Клімат і води світового океану
Сонячна енергія майже не вбирається атмосферою. Вона в основному поглинається поверхневим шаром Світового океану. Саме в цьому шарі, незначному порівняно з розмірами нашої планети, зосереджуються найбільші запаси енергії. Увібравши енергію Сонця, поверхневий шар океану поступово віддає її атмосфері разом із водяною парою.
Отже, близько 9/10 усієї теплової енергії надходить з океану в повітряний простір.
За підрахунками академіка А. Моніна, теплової енергії, що виділяється зі стометрового шару води при його охолодженні лише на -0,1 °С, достатньо для прогрівання всієї атмосфери в середньому на +6 °С. У Світовому океані нагромаджується основна маса тепла, що надходить до Землі від Сонця.
Середньорічна температура поверхні води в океані, як правило, вища за температуру повітря. Причому різниця збільшується від екватора до полюсів. Іншими словами, обігрівна роль океану в холодних водах більша, ніж у теплих.
Якби на Землі не було Світового океану і клімат залежав лише від сонячної радіації, то на екваторі середня річна температура дорівнювала б +33 °С, а навколо полюсів —32 °С. Але завдяки океанові, переміщенню повітряних мас, а також гігантським океанічним течіям сонячна енергія розподіляється по всій поверхні Землі більш рівномірно, і середньорічна температура на екваторі близько +26 °С, а на Північному полюсі -16 °С взимку і 0 °С влітку.
Ще разючішими були б температурні коливання повітря між літніми і зимовими місяцями. Середня температура січня знизилася б на 35—40 °С. Це призвело б до того, що Східна Європа перетворилася б на безплідну полярну пустелю.
Океан причетний майже до всіх процесів, що відбуваються в атмосфері. Він не тільки обігріває суходіл, але й як єдиний резервуар води, через атмосферу забезпечує його вологою. Понад 85 % об'єму атмосферних вод, які беруть участь у кругообігу, утворюється за рахунок випарування з поверхні Світового океану.
З 455 800 км3 води, які щороку випаровуються з поверхні океану, приблизно 411 600 км3 повертаються у вигляді опадів назад в океан, а решта 44 200 км3 випадає на суходіл. Вода в атмосфері не лише дає вологу суходолові та біосфері, а й значно впливає на інші фізико-географічні умови.
Першим дослідником, який цілковито усвідомив нерозривний зв'язок між фізичними явищами в океані, атмосфері й на суходолі, був географ, кліматолог і метеоролог О. Воєйков.
Завдяки здобутим науковим даним розкрито ланцюг нових закономірностей, властивих природі Світового океану. Так, доведено, що постійно дієві рух повітряних мас, обіг вологи в океані, атмосфері й на поверхні континентів тісно взаємопов'язані та утворюють систему, що перебуває в деякій рухомій рівновазі. Зміни в одному процесі впливають на перебіг інших.
У взаємодії океану й атмосфери можна умовно виокремити великомасштабні та дрібномасштабні процеси.
Особливу роль у великомасштабних взаємодіях океану й атмосфери відіграє тепловий баланс океану. В середньому за рік океани дістають величезну кількість радіаційного тепла. У тропіках взимку і влітку діють приблизно однакові теплові потоки, а в середніх широтах океан віддає його мало влітку і набагато більше взимку. Максимальні теплові потоки в атмосфері рухаються над теплими океанічними течіями, такими як Гольфстрім і Куросіо.
До дрібномасштабних належить насамперед вплив на атмосферу стійких океанічних течій.
Велику роль у взаємодії океану й атмосфери відіграють і мікропроцеси. За їх допомогою між океаном і атмосферою здійснюється обмін води, тепла, газів, солей. Мікропроцеси — це не лише процеси, що відбуваються безпосередньо на межі між водою й атмосферою, а й ті, що діють у прилеглих до цієї поверхні шарах океану і атмосфери завтовшки кілька десятків метрів.
Донедавна прямі вимірювання мікропроцесів були неможливими, тому використовувалися побічні, опосередковані дані. Але останнім часом почалося застосування нових технічних засобів і впровадження методів прямого вимірювання мікропроцесів. І вже перші складні безпосередні спостереження в Середземному морі дали змогу виявити дивовижний факт
— придонні холодні води цього моря утворюються навіть на його поверхні. Сильний сухий вітер містраль значно прискорює випарування. Причому в деяких зонах цей процес настільки інтенсивний, що холодна вода опускається вниз.
Встановлено, що на погодні умови в період від кількох тижнів до багатьох років істотно впливає розподіл температур поверхневих водних шарів. Завдяки чималій теплоємності океанів значні температурні аномалії, що виникають у них, охоплюють великі за площею і товщиною шари, і зміни відбуваються повільніше, ніж на поверхні суходолу. Аномалії температурного режиму в океані часто зберігаються впродовж 3—5 місяців, а іноді й довше. Саме тому вплив аномального стану температурного режиму океану на циркуляцію атмосфери стійкіший, ніж аномалії на континентах.
Скажімо, спеціалісти досконало вивчили синоптичну ситуацію посух 1972 і 1975 рр. Окрім інших особливостей циркуляції атмосфери, було виявлено, що вони стались і через зміну температури поверхневих вод Атлантики.
