Температура моря

В понятие тепловых свойств воды входят теплоемкость, теплота плавления и кристаллизации, испарения и конденсации. По всем этим свойствам вода сильно отличается от других жидкостей. Поэтому рассмотрим их более подробно.

Под теплоемкостью понимают количество теплоты, которое необходимо для повышения температуры 1 г морской воды на 1 °C. Теплоемкость воды значительно выше, чем у всех других веществ (как жидких, так и твердых), исключение здесь составляют лишь водород и жидкий аммиак. Теплоемкость льда, например, вдвое меньше теплоемкости воды, чугуна — почти в 8 раз, а гранита — в 5 раз. Теплоемкость морской воды очень мало отличается от пресной — следовательно, значение теплоемкости можно считать одинаковым для всего Земного шара.

Воды Земли соприкасаются с воздушным океаном, охватывающим ее. Разница в теплоемкости этих двух океанов огромная, благодаря чему Мировой океан является источником запаса тепла для атмосферы. Если мысленно охладить слой воды толщиной в 200 м всего на полградуса, выделится столько тепла, что воздух над всей Европой до высоты 4 тыс. м нагреется на 10 °C.

Вода, лед и воздух — плохие проводники тепла, так как теплопроводность морской воды чрезвычайно мала. С увеличением температуры и уменьшением солености теплопроводность морской воды возрастает слабо.

Теплота, поглощаемая при плавлении 1 г вещества при условии постоянства температуры, называется теплотой плавления. Теплота плавления чистого льда значительно превышает теплоту плавления всех других веществ на Земле, за исключением аммиака. Теплота плавления морского льда зависит от его солености и при небольших отрицательных температурах заметно убывает с повышением солености льда. Теплота испарения — это количество теплоты, необходимое для поддержания неизменной температуры при испарении (или конденсации) 1 г жидкости. Для тепловых процессов в море и атмосфере очень важно то, что теплота испарения у воды больше, чем у какого-либо другого вещества. Большая часть солнечной энергии тратится на испарение морской воды. В среднем за год поверхность океана испаряет слой воды, равный примерно 1 м. Если принять эту величину (определить ее точно пока невозможно), то получится, что на испарение каждого квадратного сантиметра морской поверхности затрачивается ежегодно около 60 ккал.

Температура кипения морской воды, отличаясь от пресной, немного увеличивается с повышением солености. Большое влияние на температуру оказывает давление толщи воды. На температуру воды в различных районах океанов и морей влияют приход тепла от Солнца, вертикальный и горизонтальный теплообмен. Огромный поток тепла, поступающий от Солнца (30 % его поглощает атмосфера), захватывается совсем тонким поверхностным слоем и глубоко не проникает. Достаточно сказать, что на глубине 1 см тепловой эффект лучистой энергии Солнца убывает почти в 100 раз по сравнению с поверхностью, а на глубине 1 м — в 8350 раз!

Не будь в океане постоянного перемешивания вод, глубинные воды остались бы без тепла. Но существует механическое перемешивание, вызываемое ветровым волнением и течениями — они-то и переносят тепло на глубину 100–200 м. Вертикальное перемещение частиц воды в море (конвекция), возникающее в результате различной плотности слоев, приводит и к нагреванию и к охлаждению воды на глубине в слое до 500 м.

Доля лучистой энергии, проникающая на некоторую глубину, главным образом освещает воду и лишь отчасти нагревает. Ночью и зимой вода охлаждается и отдает воздуху тепло — при охлаждении 1 см³ воды на 1° выделяется огромное количество теплоты, способное на 1 °C повысить температуру 3134 см³ воздуха. К источникам тепла, нагревающим поверхность океанов и морей, можно было бы отнести звезды, Луну и внутреннее тепло твердой коры Земного шара (для придонных слоев). Правда, теплота от звезд и отраженной поверхности Луны хоть и существует, но ничтожно мала.

На изменениях температуры воды сказываются и другие факторы. Это прежде всего сток рек, особенно крупных. Реки умеренного пояса (и в высоких широтах) отепляют приустьевые участки, а горные реки тропиков иногда охлаждают их.

Режим ветров побережий существенно влияет на температуру, понижая или повышая ее на несколько градусов в зависимости от направления ветра. В морях на температуру воздействуют также течения, направленные с юга на север или с севера на юг. Уже упоминалось, что море не только получает, но и отдает, теряет тепло. Главные причины этого — испарение и эффективное излучение. Последнее представляет собой разность между тепловым излучением поверхности моря и встречным длинноволновым излучением атмосферы. Теплообмен между морями, соединяющимися между собой, имеет в ряде случаев также большое значение, равно как и образование и таяние льда в ледовитых морях. Таким образом, возникает проблема учета прихода и расхода тепла, составление теплового баланса моря и расчета всех его составляющих. Именно расчета, потому что определить каждую из них с помощью непосредственных наблюдений пока практически невозможно. Изучение тепловых процессов в океане — исключительно важная задача сегодняшней океанологии. Она дает возможность обнаружить причины многих явлений как в океане, так и атмосфере и поставить вопрос об их предсказании.

