Тепло океана

Л. Галеркин

Художник В. Логинов

 В тот год осенняя погода 
 Стояла долго на дворе. 
 Зимы ждала, ждала природа. 
 Снег выпал только в январе, 
 На третье в ночь... 

Пушкин «Евгений Онегин»

Почему же так называемый сезон предзимья задержался 150 лет назад, как это засвидетельствовал Пушкин, на полтора-два месяца против обычных сроков? Почему в первой декаде января 1971 г. вопреки всем климатологическим нормам на северо-западе нашей страны снег растаял и температура воздуха поднялась до +5°? Если спросить об этом у метеорологов и синоптиков, тс они с увлечением начнут рассказывать о циклонах и антициклонах, об ультраполярных вторжениях холода со стороны Карского моря или о поступлении теплого тропического воздуха через Средиземное море. Помните, как в фельетоне Ильфа и Петрова: идет циклон, а в хвосте у него - антициклон, в хвосте у того - опять же циклон, и т. д. Но почему циклон пришел, а антициклон его выжил, и отчего же в конечном счете родились они оба? Вот на эти вопросы вряд ли смогут исчерпывающе ответить метеорологи и физики атмосферы.

Вообще-то основная причина таких смен погоды известна. Это контрасты температуры, возникающие от неравномерного прогрева земной поверхности. Они и являются первопричиной всех движений воды и воздуха на нашей планете. Ведь вода и суша, лес и пустыня, лед и степь - то, что ученые называют подстилающей поверхностью, нагреваются солнцем совсем по-разному. А вот атмосфера Земли прогревается всегда снизу. Воздух почти беспрепятственно пропускает солнечные лучи и нагревается тем длинноволновым излучением, которое посылает прогретая подстилающая поверхность (см. схематический рисунок на стр. 26). Нижние, теплые слои его поднимаются вверх, на смену им приходят холодные: возникает конвекция - явление, широко распространенное и хорошо известное, - один из главных механизмов передачи тепла в атмосфере снизу вверх.

Еще 30 лет назад планетарные контрасты температуры навели академика В. В. Шулейкина на мысль о «тепловых машинах» в подвижной оболочке Земли. Он разработал теорию термобарических волн в атмосфере и дал геофизикам исключительно плодотворную идею. Исходя из принципа работы тепловых машин (нагреватель плюс холодильник), он объяснил основной поток воздуха в тропическом поясе Земли - пассаты и сезонные перемещения воздушных масс с океана на материк и обратно - муссоны. Известно, что зимой масса холодного воздуха над Азиатским материком увеличивается на 150 тыс. т над каждым квадратным километром. Тяжелый холодный воздух стремится понизу растечься в разные стороны, ветер дует с материка на океан, над которым воздух теплее и давление ниже. Летом морская поверхность холоднее, чем суша. Центр высокого давления перемещается на океан. Ветер начинает дуть с океана на материк. Так образуется сезонный ветер - муссон.

Академик В. В. Шулейкин рассчитал, в частности, то количество тепла, которое зимой отдает Норвежское море в воздух от 60 до 75 ° северной широты между Норвегией и Исландией. Оно оказалось равным 2,5 • 10¹⁸ больших калорий в сутки. Меньшая часть его излучается в космос, а остаток, переведенный в энергетические меры, составляет 80 млн. мегаватт. На евроазиатский материк циклоны приносят около 70% из этого гигантского очага тепловой энергии.

Откуда же в этих высоких холодных широтах в океане столько тепла? Проследим, где накапливается это тепло, откуда оно приходит и что происходит в океанских течениях.

В обширном поясе к северу и к югу от экватора шириной около 3 тыс. км огромная масса воды движется с востока на запад. За несколько месяцев пути вода в поверхностном слое толщиной 20-30 м нагревается до 26-28°. В слое до 100-120 м температура воды остается выше 20°. По нашим расчетам, средний широтный перенос тепла в поясе от 5 до 25 ° южной широты и в слое от поверхности до глубины 1000 м в Атлантическом и Тихом океанах составляет 5,4 • 10 15 больших калорий в сутки.

