Океан и атмосфера

Нередки случаи, когда спутник делает настоящее метеорологическое открытие. Утром 24 апреля 1967 г. американский спутник «ЭССА-2» заснял над всей акваторией Каспийского моря облачность светло-серого тона с однородной верхней поверхностью. Облака почти полностью повторяли береговую черту, за исключением лишь залива Кара-Богаз-Гол. Казалось, над морской поверхностью возник туман. Подтверждало такое предположение то, что в восточной части моря у сравнительно низкого острова Челекен были разрывы в облачном покрове с подветренной стороны. Следовательно, облачность была небольшой высоты — низкие слоистые облака или туман. Некоторые прибрежные станции на западном берегу моря отметили в это утро дымку. Как показал анализ, туман образовался при малооблачной погоде в воздухе, более теплом (16–20°), чем поверхность моря (8—14°). И лишь в Кара-Богаз-Голе воздух был на 3–4° теплее воды — вот почему здесь не было тумана. Вертикальная мощность тумана в южной и средней частях моря составляла 200–400 м, а в северной — до 600 м. Специалисты считают, что по обычной синоптической карте, полученной по приземным наблюдениям, нельзя было бы определить существование тумана над акваторией моря. Считалось, что над всем Кавказом, морем и северо-западом Ирана лежит общий покров слоистых облаков, — и лишь спутник показал истинную картину.

Таким образом, буквально на наших глазах возникает новая отрасль науки — спутниковая метеорология, у которой большое будущее.

Взаимодействие океана и атмосферы

Проблема изучения

Океан и атмосфера постоянно взаимодействуют друг с другом, обмениваются энергией, веществом, теплом. В предыдущих разделах мы уже рассказывали о колебаниях уровня, ветровых волнах, течениях. Выявление взаимосвязей и их изменений в системе «океан — атмосфера» представляет в настоящее время одно из основных и важнейших учений океанологии и метеорологии. Эта задача, однако, не является новой и имеет свою историю.

Первые океанологи и метеорологи ощущали неразрывную связь обеих сфер и изучали их совместно. По мере интенсивного развития количественных методов исследования описательный стал оттесняться. Океан и атмосферу начали изучать в основном раздельно. Вероятно, это была необходимая ступень, ведущая к накоплению сведений, получению более глубоких знаний о каждой из сфер в отдельности, которая логически привела к пониманию необходимости их совместного изучения. Этому способствовало также развитие физики и численных методов решения дифференциальных уравнений. Одновременно существенно повысились требования к предвычислению (прогнозу) процессов в океане и атмосфере. Как пишет Л. М. Гусев, «теперь уже всем ясно, что нет отдельных физики океана и физики атмосферы, а есть физика взаимодействующих сред» [1970].

Долгое время существовал спор (не совсем угасший и сейчас) о том, что первично в определении процессов — океан или атмосфера? Отчасти это можно объяснить недостаточным еще развитием общего учения о взаимодействии. В каждом конкретном случае нужно решать, какое воздействие преобладает, чем можно пренебречь, а что необходимо учитывать. В целом следует сказать (и с этим согласны обе спорящие стороны), что в тепловом взаимодействии активнее океан, накапливающий огромные запасы тепла, а в динамическом благодаря большей подвижности атмосфера. В последние годы обращается также внимание на существование обратных связей. Например, ветер возбуждает волны, в результате изменяется поверхность моря. А это ведет в свою очередь к изменению турбулентности в пограничном слое воздуха.

Главным фактором, определяющим основные черты процессов в океане и атмосфере, является доля энергии, поступающей от Солнца в обе взаимодействующие среды. Большая часть этой энергии проходит сквозь атмосферу и, поглощаясь и преобразуясь, «оседает» в океане. Примерно треть солнечной энергии, попадающей на нашу планету, идет на испарение воды с поверхности океанов и морей. На климат и погоду огромное влияние оказывают тепловая инерция моря, движение вод, географическое распределение суши и моря. Таким образом, основная доля энергии, приходящей от Солнца, расходуется на тепловые и динамические процессы. А уже затем следуют все другие физические, химические и биологические процессы, которые, при их исключительной важности для существования всего живого на Земле (в том числе и человека), поглощают значительно меньшую долю энергии.