Визначальні характеристики погоди істотно залежать від того, як переноситься повітря в район —уздовж паралелей чи в меридіональному напрямі.
Поряд із тепловим обміном особливе значення має обмін газами: киснем, вуглекислим газом, азотом та ін.
Розчиненим киснем насичена вся товща води Світового океану, опріч глибоководних шарів внутрішньоматерикових морів, наприклад Чорного. Усього в Світовому океані розчинено 7480 млрд т кисню. За рік океан вбирає з атмосфери 54,85 млрд т, а виділяє 61,35 млрд т. Отже, в атмосферу щорічно надходить з океану 6,5 млрд т кисню, головно у тропічних широтах.
В океані розчинено вуглекислого газу в 6 разів більше, ніж в атмосфері, звідки він надходить. Найбільша концентрація вуглекислого газу — у високих широтах та в придонних горизонтах холодних вод, де він краще розчиняється. В перебігу інтенсивного біохімічного процесу завдяки вуглекислому газові утворюються органічні сполуки, а на їх базі формується своєрідна харчова піраміда; з донних органогенних відкладів утворюються вуглеводневі корисні копалини. Зоопланктон у процесі свого життя споживає вуглекислий газ для створення вапнякових скелетів, панцирів. Скелетні рештки зоопланктону утворюють переважно тверді вапнякові відклади, найбільш поширені в екваторіально-тропічних широтах. Саме цей процес споживання і випадання карбонатів на дно підтримує динамічну рівновагу вуглекислоти у системі «океан —атмосфера».
Взаємодія океану, атмосфери і літосфери відбувається в конфігурації берегової зони, де під впливом хвиль формуються своєрідні форми рельєфу. Енергія хвиль, яка надходить від атмосфери через вітер, зменшується від тертя води об дно, руйнування берегів, транспортування і сортування уламкового матеріалу.
Клімат. Сучасні уявлення про клімат океану — це наслідок узагальнення метеорологічних спостережень на берегових, острівних, автоматичних буйкових станціях у відкритому океані, на торговельних та експедиційних кораблях, а також вивчення інформації з метеорологічних супутників.
Клімат над океаном формується за рахунок сонячної енергії, що вбирається системою «океан—атмосфера». Величина ввібраної радіації зменшується від екватора до полюсів від 250 ккал/см2 до 50—55 ккал/см2. Із цієї кількості радіації 25 % засвоюється атмосферою і 75 % — океаном. Витрачається вона на підтримання температурного режиму океанічних води атмосфери, на випарування з поверхні моря, на весь цикл планетарного водообміну та циркуляції атмосфери й океану.
Зональному розподілові сонячної радіації відповідає зональний розподіл температури вод, тобто її поступове зниження від екватора до полюсів. Зональність температурного поля особливо чітко виявляється в центральних і південних частинах Тихого та Індійського океанів, де атмосфера й океан менше піддаються механічному й тепловому впливові материків. Азональний розподіл температури характерний для областей зустрічі теплих і холодних течій.
Як уже зазначалось, однією з особливостей морського клімату є невеликі амплітуди коливання річних і добових температур. В екваторіальній зоні річна амплітуда 1—2 °С, в субекваторіальних 2— 4 °С, у помірній 5—7 °С. Незначні річні амплітуди зумовлені великою теплоємністю і конвекційним переміщенням океанічних вод. Дещо впливає на них і горизонтальний теплообмін, що сприяє вирівнюванню сезонних коливань температури.
З різною інтенсивністю нагрівання земної поверхні пов'язана просторова зміна атмосферного тиску, а також утворення різних течій. З ними переноситься значно більше тепла, ніж атмосферою.
У полярних районах поверхня постійно охолоджується. Повітря осідає, і створюється високий тиск. Якби Земля не оберталася, то схема циркуляції була б простою: холодне повітря рухалося б над поверхнею від полюсів до екватора, а вгорі тепле переміщувалося б від екватора до полюсів. Але густе і важке арктичне чи антарктичне повітря стікає в помірні широти, утворюючи під дією сили Коріоліса східні вітри. Інтенсивність їх вторгнення протягом року змінюється. Над тропічними широтами обох півкуль повітря також осідає і, нагромаджуючись, спричинює високий тиск. Розтікаючись у всі боки, ті повітряні маси, що рухаються до екватора, створюють пасати, а ті, що до полюсів,— західні вітри. Пасати обох півкуль, зустрічаючись, згасають і створюють вздовж екватора зону затишку.
Тепле повітря над екватором в умовах низького атмосферного тиску вбирає з поверхні океану і піднімає близько 80 % вологи від загального випаровування на земній поверхні. Під час підняття повітря водяна пара конденсується, утворюючи потужні купчасті хмари висотою 10 км та більше, з яких випадають зливи з грозами чи довготривалі дощі. Екваторіальна зона — це зона, де щороку буває понад 4000 мм опадів.
На широтах ЗО—40° повітря опускається, адіабатично нагрівається, тому його відносна вологість зменшується. Ця зона бідна на опади, тут їх — усього 100—200 мм на рік. На суходолі в цій зоні розміщуються пустелі.