Океан отдает тепло атмосфере двумя путями: турбулентным теплообменом, т. е. непосредственным нагревом, и путем испарения. Вспомним, что на испарение 1 г воды при температуре 20° затрачивается 586 калорий. Всего же океан испаряет со своей поверхности 334 • 10¹² т воды в год, отдавая при этом в воздух около 2 • 10²⁰ больших калорий тепла. Причем все это количество выделяется в атмосферу и нагревает воздух при конденсации водяных паров - при образовании облаков и туманов. По А. С. Монину, общая мощность затрат тепла на испарение по всей планете составляет 30 млрд. мегаватт, т. е. около 30% того количества тепла, которое Земля получает от Солнца

Соотношение теплоемкостей воды и воздуха таково, что если стометровый слой воды охлаждается на одну десятую градуса, то вся атмосфера над ним нагревается в среднем на 6°. Причем надо учесть, что на всем своем пути вода нагревает над собой воздух. Она была бы, наверно, еще теплее, если бы сохраняла тепло в себе. Но океан щедр и в то же время не расточителен. Огромное количество тепла доносят воды океана до своих западных границ. Но вот течение дошло до материка. Теплая вода накапливается у берега, но куда-то деваться ей надо. Под влиянием береговой черты и ветра над морем большая часть воды поворачивает на север. Образуются такие широко известные тепловые потоки в океане, как Гольфстрим и Куросио. На протяжении примерно полутора тыс. км они идут вдоль берега, а потом поворачивают на восток в открытый океан.

В северных широтах солнце не такое жаркое, так на экваторе. И воздух там значительно холоднее. Но, чем холоднее воздух и сильнее ветер, тем интенсивнее он забирает тепло у воды, тем скорее стремится нагреваться сам. И хотя вода в этих теплых потоках остывает, перемешивается, она все же остается значительно теплее, чем окружающие воды местного происхождения. Теплее, чем окружающие? Но это же и есть контрасты температуры вследствие неравномерного прогрева водной поверхности. Не здесь ли зарождаются циклоны? Да, именно здесь, в районе Гренландии и Исландии, в том месте, где с севера приходят холодные воды Арктики и соприкасаются с теплыми водами Гольфстрима. Оказалось, что линия наибольшей теплоотдачи вытянулась вдоль оси теплого Североатлантического и Норвежского течений.

Именно здесь вблизи этого гигантского нагревателя мощность которого рассчитал В.В.Шулейкин и находится один из глобальных климатических действия атмосферы - Исландский минимум. Давление воздуха здесь ниже относительно того, как именно зарождаются циклоны, существует несколько гипотез. По одной из них, циклоны образуются из волн, которые возникают, как изгиб, на поверхности раздела теплого и холодного воздуха. А как образовалась сама волна? Одно дело констатировать основную причину - контрасты температуры, а другое, и более трудное, - выяснить механизм возникновения.

Огромной засасывающей воронкой выглядит циклон с космической высоты

В связи с этим заметили любопытные вещи. Во-первых, линия раздела теплого и холодного воздуха у поверхности Земли проходит вблизи северной границы наиболее теплых потоков в море. И во-вторых, морские течения не идут по ровной линии. Они изгибаются и образуют на своем пути петли. Иногда такие петли отрываются от основной струи и образуют вихрь с вертикальной осью. Эти вихри движутся в стороне от основного потока и некоторое время живут самостоятельно. Не будем сейчас вдаваться в причины, почему это происходит. Важно другое: если вихрь оторвался от теплого течения, то он несет запас своего тепла в окружающие его холодные воды. До тех пор, пока вихрь сам не растворится в окружающей воде и не перестанет существовать, он продолжает нагревать над собой воздух. Холодный вихрь в теплой воде охлаждает над собой воздух. Поверхность раздела между теплым и холодным воздухом искривляется - на ней появляются волны, которые могут развиться в циклоны.

В океане возникает, как пишет В. В. Шулейкин, тепловая машина пятого рода, для которой нагревателем служат особо сильно нагретые участки поверхности океана, а холодильником является все пространство, окружающее систему машин. Именно нагреватель - океан - питает энергией тропические циклоны, которые превращаются в ураганы со скоростью ветра до 60-80 м/сек. При среднем «уравновешенном» урагане мощность, доставляемая ему от океана, составляет 200 млн. мегаватт, а радиус питающего очага тепла - около 225 км Если температура воды под таким ураганом увеличится на 3 , то его разрушительная мощность возрастет в полтора раза Если же ураган попадает на более холодную воду, то он заметно утихает.