За длительное время приход и расход тепла балансируется. Так, за интервал, равный примерно столетию, можно полагать температуру всей поверхности Земного шара неизменной, в том числе и среднюю температуру Мирового океана.

Представим себе Земной шар, покрытый неподвижной водой океана — без всяких течений. Тогда температура воды на его поверхности в точности совпала бы с нагреванием ее солнечными лучами. При таком предположении изотермы (линии равных температур) повторяли бы линии географических параллелей. Так (или почти так) и происходит на самом деле на обширных пространствах южного полушария, начиная от 40° ю. ш. и до самой Антарктиды. Здесь нет больших участков суши и материков (кроме южной оконечности Америки), а течения незначительно искажают плавный ход изотерм.

Но в других районах океана влияние материков, ветров и течений резко меняет картину. Это легко заметить по картам среднегодовых изотерм. В восточных частях океанов в тропической зоне они сходятся в направлении к экватору, а в западных расходятся от него, что особенно отчетливо прослеживается в Атлантическом океане. Это объясняется экваториальными поверхностными течениями, встречающими на своем пути материки Америки, Азии и Африки. Здесь течения расходятся к северу и югу, теплые воды уходят в умеренные широты, а в западных частях океанов удаляются от экватора. В то же время в восточных частях океанов по обе стороны экватора (от 30° с. ш. до 30° ю. ш.) течения приносят более холодные воды из умеренных широт.

Иное распределение поверхностных температур в северных районах Атлантического океана (от 35° с. ш.). Здесь, в восточных частях океанов, изотермы расходятся веерообразно, в Атлантическом океане они даже приближаются к направлению меридианов или составляют с ними угол в 45°. Эта особенность связана с мощным потоком Гольфстрима и Куросио. В западных частях океанов вблизи 40° с. ш. у побережий материков изотермы сближаются и, значит, температура резко меняется — на протяжении 5° по широте разница в температурах составляет 10° (от 20 до 10°) в Атлантическом и 12 °C (от 18 до 6°) у побережья Японии.

Наибольшие температуры воды наблюдаются не на экваторе, а несколько севернее. Полоса этих температур, незначительно изменяющая свое положение в различные сезоны, носит название термического экватора. Редко и лишь в отдельных местах термический экватор «заходит» в южное полушарие.

Каковы же наблюдаемые, не осредненные значения температуры воды на поверхности океанов в области термического экватора? Они превышают 28–29 °C. По данным наблюдений, средняя температура во всех океанах равна 17,4° (в Тихом 19,1°, в Индийском 17,0°, в Атлантическом 16,9°). Самая высокая температура в Персидском заливе — 35,6°. Воды океанов в северном полушарии гораздо теплее, чем на таких же широтах в южном. Это объясняется тем, что холодные воды из Антарктиды свободно проникают во все океаны. А влияние холодных вод и льдов Северного Ледовитого океана сдерживают, с одной стороны, узкий Берингов пролив, а с другой — тепло Гольфстрима.

На поверхности океанов в целом преобладает теплая вода — обширные их области (в среднем около 53 % поверхности) заняты водой с температурой выше 20°, и лишь 13 % поверхности имеет температуру ниже 4 °C.

Сравнивая среднюю годовую температуру воды на поверхности Мирового океана со средней годовой температурой нижних слоев атмосферы Земного шара, равной 14,4°, получаем, что в среднем (за год) океан теплее воздуха на 3 °C.

Мы уже говорили о том, как проникает тепло с поверхности океана на глубину. Распределение температуры воды в вертикальном направлении различно в океанах и морях и, в особенности, по широтам, а также в западных и восточных частях океанов. В то же время на гигантских пространствах океанов в пределах 45° с. и ю. ш. есть много общего в распределении температур с глубиной. Здесь в открытой части океана температура равномерно понижается от поверхности и почти до дна (у дна может быть повышение за счёт тепла, идущего снизу). Вначале температура падает очень быстро до глубины 300–500 м, потом все медленнее до 1,2–1,5 тыс. м, а глубже понижение очень медленное или его нет совсем. На глубине более 3 тыс. м температура воды лежит в пределах от 2 до 0 °C. Это значит, что температура воды на больших глубинах всегда ниже самой низкой температуры на поверхности в тех же местах. Замечено, что в некоторых глубоководных впадинах с 3,5–4 тыс. м и до дна (например, в Филиппинской) температура воды немного повышается.