У помірних широтах арктичні або тропічні повітряні маси трансформуються. Але іноді вони надовго зберігають свої властивості, особливо під час меридіональної циркуляції. На межі теплих і холодних повітряних мас виникають атмосферні фронти, на яких зароджуються циклони. З циклонами пов'язана хмарна дощова погода, тому в помірних широтах буває більше опадів, ніж у полярних і субтропічних районах, але менше, ніж на екваторі.
Кліматичні пояси. Відомий кліматолог Б. Алісов, розглядаючи фізичні характеристики повітряних мас та їх переміщення протягом року, вирізнив сім основних і шість проміжних кліматичних поясів, а в кожному поясі — чотири типи кліматів: морський і континентальний, східного і західного узбережжя континентів.
Пояс екваторіального клімату охоплює акваторію Гвінейської затоки, частину Індійського й Тихого океанів, що омивають Індонезію з заходу і сходу, та частину Тихого океану на північ від Галапагоських островів. Тут екваторіальне повітря зберігається впродовж року. Для нього характерні мінімальні сезонні коливання сонячної радіації, температури, вологості повітря та інших показників. Добові амплітуди температури й вологості повітря більші від річних. Типові середньомісячні температури 26—28 °С, відносна вологість 80—85 %. Вітри дуже слабкі. їхня швидкість не перевищує 5 м/с. Ось чому пояс називають зоною затишку, або нестійких вітрів. Іноді тут здіймаються короткочасні шквали, в яких у минулому гинули вітрильники. Опади зливові з грозами трапляються у першій половині дня і вночі, коли зростає вертикальна нестійкість атмосфери. За рік буває 2000—3000 мм опадів, що значно менше, ніж на берегах островів і материків цієї зони. Хмарність 6—8 балів, хмари простягаються пасмами на сотні кілометрів.
В екваторіальному поясі переважає жарка, волога безвітряна погода, тому тут парко. Небо хмарне, проте розсіяна і пряма сонячна радіація здається надмірною. Людина помірних широт почувається тут погано.
Пояс субекваторіального клімату, на відміну від екваторіального, ширший і простягається через усі океани. Його північна межа проходить між 10 і 20° пн. ш., а південна — між екватором і 10° пд. ш.
Взимку в північній частині поясу в Атлантичному і Тихому океанах дмуть північно-східні пасати, а в Індійському — зимові мусони. Температура повітря переважно +25, +26 °С, відносна вологість 75—85 %, швидкість вітру 6—8 м/с, хмарність 4— 6 балів, опадів 50—200 мм на місяць.
У цій частині зони взимку переважає тепла, порівняно суха, малохмарна погода з помірними вітрами і значним сонячним освітленням. Далі на південь у цей час формується внутрішня тропічна зона конвергенції, яка поширюється до південної межі поясу. Тут переважає екваторіальне повітря з характерною погодою для екваторіальної зони. Влітку розподіл повітряних мас змінюється. В південній частиш активізуються пасати, а в Північній півкулі формується екваторіальне повітря. Південно-східний пасат перетинає екватор. В умовах низького атмосферного тиску зароджуються тропічні циклони — атмосферні вихори діаметром від 80 до 300 км та більше.
Тропічні циклони не без підстав відносять до найгрізніших явищ природи. Виникаючи над теплими водами тропічних широт і потрапляючи на суходіл, вони супроводжуються величезними збитками й руйнуваннями, людськими жертвами. Впродовж останнього століття від тропічних циклонів щороку гине понад 5 тис. людей, а збитки в середньому становлять 1500 млн доларів. Швидкість вітру в окремих циклонах перевищує 120 м/с. Про його силу свідчить такий випадок: 1780 р. на одному з островів Карибського моря ураган підняв важку гармату і переніс її на 126 м. За добу при такому вітрі буває до 1200 мм опадів.
Відомо, що тропічний циклон несе стільки енергії, скільки її виділилося б при вибухові п'яти атомних бомб типу скинутої на Хіросіму. Тропічні циклони «живуть» до трьох тижнів. За цей час вони витрачають енергію, яку могла б виробити Братська ГЕС за 26 тис. років.
Пояси тропічного клімату знаходяться в зоні пасатних вітрів обох півкуль, що утворюються на периферії субтропічних антициклонів. У межах Індійського океану в Північній півкулі цього поясу немає.
Для середніх областей тропічного поясу Північної півкулі характерні високі температури повітря, незначна хмарність, слабкі вітри (табл. 1).
У Південній півкулі дещо більша швидкість вітру, ніж у Північній. У напрямі до екватора температура, відносна вологість, хмарність і опади зростають, а швидкість вітру зменшується. В центральних областях поясу переважає тепла, влітку жарка, малохмарна погода з помірними і свіжими вітрами, переважно східних румбів. Кількість опадів мала. До східних областей поясу надходять повітря помірних широт і холодні океанічні течії, внаслідок чого тут температура на 2— 4 °С, а опади в декілька разів менші, ніж у центральних областях. До західних областей надходить тепле субекваторіальне повітря, а також теплі течії, тому погода тут жарка, дощова, вітри східних румбів 4— 9 м/с.
