Океан и атмосфера

Кан Слава Иосфовна

Тропические ураганы, проносясь над поверхностью океана, часто попадают в пределы суши, а иногда вновь выходят на океан и уже там затухают. Так, в августе 1909 г. сверхмощный ураган Камилла вступил на материк Северной Америки близ Нового Орлеана. Он двигался над сушей 67 часов, принося страшные разрушения, затем снова вышел в океан, восстановил энергию, которую потратил над сушей, и двигался с постепенным затуханием, не находя в температурах поверхности воды новой поддержки.

В тех случаях, когда ураган проходит над метеорологической станцией, удается наиболее надежно зарегистрировать поле тропического урагана. Но он сметает с лица земли и станцию! В литературе описан лишь один случай, когда станция уцелела. Это было над Манилой. Ураган средней

силы прошел непосредственно над обсерваторией, которая обычно сообщает мореплавателям прогнозы траекторий тайфунов. Максимальная скорость ветра составила 56 м/с, давление 45 мб. В центре «глаза» скорость ветра упала до 0, поле тайфуна было асимметрично относительно его оси. По обе стороны «глаза» возникли вихри с горизонтальными осями, совпадающими с путем движения урагана. В море начался подъем вод в океане приблизительно с глубины 100 м, а глубже — их опускание. В середине образовалось пятно воды с наибольшим похолоданием — до 3 °C (на 3° ниже нормы). Приближение урагана могут «предсказать» волны зыби, затем развивается новая система — ветровых волн. Так, создается сложнейшая, благодаря интерференции, толчея волн, делающая задачу анализа и предсказаний для всего поля волн вокруг движущегося урагана пока неразрешимой. Самые мощные волны зыби уходят в северном полушарии влево от пути движения центра урагана и вправо — в южном.

Дольше всего живут волны зыби, вызванные не ураганами, а сильными, продолжительными штормами. Ветровые волны высотой 11 м могут быть возбуждены штормами со скоростями ветра примерно 25 м/с в течение суток, длина волн может превысить 200 м. О том, как далеко распространяются волны зыби, можно судить по такому примеру. Экспедиционное судно «Седов» осенью 1967 г. около 30° с. ш. встретило зыбь высотой 8 м и длиной 200 м. Она пришла с 55° с. ш.

Исследования показали, что при урагане средней мощности, с наибольшей скоростью ветра 70 м/с и скорости поступательного движения 6 м/с, высота волн стремительно нарастает до 11,8 м, а длина — до 130 м.

Масштабы взаимодействия

Ранее упоминалось о различных масштабах взаимодействия океана и атмосферы. Сюда входят процессы как глобального порядка — продолжительностью в десятилетия, так и протекающие секунды. Уже один этот факт предопределяет подход (его масштабность) к исследованиям. Но и сами процессы взаимодействия связаны друг с другом. Так, мелкомасштабные процессы обмена энергией и веществом в системе «океан — атмосфера» в свою очередь влияют на среднемасштабные и крупномасштабные.

Начинать изучение, по-видимому, нужно с мелкомасштабных, а также среднемасштабных процессов. Немалая роль здесь принадлежит созданию специальной аппаратуры, дающей возможность уловить в природе изменчивость мелкого масштаба. Мелкомасштабные процессы взаимодействия океана и атмосферы лежат в пределах пограничных слоев, распространяющихся на высоту и глубину в интервале 10–20 м, в горизонтальной плоскости до 10—100 м² и во времени на несколько минут. В этих рамках осуществляется обмен энергией и веществом через пограничные поверхности. Сюда входят поверхностные и внутренние волны в океане, их взаимодействие со слоем воздуха над океаном, локальный теплообмен с атмосферой, турбулентное перемешивание ветрового происхождения и другие процессы.

В последние десятилетия сформулировано основное положение о том, что главными физическими характеристиками мелкомасштабного взаимодействия являются величина и направление горизонтального вектора напряжения турбулентного трения и турбулентные потоки тепла и влаги в приводном слое атмосферы.