В умеренных зонах температура воды с глубиной не претерпевает такого сильного изменения, так как летом поверхностные воды здесь прогреваются меньше. Приполярные воды сначала (до глубины 50—100 м) охлаждаются, глубже немного теплеют (это создает теплые и соленые воды умеренных широт); максимум приходится примерно на 250–500 м и далее следует постепенное понижение до дна.

В районе Антарктиды сильно охлажденные воды постоянно опускаются на глубину, питая придонные слои Атлантического, Индийского и Тихого океанов.

Моря, которые свободно соединяются с океаном, имеют распределение температур по вертикали, сходное со смежным районом океана. Это общее совпадение, правда, может быть нарушено стоком больших рек, течениями и, главным образом, льдами. В морях, отделенных от океана глубокими порогами или вовсе изолированных от него, изменение температур с глубиной сложное, со своими особенностями, обусловленными местными физико-географическими условиями. Говоря о распределении температуры воды по вертикали, мы уже указывали, что убывание часто идет не непрерывно — понижение в некотором слое сменяется повышением, а затем температура вновь начинает падать. Это довольно распространенное явление тщательно изучено.

Слой холодной воды, лежащий между верхним и нижним слоями более теплой воды, называется холодным промежуточным слоем, а глубинный слой с повышенной температурой — теплым промежуточным слоем. В умеренных широтах и приполярных районах эти слои появляются в результате зимнего охлаждения и особенно заметны весной и ранним летом, когда вода не успела прогреться, а холодные зимние воды опустились на глубину.

Холодный промежуточный слой может исчезнуть или сохраниться до следующей зимы, в зависимости от того, каким было охлаждение. Каких величин достигает охлаждение в этом слое? В северной части Черного моря вдали от берегов — 6–8°, в Охотском море — 1,6–1,8 °C, что соответствует температуре замерзания морской воды.

Холодный и теплый промежуточный слои могут возникнуть и по другой причине — благодаря приносу вод (в горизонтальном направлении) из других районов с иными температурами и соленостью. Характерный пример — поступление теплых атлантических вод в Северный Ледовитый океан.

Слой воды с большими изменениями температуры по вертикали (градиентами) в океанологии называют слоем скачка. Условно принято считать слоем скачка в океане градиент, равный 0,1° на 1 м. В действительности наблюдаются и значительно большие градиенты. Так, к востоку от Японии с помощью батискафа были обнаружены слои с температурами, отличающимися друг от друга на несколько градусов. Они непосредственно соприкасались между собой без промежуточного слоя скачка. Это явление замечает и каждый купающийся в море — теплая вода поверхности немного глубже подстилается очень холодной.

В зависимости от времени (сезона, суток) температура воды в океанах также сильно изменяется, в особенности в верхних слоях, которые по аналогии с атмосферой принято называть тропосферой, и меньше в нижних слоях — стратосфере. Колебания температуры зависят от соответствующих изменений количества тепла, поступающего из атмосферы и притока вод другой температуры со стороны или снизу. Основной источник прихода тепла — это Солнце, поэтому в колебаниях температур наблюдается суточный и годовой ход. Суточный и годовой ход имеют обычно форму, близкую к синусоиде; это особенно заметно при осреднении данных. Но за конкретные сутки или годы под влиянием дополнительных причин температуры могут отличаться от главного синусоидального хода. Наибольшей величины температура достигает через 2,5–3 часа после полудня и наименьшей — перед восходом Солнца. Разница между максимальной и минимальной температурами в пределах суток на поверхности в среднем очень мала — 0,5 °C, хотя иногда может достигать и нескольких градусов. Размах колебаний температуры в открытом океане зависит от времени года, географической широты, облачности, ветра.

Сезонные изменения температуры (годовой ход) обусловлены главным образом соотношением составляющих теплового баланса, так как зимой море теряет тепло, а летом аккумулирует. Самые высокие температуры на поверхности океанов в северном полушарии приходятся на сентябрь или вторую половину августа, а в южном — на февраль-март. Это — так называемое гидрологическое лето. Самые низкие температуры в северном полушарии наблюдаются в феврале-марте и в южном — в августе-сентябре. Изменения температур в течение года гораздо большие, чем за сутки, — наименьшие они в приэкваториальной зоне, наибольшие — в районах около 40° с. ш. и 30° ю. ш. Самые большие годовые колебания, объясняющиеся влиянием теплых и холодных течений, замечены у берегов Северной Америки и к востоку от Японии.

Колебания температуры воды на ее поверхности быстро угасают — они незаметны уже на глубинах более 25–30 м, и лишь если существует мощный однородный слой, их можно заметить глубже. Максимум в последнем случае запаздывает по сравнению с поверхностным на несколько часов.