Пояси субтропічного клімату утворюють суцільні смуги в Тихому і Атлантичному океанах. У Північній півкулі його крайня межа проходить між 42—50°, а в південній — між 40— 47° ш. Взимку субтропічні пояси являють собою частину приземного шару повітря помірних широт з характерним для них чергуванням циклонів і антициклонів, а звідси і відповідною погодою. Влітку сюди заходить тропічне повітря з нестійкими західними вітрами.
Для Північної півкулі характерні зростання в напрямі до центральних областей поясу річної амплітуди температур, повторюваність штормів і збільшення кількості опадів (див. табл. 1). У Південній півкулі кліматичні показники такі самі, як і в Північній, але тут більше штормів і сильніші вітри. Навесні й восени межа між тропічним і помірним повітрям зміщується то на північ, то на південь. Кліматичні характеристики знаходяться в діапазоні між зимовими і літніми. Позаяк вода має велику теплову інерційність, то осінь у субтропіках набагато тепліша від весни. Зміна пір року добре виражена майже за всіма кліматичними показниками. Цим субтропічний пояс відрізняється від поясів тропічного і помірного. Західні області субтропічного поясу тепліші від східних, тут більше опадів.
Пояс помірного клімату займає смугу від межі субтропічного поясу до 60—70° ш. в Північній півкулі і до 50—60° в Південній. Морське повітря помірного поясу протягом усього року формується з тропічного і арктичного повітря. Основною силою, що переміщує ці повітряні маси, є циклони. Вони зароджуються на полярних або арктичних фронтах, тому погода тут
мінлива, особливо на північ від 50° пн. ш. і на південь від 45° пд. ш.
Для середніх широт Північної півкулі кліматичні показники наведено в табл. 1.
У Південній півкулі температура повітря в усі сезони на декілька градусів нижча, ніж у Північній, водночас тут частіші шторми та більша швидкість вітру. Річна амплітуда температур повітря та інших характеристик значно менша, а різниця між температурою повітря південної та північної меж поясу 15— 20 °С.
У західних областях переважає вплив холодних течій, а взимку ще й холодного континентального повітря. Тому температура повітря тут нижча, ніж у східних областях; 48—80 днів на рік бувають тумани.
Пояс субарктичного клімату в Північній півкулі охоплює Девісову і Датську протоки, південну частину Гренландського моря, північну частину Баренцового і Карського морів, а також усе Берингове море.
У Південній півкулі це суцільна смуга водних просторів навколо морів і заток Антарктиди. Зимою тут переважає арктичне повітря, а влітку помірне (див. табл. 1). Клімат Субантарктиди суворіший, температура значно нижча, часті шторми. Переважає холодна, сира, хмарна з помірними і сильними вітрами погода. Рідко буває тиха з туманами і опадами у вигляді мряки, а ще рідше — ясна. Такі погодні умови важко переносити людям, а надто взимку.
Пояс арктичного клімату охоплює акваторію полярного басейну за межами Субарктики. Впродовж усього року тут формується холодне арктичне повітря.
Погода холодна, сира, хмарна з помірними вітрами і частими туманами влітку й восени та дуже холодна, тиха або зі слабкими вітрами взимку. Для Антарктиди характерні сильні вітри та більша, ніж в Арктиці, кількість опадів.
Фізичні й хімічні властивості океанічної води. Світовий океан завдяки великій теплоємності води повільно нагрівається і повільно охолоджується, тому він є акумулятором тепла на Землі. Максимальних значень температура води досягає через 2—3 год. пополудні, а мінімальних — після сходу Сонця. Амплітуда добових коливань температури на поверхні води 0,2— 0,3 °С, в районі тропіків —0,4 °С. На глибинах 25—ЗО м коливання добових температур практично припиняються. Найвищі вони в серпні, мінімальні — в лютому. Річна амплітуда на екваторі 1 °С, в помірних широтах 4—5 °С. Значні температурні коливання в районі східних берегів Північної Америки та Азії, де зустрічаються теплі й холодні течії. У внутрішніх морях під впливом суходолу амплітуди зростають до 24 °С (Чорне море).
Середня температура поверхневих вод для всього Світового океану, за розрахунками професора В. Степанова, становить + 17,54 °С.
Найтепліший Тихий океан. Його середня температура +19,37 °С. Друге місце посідає Індійський океан (+17,27 °С), третє—Атлантичний (+16,53 °С). Найнижча температура в Північному Льодовитому океані (-0,75 °С).
Відмінності в ступені середнього нагрівання поверхневих вод окремих
океанів пояснюються їх географічним положенням та обрисами.
Розподіл температури води на поверхні океанів і морів має зональний характер. Температура поступово знижується від екватора до полюсів від +28 °С до -2,0 °С. Вплив материків і течій порушує цю зональність (рис. 6). В екваторіально-тропічних широтах температура води в районі східного узбережжя на 2—З °С нижча від температури води поблизу західних берегів. Цьому сприяють пасати, які зносять поверхневий шар від східних берегів, а на їхнє місце піднімаються холодні глибинні води.
Найвища температура океанічних поверхневих вод (+35,6 °С) у Перській затоці.
У Південній півкулі Світовий океан приблизно на З °С холодніший, ніж у Північній, через вплив Антарктиди. З цієї причини і термічний екватор зміщений на північ від географічного.
