Океан и атмосфера кратко

Обновлено: 05.07.2024

Океан, совместно с атмосферой и сушей, является неотъемлемой частью круговорота воды в природе.

Из-за того, что над поверхностью океанов и других водных объектов происходит постоянное испарения воды с ее дальнейшим перемещением в нижние слои атмосферы, влага перемещается на огромные расстояния под воздействием воздушных масс.

Таким образом, вода попадает из океанов на сушу в виде осадков.

Затем она оседает в грунте и перемещается по подземным источникам и рекам обратно в океан, где данный процесс повторяется.

Чтобы лучше понять: как взаимодействуют между собой океан, суша и атмосфера, — необходимо:

Сформулировать их понятия;
Определить роль каждого из них для планеты в целом;
Сформулировать принципы их взаимодействия.

Определения и понятия

Океан представляет собой самый крупный водный объект системы Земля. Вся поверхность, которая занята водой, составляет примерно 71% от общей площади планеты. Существует четыре крупных океана: Тихий (самый большой, его протяженность достигает нескольких тысяч километров), Атлантический (расположен вблизи субтропиков), Индийский (третий по величине океан), Северный Ледовитый (самый мелких из своего рода).

Суша представляет собой сухую и местами твердую поверхность Земли. Она занимает оставшуюся площадь планеты, которая не покрыта различными морями, океанами и озерами. Существует большое разнообразие среди рельефа и характеристик суши, это могут быть:

пустыни;
ледники;
леса;
города;
горы и т.д.

Атмосфера же представляет собой оболочку, которая окружает всю планету. Она состоит из множества всевозможных газов.

Взаимодействие океана, атмосферы и суши

Самым ярким взаимодействием этих трех сред можно назвать круговорот воды в природе. Океан является носителем влаги, он поставляет ее в атмосферу, увлажняя и поддерживая ее состояние. Затем влага, которая попадает в атмосферу проходит определенный цикл преобразований и попадает на землю (сушу), в виде осадков. Таким образом, земная кора насыщается необходимым количеством воды. Затем излишнее количество воды испаряется и весь процесс проходит по кругу.

Также океан является отличным поглотителем солнечного тепла. Его вода значительно медленнее нагревается, но она также очень медленно и отдает тепло. Вода передает свою тепловую энергию Земле, в местах соприкосновения с поверхностью суши. Также вода прогревает и ближайшие слои атмосферы. Точно также океан служит отличным регулятором тепловых ветряных потоков. Если слои атмосферы очень холодные — океан нагревает их, если теплые — остужает. Затем эти воздушные массы аккуратно перемещаются на материк.

Взаимодействие океана и атмосферы можно анализировать по двум направлениям:

Энергетическое взаимодействие океана и атмосферы многообразно. Главным является их взаимодействие как противоположно устроенных термических систем.

Атмосфера, как термическая система, получает тепловую энергию главным образом путем подогрева снизу, от земной поверхности. Земная поверхность в целом поглощает около 80% солнечной энергии. Всего лишь около 20% тепловой солнечной энергии поглощается непосредственно воздухом и облаками. Почти все тепло, получаемое нижними слоями атмосферы, является скрытым теплом конденсации, заложенным в водяном паре. При этом более половины этого тепла поступает из тропических районов. Большая же часть атмосферы имеет низкую температуру и не поглощает тепловую энергию, а излучает ее в космическое пространство.

Океан, как тепловая система, устроен противоположным образом. Верхний слой океана является мощным поглотителем тепловой энергии. Поверхность океана поглощает 99,6% поступающего на нее тепла и отражает всего лишь 0,4%. Для суши показатель поглощения составляет всего 55-69%. Причем суша занимает менее 1/3 площади земной поверхности. Следовательно, поверхностный слой океанской воды представляет собой главный аккумулятор тепла на Земле. В нижележащих слоях воды, напротив, происходит рассеивание тепловой энергии. Поскольку теплоемкость воздуха гораздо ниже, чем воды, при контакте воздуха с водной поверхностью происходит отдача тепла в атмосферу и понижение температуры поверхностного слоя океана.

Скрытая энергия, поступившая в атмосферу с водяными парами, частично преобразуется в механическую энергию. Она обеспечивает перемещение воздушных масс. Механизм этого преобразования малоэффективен. Лишь 1-2% тепловой энергии переходит в механическую. Остальная часть тепла расходуется на покрытие потерь радиации в мировое пространство. Но и этого количества энергии оказывается достаточно, чтобы привести в движение огромные массы воздуха и обеспечить горизонтальную циркуляцию в поверхностном слое океана.

Взаимодействие гидросферы с атмосферой сопровождается также и обменом веществами. Важнейшим веществом, поставляемым океаном в атмосферу, являются водяные пары (500 тыс. км3 в год по Калинину). Поступление водяного пара происходит из:

гигантских вертикальных кучево-дождевых облаков в экваториальной зоне океана. Эти облака засасывают водяные пары и скрытую в них энергию в атмосферу на высоту 10-15 км;

пассатных кучевых облаков тропических зон. Причем эти облака создают влажный конвективный слой, мощностью до 3 км, постепенно углубляющийся вдоль воздушного потока.