Пример с тепловым питанием циклона из океана особенно убедительно показывает, насколько важна и актуальна сегодня] назревшая проб тема геофизики -количественный учет переноса тепла водой океана.

Но тепло океанских вод и его перемещения определяют не только циклоническую деятельность в атмосфере Океан воздействует на климат в более широком, планетарном масштабе: он переносит тепло из нагретых районов тропиков в холодные полярные и арктические области По В Н Степанову, в Северном Ледовитом океане вода отдает воздуху всего 3-5 больших калорий в год с каждого квадратного сантиметра Но благодаря постоянно существующим здесь полыньям и разводьям общее количество тепла, поступающего из моря, приводит к тому, что температура воздуха в Арктике в 2-3 раза выше, чем в Антарктике, хотя солнечного тепла эти области получают одинаково.

По расчетам В Г Корта, Антарктическое океаническое кольцо отдает в атмосферу свыше 33 10 больших калорий в год. На таяние льда в южном океане летом тратится 14 10" кал.| Все это количество тепла приносится течениями из умеренных широт океанов Взамен ему южный океан с течениями и ветрами шлет на север холод.

По данным В Н Степанова, в умеренных и полярных широтах северного полушария океан отдает в атмосферу примерно 50-75 кал тепла в год с 1 см2 Предварительные расчеты показали, что в столбе океанской воды от поверхности до дна в среднем Содержится в 500-1000 раз больше тета, чем то, что отдается в атмосферу через поверхность Количество тепла в океане не остается постоянным Оно меняется от месяца к месяцу и от года к году

За счет незначительного изменения своего запаса теплаокеати легко сглаживает годовые колебания теплового состояния атмосферы Не случайно величина разности зимней и летней температуры воздуха является показателем континентальности климата Зона наибольшей континентальное тежит в районе Якутии, куда почти не доходят тепловые потоки воздуха с океанов Океан способен аккумулировать еще больше тепловой энергии, чтобы отдать ее через десятки или сотни лет Тепло, накопленное в океане, смягчает переход от одной климатической эпохи к другой, делает этот переход постепенным Именно океан сделал нашу среду обитания пригодной для жизни в определенных температурных пределах

А сколько всего тепла переносит океан? Как оно распределяется по планете? Где и сколько eго отдается воздуху? Вот основные вопросы, которыми сейчас начинают заниматься вплотную многие геофизики.

Таким образом, можно сформулировать основную проблему, разработка которой начинает развиваться сейчас все сильнее обмен энергией и веществом в системах океан - атмосфера и океан - материк, планетарная цикличность и изменчивость этого обмена.

Надо полагать, что в ближайшее время изучение океана пойдет такими же быстрыми темпами, как и изучение космоса. Ведь околоземной космос может стать лишь подсобным пространством дтя тюдей Земли В нем можно разместить постоянные спутники связи и слежения за погодой, научные обсерватории для астрономических и геофизических наблюдений и т д А океан уже сейчас стал местом многомесячной жизни и работы для рыбаков, моряков и научных экспедиций.

Человек способен вмешаться в распределения тепла и холода на Земле

Проекты поворота теплых течений, растопления арктических льдов и «превращения тундры в цветущий сад» технически осуществимы Но они не могут быть реализованы до тех пор, пока с бухгалтерской достоверностью не будет подсчитан весь бюджет тепла, все его приходные и расходные статьи в целом для планеты и для каждого ее района в отдельности Ведь если повернуть теплое течение с обычного пути, то это значит отнять тепло у какого-то другого района, нарушить равновесие Пока мы не знаем, к чему это приведет, делать этого не следует Природа жестоко мстит за небрежное к ней отношение. Вообще очень важно научиться точнее прогнозировать процессы теплового обмена, чтобы рационально использовать энергию солнечного тепла, накопленную океаном.

Океан