, обусловливающих опреснение поверхностных вод Тихого океана, накладывающего большой отпечаток на стратификацию и вертикальную циркуляцию его вод.
Еще одним подобным примером тесного взаимодействия между гидросферой и атмосферой может служить область ярко выраженных муссонов, в сферу действия которых попадает юго-восточная часть Азии, север Индийского океана и Зондский архипелаг. Благодаря сезонной смене направления муссонов полностью изменяется характер циркуляции вод в северной части Индийского океана. В Южное полушарие смещается экваториальная зона со свойственными ей специфическими, климатическими и гидрологическими условиями, происходит резкое опреснение поверхностных вод Бенгальского залива и прилегающих акваторий со всеми вытекающими последствиями в отношении структуры и вертикальной циркуляции вод. Только во время зимнего муссона, дующего с материка, направление которого совпадает с пассатами, характерными для этих широт во всех других частях Мирового океана, на севере Индийского океана формируется обычная система обращения вод. Летний муссон, имеющий обратное направление, приводит к полному изменению переноса вод. Приносимый с океана теплый, богатый водяными парами воздух создает на суше очень душный и влажный климат. При встрече с Гималаями воздушные массы начинают подниматься, и огромное количество воды, стекая по склонам, выносится реками обратно в океан.
Наоборот, резко континентальный климат Азии и Северной Америки обусловлен очень слабым влиянием океана. Отсюда и возникли идеи искусственного изменения климата путем усиления воздействия проходящих поблизости мощных течений: Гольфстрима и Куросио. В США еще в конце прошлого века появился проект смягчения климата с помощью перегораживания Флоридского пролива и сооружения канала поперек полуостроства Флорида (в месте соединения его с материком) для того, чтобы Гольфстрим проходил вдоль Северной Америки на значительно большем протяжении, чем теперь. Тем самым предполагалось создать в восточной части США субтропический климат. Однако от осуществления этого проекта пришлось отказаться, так как было доказано, что в условиях преобладания западных ветров трудно ожидать от него большого эффекта. Впоследствии для тех же целей было предложено отвести в океан с помощью плотины антипод Гольфстрима — холодное Лабрадорское течение. Этот проект продолжает обсуждаться и сейчас, причем мнения специалистов разделились: одни считают, что он может сыграть большую роль в улучшении климата, тогда как другие пытаются доказать обратное.
Аналогичный проект существует и в отношении воздействия на Куросио, с тем, чтобы смягчить климат нашего Дальнего Востока, Сахалина и Камчатки. Советский инженер Н. Г. Романов путем сооружения плотины в проливе Невельского (отделяющего Сахалин от материка) рассчитывает увеличить приток теплых вод в Охотское море. С помощью ворот, открывающихся только на север, он предполагает накачивать воды из Японского моря, гонимые приливной водной. Благодаря этому, по расчетам автора проекта, средняя годовая температура води на поверхности Охотского моря повысится на 10° и теплоотдача в атмосферу окажется настолько большой, что климат прилежащих сухопутных пространств станет значительно мягче.
Другой советский инженер П. М. Борисов успешно работает над проектом изменении климата Арктики путем уничтожения льдов Северного Ледовитого океана, для того чтобы резко увеличить теплоотдачу в атмосферу. Для этого предусматривается перегораживание плотиной Берингова пролива с мощными насосами для откачивания в Тихий океан холодных арктических вод. Таким образом П. М. Борисов рассчитывает значительно увеличить компенсационный приток теплых вод из Атлантического океана, которые и должны привести к растоплению льдов и основательному повышению температуры воды.
Несмотря на всю привлекательность идеи преобразования природы суровой Арктики, с ее осуществлением далеко не все ясно. И это прежде всего относится к возможности уничтожения льдов. Дело в том, что в годы повышенной циклоничности Арктики уменьшается вынос тепла и влаги с Атлантики в Европу и наоборот. С уничтожением льдов сильно увеличится теплоотдача в атмосферу с поверхности океана. Это приведет к резкому увеличению циклоничности в высоких широтах и сильному ее ослаблению в умеренной зоне. Последнее вызовет значительное уменьшение осадков: усилится континентальность климата на большей части Советского Союза за счет снижения температур воздуха. Таким образом, изменения климатических и природных условий в умеренных широтах могут пагубно сказаться на хозяйственной деятельности человека. Следует опасаться и передвижения зоны пустынь к северу. На этом примере видно, как осторожно надо подходить к разработке и оценке всевозможных проектов, в условиях той сложной системы взаимодействия, которая имеет место между океаном и атмосферой. Нарушение одной из цепей общего круговорота энергии и веществ может повлечь за собой такие последствия, которые далеко не всегда окажутся желательными.
В наш космический век начали появляться очень смелые идеи и проекты, которые должны позволить человеку коренным образом переделать природу всей планеты на основе использования огромных дополнительных масс солнечной энергии. Один такой проект предложил молодой советский инженер В. Черенков, другой — известный американский физик Дайсон. Не останавливаясь подробно на их рассмотрении, заметим лишь, что проекты коренного переустройства природы Земли, основанные на дополнительном поступлении солнечной энергии, имеют большие преимущества перед локальными проектами изменения климата отдельных частей Земли. Последние, как мы это видели на примере преобразования природы Арктики, улучшая условия в одной части планеты, могут привести к ухудшению их в другом месте. Общее же увеличение притока солнечной энергии на всей планете, не нарушая отдельных звеньев круговорота энергии и веществ, обусловит переход искусственным путем к новому циклу развития природных процессов. Со временем человек найдет пути не только изменения общего круговорота энергии и веществ на Земле, но, по-видимому, научится и регулировать его, с тем чтобы создать такие природные условия, которые для него будут наиболее благожелательны.
Автор: В. Н. Степанов, доктор географических наук, профессор