Теплова енергія Сонця практично повністю вбирається верхнім 10— 20-сантиметровим шаром води. За тихої погоди тепло проникає на глибину завдяки молекулярній дифузії. Тому влітку в морях і океанах утворюється тонкий шар теплої води, нижче якого залягає холодна. Холодну і теплу воду розділяє шар різкої зміни температури — так званий термокпин, або шар температурного стрибка. Під дією вітру вода переміщується, і термокпин займає більшу глибину.
У Північному Льодовитому океані температура з глибиною змінюється в середньому на З °С. Для помірних і низьких широт цей діапазон значно більший. У відкритих частинах океанів температура води від поверхні і майже до дна неперервно знижується, причому до глибини 300—500 м дуже швидко, потім до 1200—1500 м—значно повільніше, а нижче—дуже повільно. На глибинах нижче 3000 м вона становить 0—2 °С. Біля самого дна температура трохи підвищується за рахунок теплого потоку від підстильної кори.
В полярних широтах при охолодженні значної товщі води до 2 °С та більше на її поверхні утворюються крижини. Спочатку вони невеличкі; змерзаючись, перетворюються в крижані голки, а потім на сало. При спокійному морі з сала утворюється суцільний крижаний покрив завтовшки 5 см, який називається ніласом. Поступово наростаючи, нілас перетворюється в товсту кригу. Багаторічна крига у високих широтах Арктики називається паковою. Для неї характерний блакитний колір. Звичайно вона поширюється у вигляді так званих крижаних полів.
Найбільшого розвитку крижаний покрив у Північній півкулі досягає в березні. Його загальна площа становить у цей час близько 16,4 млн км2. До кінця літа вона зменшується вдвічі. У Північному Льодовитому океані крига зберігається протягом усього року і перебуває в постійному русі, крім прибережних районів арктичних морів. Тут узимку утворюється крижаний припай. Влітку він руйнується, море частково звільняється від криги.
Дрейфуюча арктична крига виноситься течіями в Атлантичний океан. Крім плавучих крижин, утворюються айсберги. Місцями їх зародження є узбережжя Гренландії, Шпіцбергену, Землі Франца-Йосифа, Нової Землі, Північної Землі та окремих островів Канадського Арктичного архіпелагу. Виносяться айсберги в Атлантичний океан переважно Лабрадорською течією. Окремі досягають 35° пн. ш., а іноді 27° пн. ш. Середня межа поширення плавучої криги в Північній півкулі — трохи далі 72° пн. ш.
У Південній півкулі крижане кільце навколо Антарктиди досягає ширини від 500 до 2000 км і поширюється до 59° пд. ш. Середня межа поширення айсбергів 38—39° пд. ш. Завдяки великим розмірам антарктичні айсберги зберігаються впродовж кількох років і можуть досягати тропічних широт.
На властивості водних мас на великих глибинах значно впливає тиск верхніх шарів води. Як відомо, він збільшується на кожні 10 м приблизно на 1 атм. Тому вода на великих глибинах дещо стискається. Якби не тиск верхніх шарів, рівень води Світового океану піднявся б на ЗО м.
За хімічним складом морська вода — це складний комплекс мінеральних та органічних речовин у різних формах іонно-молекулярного та колоїдного
стану. З розчинених у ній солей 85 % припадає на хлорид натрію (кухонна сіль), в залишку значна кількість хлориду магнію, що надає воді гіркуватого смаку; крім солей хлору та магнію, розчинені сульфати і карбонати. Процентне співвідношення цих солей незмінне, тому достатньо в пробі визначити вміст хлору, помножити його на 1,81, щоб дістати загальний вміст солей.
Серед мінеральних речовин вирішальне значення для розвитку життя у воді мають сполуки азоту, фосфору і кремнію.
Кількість розчинених солей і мінеральних речовин, виражена в грамах на кілограм морської води, називається солоністю. Позначається знаком %о — проміле (від лат. рготіїе — на тисячу, себто тисячна частка величини).
Середня солоність Світового океану — 35 %о (рис. 7). Найменша вона в полярних широтах океану (32 %о), де кількість опадів перевищує випарування, великий приплив річкових вод, частково тане крига. З цієї причини солоність Білого моря 8 %о. З наближенням до пасатних зон солоність зростає, досягаючи найбільшої величини біля тропіків: в Атлантичному океані — 37,5 %о, в Індійському й Тихому — 36,5 %о. Висока солоність цих вод пояснюється дуже великим випаруванням (понад 2000 мм) і незначною кількістю опадів (200 мм). У напрямі до екватора солоність зменшується зі збільшенням опадів до 4000 мм.
Якщо на поверхні океану солоність змінюється в досить великих межах
— від 31 %0 у Гвінейській затоці до 42 %о у Червоному морі, то на глибині кількох сот метрів вона майже скрізь наближається до 34,8 %о, а з глибини 1500 м і до дна становить 34,5 %о.
Вертикальні зони і водні маси. Внаслідок динамічних процесів у Світовому океані формуються водні товщі з різними фізичними властивостями. У вертикальному напрямі розрізняють чотири структурні водні зони: поверхневу, проміжну, глибинну і придонну.