Теоретические исследования взаимодействия основываются на теории подобия А. С. Монина и А. М. Обухова [1954]. В последующих работах ряду специалистов удалось получить данные, позволяющие рассчитать основные энергетические характеристики, необходимые для перехода к процессам более крупного масштаба.

В конце 60-х годов в ходе экспедиции на научно-исследовательских

судах «Академик Вавилов», «Михаил Ломоносов» и др. непосредственно измерялось воздействие ветра на волны с целью определить закономерности микромасштабного обмена энергией.

К среднемасштабным (их еще называют мезомасштабными) относят процессы взаимодействия с пространственными масштабами от десятков метров до нескольких километров и временными — от часов до суток. Сюда относятся волновые процессы в пограничных слоях приливного и инерционного происхождения и суточные колебания температуры (бризовая циркуляция над морскими побережьями).

Теоретическое и лабораторное изучение процессов среднемасштабного взаимодействия очень сложно.

В океане среднемасштабная изменчивость отражается на формировании непериодических вихрей, подобных атмосферным циклонам и антициклонам. Полагают, что эти движения возникают благодаря тепловому воздействию и переменным ветрам. Движения синоптического масштаба — по-видимому, наиболее энергоносящая составляющая океанических движений. В средних широтах Земли 80 % кинетической энергии приходится на среднемасштабные процессы. Тайфуны (ураганы) при диаметре зоны распространения 700 км выделяют в 1 секунду энергию, равную энергии всех электростанций Финляндии, вырабатываемой в течение 41 года.

Влияние синоптических процессов носит глобальный характер. В атмосфере, как указывалось, главным элементом среднемасштабных процессов служат циркуляционные системы — циклоны и антициклоны. Колебания уровня в океане могут быть вызваны метеорологическими факторами. Вблизи берегов, в мелководной зоне наиболее значительные колебания уровня связаны со штормовыми нагонами. По мере увеличения глубины моря и крутизны склона повышается роль колебаний уровня, обусловленных изменением атмосферного давления. Рассматривая среднемасштабные связи атмосферной циркуляции с течениями в районе Северной Атлантики, к югу от острова Гренландия и на банке Роккол, С. С. Лаппо обнаружил синхронность колебаний скоростей и малые изменения температуры вплоть до горизонтов 1600 м. Амплитуды скоростей течений доходили до 25–30 см/с. Анализируя материалы по другим районам, в частности на материковом склоне Курильской гряды, автор указывает на широкую распространенность колебаний течений с периодами от 1 до 10 суток. Среднемасштабные барические системы подвижны (средняя скорость перемещения циклона 10 м/с), что порождает ряд характерных особенностей в возбуждаемых ими движениях. Существенно важна и криволинейность траекторий барических депрессий.

Во время исследования по программе эксперимента АТЭП в июне — сентябре 1974 г. в тропической зоне Атлантики были получены интересные результаты. Установлено, что в зависимости от среднемасштабной структуры поля динамическое и тепловое взаимодействие океана и атмосферы в пассатной зоне южнее экватора происходит с периодами около 3–4, 12 часов.

К крупномасштабному (или глобальному) взаимодействию океана и атмосферы относят явления, происходящие на пространстве в тысячи километров (это соизмеримо с размерами полушария и всей планеты) в течение сезона, года, ряда лет. Сюда относятся процессы всей системы «океан — атмосфера», связанные с расчетами теплового баланса, влагооборота и др. Что касается атмосферы, то это — прежде всего, эпохальный ход климатических явлений (и резкие отклонения от него), внутривековые и межгодовые изменения климата, длительные аномалии погоды.

К крупномасштабным явлениям в океане относятся длиннопериодные колебания температуры поверхностного слоя, главный термоклин, максимум солености (в средних широтах) и минимум солености (в субантарктических водах), глобальные перемещения главных океанических течений.

Крупномасштабные процессы взаимодействия непосредственно связаны с проблемой долгосрочных явлений в атмосфере и океане, в том числе и с их предсказанием. Представляет большой интерес изучение связей между температурными аномалиями поверхности океана и отклонением от нормы значений атмосферного давления.