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.

Задача построения физической теории климата и долгосрочных прогнозов погоды выдвигает сегодня на первое место необходимость математического моделирования крупномасштабного взаимодействия. Одна из сложностей этой проблемы состоит в том, что океан обладает значительно большей тепловой и динамической инерцией, чем атмосфера. Чтобы преодолеть эту сложность, предпринимались различные попытки. Так, атмосферный год условно принимался равным 100 годам океана. Был предложен и другой путь — считать поля плотности и скорости ниже верхнего слоя океана заданными. Это позволило сократить время установления равновесного режима всей системы. Но при этом остался нерешенным вопрос о согласовании глубинных полей температуры и солености с получающимися в расчетах полями вертикальной скорости и потоками тепла и солей на верхней границе нижнего слоя.

В целом можно сказать, что механизм теплового и динамического взаимодействия крупного масштаба состоит в том, что неодинаковое поступление тепла от Солнца создает различный тепловой баланс на поверхности Мирового океана. Следствием этого является неодинаковый нагрев атмосферы и формирование определенного поля атмосферного давления. В результате возникает атмосферная циркуляция, приводящая в движение верхние слои океана, а затем, благодаря течениям, проникающая и на глубину. В то же время течения изменяют исходное состояние теплового баланса, что опять-таки влияет на циркуляцию атмосферы.

Как говорилось, крупномасштабные процессы по времени разделяются на сезонные, межгодовые и внутривековые. Для характеристики каждого из них можно привести большое число примеров. Отметим лишь, что в отношении внутривековой изменчивости, изучение которой лишь начинается, было обнаружено, что потепление климата в первой половине 20-х годов повлияло и на тепловое состояние океана в целом. Так, в высоких широтах температура воды повысилась на несколько градусов, а в низких — несколько понизилась.

В одном из последних обобщений исследований циркуляции Мирового океана, сделанном В. А. Бурковым [1980], делается попытка построить и физически интерпретировать трехмерное крупномасштабное поле движения Мирового океана. Количество наблюдений в последние годы возросло в несколько раз, но по-прежнему крайне неравномерно. В работе Буркова использованы косвенные данные для построения стационарной циркуляции Мирового океана с обобщением всех наблюдений в форме средних многолетних годовых значений.

Энергетические источники Мирового океана лежат на его поверхности. В среднем многолетнем плане для всего Мирового океана тепловой и водный баланс равен нулю, гидрофизические и гидрохимические параметры не меняются. Общая циркуляция Мирового океана возбуждается механическими (ветровое напряжение на поверхности океана) и термохалинными (неравномерное распределение нагревания и охлаждения и др.) факторами. Физическая природа циркуляции верхней части — ветровая и термохалинная. Чем глубже в океан, тем меньше роль первой и больше второй.

Последующие задачи в исследовании данной проблемы сводятся к уточнению вклада ветра в океаническую циркуляцию, к определению влияния синоптических вихрей на среднюю циркуляцию, к оценке продукции глубинных и придонных вод. Конечной целью является изучение изменчивости океанических течений в различных масштабах и прогноз, основанный на исследовании взаимодействия океана и атмосферы. Год является тем минимальным промежутком времени, в течение которого океан запасает тепло, а затем отдает его в атмосферу. Оценка взаимного влияния в рассматриваемой работе была произведена методом линейной коррекции. Оценивалась связь температурных полей над Северной Атлантикой и европейской территорией нашей страны для каждого месяца и со сдвигом от одного до 12 месяцев. В процессе теплообмена в системе океан выступает как аккумулятор солнечного тепла, но «память» океана имеет некоторый годовой ход, и это вносит свои сложности в проблему.