Поверхнева зона, нижня межа якої залягає на глибині 100— 400 м, надзвичайно динамічна. Мінливість властивостей її вод зумовлена сезонними коливаннями температури і вітровим хвилюванням. Об'єм води в цій зоні 68,4 млн км3, чи 5,1 % від загального об'єму Світового океану.
У проміжній зоні (200—2000 м) поверхнева циркуляція води з її широтним перенесенням речовини та енергії змінюється глибинною, в якій переважає меридіональне переміщення водних мас. У високих широтах до цієї зони належить шар теплої води, що проникає сюди з низьких широт. Об'єм води в проміжній зоні 414,2 млн км3, або 31,0 %.
Глибинна зона (2000— 4000 м) — зона меридіонального перенесення води та енергії, водообміну між океанами. В ній океанів — 680,0 млн км3.
Придонна зона (понад 4000 м) утворюється водами полярного походження. Товща цієї зони залежить від рельєфу дна, але найпотужніша вона в Антарктиці через високе положення тут її верхньої межі. Об'єм води в придонній зоні — 176,3 млн км3, або 13,2 %.
За аналогією з повітряними масами у кліматології океанографи вирізняють географічні типи поверхневих водних мас.
Водною масою називається порівняно великий об'єм води, що формується в певних районах Світового океану впродовж тривалого часу, має стійкі фізичні (температура, колір, густина), хімічні (солоність, вміст газів) та біологічні властивості й рухається як одне ціле. Поверхневі водні маси тісно взаємодіють з атмосферою. Вони найбільше переміщуються під дією вітру, в них змінюються температура, густина та інші властивості. Вирізняють екваторіальні, тропічні, субтропічні, помірні (субполярні) та полярні водні маси (рис. 8).
Екваторіальні води мають високу температуру, незначну солоність і густину, малий вміст кисню і фосфатів (табл. 2).
Тропічні водні маси займають найбільші простори. Для них характерні порівняно високі температура, солоність, густина, але вони дуже бідні на кисень.
Субтропічні водні маси найсолоніші, в них значно більше кисню, ніж у
попередніх типах, і зовсім мало фосфатів. У полярних і субполярних водних масах зі зростанням географічної широти температура й солоність
|
Таблиця 2 Характеристики поверхневих водних мас Світового океану (за В Степанови.м)
|
Області поширення поверхневих водних мас (В. М. Степанюк. 1983)
Між різними водними масами формуються так звані гідрологічні фронти. Це вузькі смуги розмежування різних водних мас або океанічних течій, в яких найбільші горизонтальні градієнти температур, солоності, густини та інших океанографічних характеристик. Вони супроводжуються контрастами кольору води, нагромадженням сміття, піни, штовханиною. Мають ширину від 20 м до 1000 км. Область, усередині якої змінюється положення океанічного фронту, називається фронтальною зоною.
У субтропічних широтах, де переважають антициклональні циркуляційні системи, утворюються зони сходження поверхневих вод — конвергенції. Зони розходження поверхневих вод називаються зонами дивергенції. Вони спричиняються нерівномірним розподілом швидкостей вітрового потоку і супроводжуються підняттям глибинних вод. Стійкі зони дивергенції в районі екватора. Тут упродовж доби води піднімаються на кілька десятків сантиметрів. Таке підняття називається апвелінгом.
Гідрологічні фронти, зони дивергенції та конвергенції вважаються межами природних поясів Світового океану.
Хвилі. Повного спокою в океані не буває. Коливні рухи водного середовища морів та океанів називаються хвилями. Вони спричиняються різноманітними факторами. Це зміна атмосферного тиску, землетруси, виверження підводних вулканів, припливи, рух кораблів тощо. Відповідно вирізняють хвилі припливні, вітрові, баричні (сейші), сейсмічні (цунамі), корабельні.
Висота хвиль, що їх здіймає вітер, різна. Найбільша із зареєстрованих зафіксована 6 лютого 1933 р. в центральній частині Тихого океану. Вона становила 34 м.
Великі хвилі породжуються тропічними циклонами і штормами.
Попри тривалі дослідження, багато явищ, пов'язаних з морськими хвилями, ще й досі не з'ясовані. Так, остаточно не розкрито природу тягунів. Це резонансні хвильові коливання води у вигляді горизонтальних і вертикальних рухів з періодом від 0,5 до 4,0 хв. Своїм походженням вони зобов'язані чергуванню груп високих і низьких хвиль. Невидимі підводні хвилі рвуть сталеві швартові троси. Судна навалюються на стіни набережних чи сусідні, б'ються об пристані або різко відкидаються від них.
Учені досліджують хвилі, щоб запобігти їх руйнівній силі. На підставі численних досліджень складено карту зон максимального хвилювання Світового океану. Дві такі зони виявлено, зокрема, в Північній Атлантиці. Одна з них знаходиться поблизу східного узбережжя Північної Америки. Тут бувають хвилі заввишки до 20 м. Друга, з хвилями до 16 м, лежить на захід від Шотландії. Центр найбільших хвиль Тихого океану знаходиться в його північно-західній частині.
Карта центрів максимального хвилювання має велике практичне значення для мореплавства. Користуючись нею, судна обминають небезпечні штормові райони. Особливо важливо це для перевезення вантажів, що не витримують хитавиці.