Годовые колебания распространяются гораздо глубже, достигая 400–500 м, и также уменьшаются. От года к году изменения температуры колеблются — меньше всего в тропиках (до 1 °C), увеличиваясь к северу и югу от них и вновь уменьшаясь в высоких широтах, особенно в ледовитых районах.

Океан оказывает очень большое влияние на климат материков. В холодное время года в Европу тепло приносят юго-западные ветры. Многие исследования были посвящены влиянию Гольфстрима на климат Европы. Когда тепло Гольфстрима (и его продолжения — Северо-Атлантического течения) концентрируется в его середине, зима в Европе холодная. Но если Гольфстрим теплее в северной части, в Европе теплая зима, а в Гренландии — холодная. К этому выводу пришел шведский ученый В. Сандстрем. Он предположил, что влияние тепла Гольфстрима не непосредственное, а через атмосферу — над теплой водной поверхностью увеличивается барическая депрессия и, в зависимости от того, севернее или южнее это происходит, возникают холодные или теплые ветры. Теория Сандстрема не общепризнанна, хотя и верна в принципе. Дело в том, что остаются неясными еще многие явления. В частности, по Сандстрему, потепление вод Гольфстрима должно сменяться похолоданием, затем следует новая волна потепления; промежуток времени добегания гребня или подошвы волны «потепление — похолодание» от Флоридского пролива до северо-западных берегов Норвегии составляет 3–4 года. Но в действительности оказалось, что это не так.

С 20-х годов нашего столетия в Арктике было длительное потепление. Заметно повысилась температура воздуха и воды, отступила к северу кромка льда, интенсивно таяли ледники; в воды Шпицбергена пришли косяки рыб, обычно встречающиеся в Норвежском море. Замечательное явление потепления Арктики, продолжавшееся примерно полтора десятилетия, по-видимому, объясняется общим усилением атмосферной циркуляции на всем Земном шаре — в областях высокого давления оно стало еще выше, а в областях низкого — еще ниже. Это, в частности, усилило юго-западные ветры в Норвежском море и, соответственно, большим стал приток теплых вод в Арктику. На климат Дальнего Востока оказывает влияние теплое течение Куросио. Во многом схожее с Гольфстримом, оно, однако, не переносит на север такого же огромного количества тепла. Во всяком случае, его влияние на климат Канады во много раз меньше, чем Гольфстрима на климат Северной Европы.

Взаимодействие океанов и материков отчетливо проявляется в действии ветров — муссонов и бризов. Муссоны — это устойчивые воздушные течения, дующие летом с более нагретого моря на сушу, а зимой — с более холодного материка в сторону моря.

Бризы меняют свое направление 2 раза в сутки: днем дуют с моря, ночью — с суши. Муссоны и бризы — явления, подобные друг другу, но различные по масштабу. В свою очередь, и материки оказывают влияние на океан, как правило, через атмосферу, что видно на примере образования муссонов и бризов. В частности, дальневосточный муссон определяет суровость зим в морях нашего Дальнего Востока: Японского, Берингова и Охотского.

При исследовании термического режима океанов и морей важно изучить пространственное распределение температуры (по вертикали и горизонтали) на обширных пространствах и ее изменения (на полигонах), слой скачка, фронты, вертикальные движения вод. С этой целью организуется густая сеть буйковых станций, используются искусственные спутники Земли.

К практическому освоению тепловой энергии океанов и морей относится также возможность получения электроэнергии. Эти работы были начаты во Франции в 1928 г. Принцип их состоял в использовании значительной разности температур воды тропических морей, где на поверхности температуры равны 25–30°, а на глубине 250–300 м — лишь около 5 °C. Таким образом, на поверхности находится естественный нагреватель, а на глубине — холодильник. Эти слои соединяются трубкой; рабочее вещество, преобразующее энергию, — морская вода, кипящая в вакууме при температуре 25 °C. Правда, коэффициент полезного действия такой электростанции мал. Однако построенный в Абиджане завод стабильно давал энергию, так как разность температур здесь устойчива. К тому же, одновременно выделялась пресная вода, выпаривались ценные соли. Проект по своей идее и осуществлению в целом признан перспективным. Он может быть также перенесен совсем в иные условия, а именно — в северные моря. Только здесь нагревателем будет служить вода подо льдом (с температурами около 0 °C), а холодильником — внешний, очень холодный воздух. Быть может, проблема борьбы со льдами будет решена с помощью тепла глубинных вод, лежащих под ними. Но это дело будущего, равно как и проблема использования термической энергии океанических течений для улучшения климата.

Без знания температурного режима океана невозможны как метеорологические долгосрочные прогнозы, так и морские.