Самые крупные общие вопросы метеорологии и океанологии могут решаться только совместно. К ним относится, например, определение мощности потоков тепла и влаги в связи с особенностями поверхности океана и др. В сущности, наша планета с окружающим воздухом представляет собой крайне сложную единую систему «океан — атмосфера — материки». Следует напомнить, что, при всем общем значении проблемы взаимодействия, в ее научной и теоретической разработке и дальних перспективах весьма важны запросы практики, народного хозяйства. Знание взаимодействия океана и атмосферы необходимо, прежде всего, для обеспечения безопасности и наибольшей экономичности мореплавания, для высокоэффективной эксплуатации биологических, минеральных, энергетических запасов океана.

В то же время развивается прогностическое учение о взаимодействии. Теплоемкость океана, его «прозрачность» относительно коротковолновой радиации и течения возбуждают сложные асинхронные связи между энергетическим балансом океанической поверхности и погодой. Это относится в первую очередь к большим пространствам и длительным временным интервалам. Все более входящие в практику современного прогнозирования численные и физико-статистические методы долгосрочных прогнозов погоды в расчетах циркуляции атмосферы ставят своей конечной целью исследование взаимодействия. Изучение механизма обмена между подстилающей поверхностью — океаном — и прилегающей атмосферой становится основой прогнозов на длительный срок, с большей заблаговременностью и на значительных территориях.

Прогнозы погоды в течение долгого времени основывались на развитии атмосферных процессов над сушей, не располагая достаточной информацией с океанов. Но сейчас прогнозы погоды все больше нуждаются в знании закономерностей взаимодействия. Что же касается морских гидрологических прогнозов, то они всегда на этом строятся.

Использование данных о взаимодействии океана и атмосферы для прогнозов еще не находится в той стадии, когда можно просто взять первое и получить второе. Прогнозисты принуждены пока сводить в ряды наблюдения и методами статистики обрабатывать их, выявляя таким образом взаимосвязи. Но сохранятся ли они и в будущем? А прогноз это ведь именно будущее — на малый и на большой срок. Стало быть, надо искать внутренние связи, изучать весь единый и многогранный механизм термогидродинамических взаимозависимостей. Только в этом путь совершенствования методов прогнозов изменения состояния океана и атмосферы. И уже возникает новая задача — предсказание возможных изменений климата, его колебаний. Как и другие, она не является чисто теоретической. Климат менялся и в прежние эпохи, наступали и отступали ледники, теплели и холодали гигантские участки суши и океана, цвели сады в сегодняшних пустынях. Человек не управляет климатом, но современный уровень знаний и потребностей человечества вплотную подводит к этой проблеме.

Казалось бы, в таких глобальных проблемах, о которых мы говорим, не могут занимать большого места локальные явления, например загрязнение. Однако это не так. Загрязнение угрожающе растет и не принимать его во внимание уже невозможно. Известно, например, что нефтяная пленка на поверхности океана, оставаясь длительное время, нарушает баланс энергии и веществ, уменьшает поступление в воду света и тепла, влияет на теплообмен, испарение, влагооборот.

Каким путем происходит взаимодействие океана и атмосферы? Во-первых, это микромасштабные процессы в приводном слое воздуха и приповерхностном воды. Обмен веществом, газом и теплом, количеством движения и др. является как бы предтечей более крупномасштабных взаимодействий. Далее следуют среднемасштабные процессы, они определяют свойства пограничных слоев атмосферы и океана, таких их особенностей, как инверсия, распределение скоростей и др., гравитационных волн. И наконец, крупномасштабные процессы завершают эту краткую, самую общую систему взаимодействий, о которой подробно будет сказано ниже. Им обязаны океанические течения и общая циркуляция атмосферы, включая тропическую и умеренных широт. Эти циркуляции зависят от микропроцессов, конфигурации материков и океанов, обмена теплом.