Відомо, до яких катастрофічних наслідків призводять цунамі. Вони виникають не лише через землетруси або виверження на дні океану, а й спричиняються виверженнями на суходолі.
Припливи й відпливи — це періодичні коливання рівня моря, зумовлені взаємним притяганням Місяця і Сонця. Припливні хвилі переміщуються зі сходу на захід, охоплюючи всю товщу води. їх висота визначається величиною припливно-утворювальних сил, а при наближенні до берегів — ще й глибиною та рельєфом дна басейну. Найбільші припливи у вузьких затоках. У відкритому океані їх висота близько 0,5 м. Високі припливи бувають поблизу узбереж Канади, Франції, Великобританії, Аргентини, Австралії, Індії, М'янми (Бірми). На узбережжі Охотського моря в Пенжинській затоці вони заввишки 11 м, а в затоці Фанді (Північна Америка)
— 16 м.
Найвище положення рівня під час припливу називається повною водою, а найнижче, при відпливі — малою водою. Різниця між повною і малою водою називається величиною припливу, а проміжок часу від повної води до малої називається періодом припливу.
Залежно від періоду розрізняють припливи півдобові, добові і змішані. При півдобових припливах регулярно утворюються дві повні та дві малі води. Повний цикл —два припливи і два відпливи — відбувається за 24 год. 50 хв. Саме стільки триває місячна доба. Такі припливи називаються правильними. Вони бувають дуже рідко — один раз на 19 років.
Під час добових припливів за місячну добу виникають одна повна і одна мала вода. Найчастіше протягом місяця припливи змінюють свою періодичність, наближаючись то до півдобових, то до добових. Це змішані припливи.
Висота припливу залежить від взаємного розташування Сонця й Місяця. Під час нового і повного Місяця вони знаходяться на одній лінії, і їхні припливно-утворювальні сили сумуються.
Тому сизиіійні (від грец. —з'єднання, зв'язок) припливи найбільші.
Припливи під час першої та останньої чвертей (квадратур) Місяця бувають кожні два тижні в період між повним Місяцем і новим. У квадратурах Місяць і Сонце знаходяться під прямим кутом щодо Землі. Тому квадратурні припливи найменші протягом місяця.
Закономірності припливів дуже складні. Але тепер вони досить добре вивчені, і вчені передбачають їх з великою точністю як за часом настання, так і за величиною. За спеціальною таблицею мореплавці дізнаються про висоту припливу на будь-який день і годину в будь-якій точці узбережжя Світового океану.
Океан охоплений хвилюванням навіть при спокійній поверхні. В його товщі виникають внутрішні хвилі, досить значні за амплітудою і поширенням. Утворюються вони на межі двох різних за густиною шарів води і набагато вищі від поверхневих, але поступаються їм за швидкістю. їх виявляють завдяки ретельним вимірюванням температури, солоності й густини. Буває, що нульова ізотерма за 16 год. піднімається з глибини 480 м до 9 м.
Ще в давнину люди встановили, що завдяки вітру, який дме над морем, виникають не лише хвилі, а й течії, що відіграють величезну роль у процесі розподілу тепла на Землі. Не випадково О. Воєйков назвав морські течії «трубами водяного опалення» земної кулі. Величезні маси води рухаються серед океанів і залежно від того, де вони починаються, несуть із собою тепло або холод.
Найпотужніша і найвідоміша течія Гольфстрім — це своєрідна ріка в океані, яка починається в південній частині Флорид-ської протоки. Причиною її зародження є великий нагін пасатними вітрами води через Юкатанську протоку в Мексиканську затоку і утворення внаслідок цього значної різниці рівнів Мексиканської затоки і прилеглої частини Атлантичного океану. При виході в океан потужність течії становить 25 млн м3/с, ширина 75—120 км, потужність потоку 700—800 м. Продовженням Гольфстріму є Швнічно-Атлантична течія, яка переходить у Норвезьку, а остання — в Нордкапську. Води цієї могутньої течії несуть величезну кількість тепла, яким обігрівається вся Західна й Північна Європа.
Роль такої самої «печі» для Японії відіграє течія Куросіо. Вона також виходить з приекваторіальних широт, прямує спочатку на північ, а біля Японських островів — на північний схід і далі до Аляскинської затоки. У південній частині ширина її 180—230 км, товщина потоку — 600 м.
Є багато холодних течій. З Баффінової затоки, приміром, виходить Лабрадорська течія. Вона несе холодну воду з полярних морів. У тропічній частині Тихого океану поблизу берегів Південної Америки проходить холодна Перуанська течія, що помітно впливає на атмосферні процеси в цьому районі. Повітряні маси, проносячись над холодними водами цієї течії, не насичуються вологою і не приносять опадів. На узбережжі й західних схилах Анд не буває опадів по кілька років. Саме це є причиною існування пустелі Атакама.
Сучасні уявлення про океанічні течії сформувалися на підставі багатьох вимірювань під час тривалих спостережень. їх загальна схема у Світовому океані приблизно відповідає циркуляції нижньої атмосфери. Вся система поверхневих течій — це закономірна зміна кругообігів (рис. 9). У тропічній зоні, де переважають стійкі пасати, виникають потужні пасатні течії західного напряму. Зустрівши на своєму шляху східні береги материків, вони роздвоюються; менша частина води повертає до екватора, а більша — до полюсів. На сорокових широтах обох півкуль під впливом західних вітрів і сили Коріоліса ці течії повертають на схід. Поблизу західних берегів материків вони також роздвоюються; частина води спрямовується до екватора, замикаючи коло тропічної циркуляції, частина течії повертає в Північній півкулі до полюса, даючи початок самостійним циркуляціям помірних широт. У Південній півкулі між 40 і 55° пд. ш., де немає суходолу, під впливом західних вітрів води рухаються лише на схід, утворюючи три струмені течії Західних Вітрів (Антарктичної Циркумполярної). Це
Прибережна Антарктична, південний струмінь Арктичної Циркумполярної та сама Антарктична Циркумполярна. Зону течії Західних Вітрів через часті та сильні шторми називають «ревучими сороковими» широтами.
Між течіями пасатних зон виникають протитечії, спрямовані на схід. Вони спричиняються різними густиною та рівнями води у західній і східній частинах океанів. Разом із пасатними течіями ці протитечії утворюють приекваторіальні круговороти.
Крім великих, в океані існують вихори менших розмірів від 100 до 400 км у поперечнику. Такі мезоциркуляційні системи відкриті 1970 р. і названі синоптичними вихорами. Вони охоплюють значну товщу води, період їх існування від кількох місяців до 5 років. Зустрічаються скрізь — навіть у таких течіях, як Гольфстрім і Куросіо.
Найважливіші поверхневі течії і макроциркуляційні системи
У великих течіях синоптичні вихори обертаються швидше і краще виражені, ніж в інших частинах
океану. їх назвали рингами. Ринги бувають циклональні та антициклональні. У циклональних рингах відбуваються спливання глибинних вод, в антициклональних — поринання поверхневих вод. Вважають, що саме в синоптичних вихорах сконцентровано не менше 90 % кінетичної енергії океану.
Реально циркуляція водних мас Світового океану набагато складніша
(рис. 10). Течії вигинаються, утворюючи гігантські меандри, поділяються на окремі струмені, ускладнюються вихорами і навіть змінюють напрямок руху на
протилежний.
Завдяки докладним дослідженням встановлено, що під Південною Пасатною течією Тихого океану на схід рухається вузький і швидкий потік вод течії Кромвеля. Вона простягається від району Нової Гвінеї до Галапагоських островів на 15 000 км. Під Південною Пасатною течією в Атлантичному океані діє течія Ломоносова протяжністю 5000 км, а в Індійському океані у смузі між 2° пд. ш. і 2° пн. ш. уздовж екватора на схід прямує течія Тареєва.
На думку вчених, горизонтальний рух води на глибинах виникає через різницю густини води.
Морські течії мають важливе значення в житті планети. Вони сприяють міжширотному розподілові тепла, водних мас і живих організмів, впливають на циркуляцію атмосфери і клімату Землі. Вивчення режиму течій необхідне для навігації та правильної організації рибного промислу.
У високих і низьких широтах є кілька центрів формування вод великої густини. У Південній півкулі це море Уедделла, а в Північній — Льодовитий океан. Тут води завжди охолоджуються і опускаються до дна, формуючи глибинні води Світового океану. В субтропічних і тропічних широтах значна густина зумовлюється великим випаруванням, що спричинює збільшення солоності. Своєрідними осередками формування високомінералі-зованих вод є Середземне (39 %о), Червоне (40 %о) моря, Перська (39 %о) та Мексиканська затоки. Взимку ці води охолоджуються, занурюються і виходять в океани окремими струменями на значних глибинах, поширюючись на сотні й тисячі кілометрів.
Отже, Світовий океан є акумулятором тепла на Землі, її обігрівачем і постачальником вологи, регулятором газового складу атмосфери. Його взаємодія з атмосферою породжує атмосферні вихори різних масштабів, які визначають погодні умови на материках. Океанічні течії перерозподіляють тепло між широтами, впливають на циркуляцію
атмосфери й на клімат прибережних частин материків.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ
1. Яке значення Світового океану у формуванні кліматів Землі? 2. В чому і як проявляється взаємодія океану і атмосфери? 3. Які відміни у кліматичних характеристиках океану Північної та Південної півкуль?
2. Які фактори порушують зональність розподілу температури повітря?
3. Покажіть відмінності кліматів помірних широт Північної та Південної півкуль. 6. Який хімічний склад морської води? 7. Які фактори визна чають стратифікацію солоності й температури морської води? 8. Чому Тихий океан найтепліший, а Атлантичний — найхолодніший серед трьох великих океанів? 9. Які особливості циркуляції морських течій у тропічних, помірних і полярних широтах? 10. Яка відмінність між водними масами і вертикальними зонами? 11. Дайте характеристику поверхневих водних мас і гідрологічних фронтів, що їх розділяють. 12. Проаналізуйте карти і назвіть райони найбільшої густини, різких контрастів температури і солоності води.
Автор: admin от 26-01-2013, 01:30, Переглядів: 41904