Огромные массы водяных паров поступают в атмосферу также из других климатических зон океана, а также в результате механического испарения. В процессе механического испарения происходит унос водяной пыли при сильных ветрах в нижние слои воздуха.

При механическом испарении в атмосферу поступают также соли. Вынос солей в атмосферу в молекулярно-дисперсном состоянии происходит и при нормальном испарении. Концентрация метаморфизированных до молекулярно-дисперсного состояния солей в поверхностном слое воды может достигать 0,5 мг на 1 л испаряющейся воды. Таким путем в атмосферу поступают ионы Na, Mg, Са, K, Сl, СО3, SO4. В дальнейшем вместе с дождевыми водами они возвращаются в океан или поступают на сушу.

Атмосфера, в свою очередь, является главным поставщиком для океана углекислоты, азота и кислорода. Холодные воды служат лучшими растворителями углекислоты. Поэтому максимальное содержание углекислого газа приурочено к придонным слоям воды в высоких широтах. В поверхностном слое воды происходит интенсивное потребление углекислого газа фотосинтезирующими организмами. С глубиной содержание растворенного углекислого газа нарастает примерно до глубины 200 м и затем до дна остается почти без изменений. Меньшая часть углекислого газа поступает в результате окислительных процессов при разложении органической материи, а также при подводных вулканических извержениях.

При преобладании процесса изъятия углекислоты из атмосферы, все же происходит и отдача некоторого ее количества из океана в воздушную оболочку. Интенсивно поглощаясь холодными водами в высоких широтах, углекислый газ в экваториальных и тропических широтах выделяется из воды в атмосферу. В умеренных зонах зимой происходит интенсивное поглощение СО2 водами океана, а летом, при прогревании поверхностного слоя воды, СО2 отдается в атмосферу. Концентрация или дефицит углекислого газа в океанских поверхностных водах существенно влияет на всю гидрохимическую обстановку.

Ежегодно в виде известковых скелетов морских организмов на дно океана поступает около 2,5 ∙ 1014 г углерода. В результате в осадочных породах земной коры накоплено углерода на несколько порядков величин больше, чем его содержится в атмосфере и гидросфере. Так количество углерода в атмосфере оценивается величиной 6,3 ∙ 1017 г, в гидросфере 3,6 ∙ 1019 г. Концентрация углерода в земной коре в виде каустобиолитов оценивается величиной 6,4 ∙ 1021 г, а в виде известняков и доломитов 5 ∙ 1022 г. Подавляющая часть захороненных в земле каустобиолитов имеет органическое происхождение. Осаждение карбонатов идет преимущественно биологическим путем. Следовательно, их энергетический потенциал можно рассматривать как ресурсы преобразованной и законсервированной солнечной энергии, накопленные за миллиарды лет существования жизни на нашей планете. Вместе с тем накопление каустобиолитов и карбонатных пород в толще осадочного слоя земной коры, подстилающего океаны, представляет собой результат мощного крупномасштабного взаимодействия атмосферы, биосферы, водной оболочки и литосферы.

Основная масса азота, поступающего в морские воды, также имеет атмосферное происхождение. В 1 л воды в среднем содержится около 13 мг растворенного азота. Меньшая часть азота в океане высвобождается в результате разложения органической материи.

Непосредственным источником кислорода в океанической воде является также кислород атмосферы. Способность воды растворять кислород достаточно велика. В результате океан нормально аэрируется до самых больших глубин. Но воздух сам получает кислород, который высвобождающийся в процессе фотосинтеза, из поверхностного слоя океана. По мнению А. П. Виноградова этот процесс потребляет только около 2% поступающей солнечной энергии. Но этой энергии хватает, чтобы фотосинтез в поверхностном слое явился главным фактором обеспечения атмосферы кислородом.

Поверхностный слой воды перенасыщен кислородом, что видно по постоянному присутствию пузырьков газа на планктонных организмах. При дыхании растения потребляют около 15% продуцируемого ими кислорода, часть потребляют другие организмы, часть уходит из поверхностного слоя с погружающимися массами воды при вертикальном перемешивании, но большая часть кислорода отдается в атмосферу.

Количество выделяемого при фотосинтезе кислорода зависит непосредственно от интенсивности фотосинтеза. Поэтому области интенсивного фотосинтеза одновременно представляют собой области и перенасыщения кислородом и интенсивной отдачи его в атмосферу. В океанических областях с малой продуктивностью фитопланктона, напротив, происходит поглощение кислорода из атмосферы. При морском волнении, особенно при сильных штормах, отдача кислорода в атмосферу значительно усиливается.

Взаимодействие океана и атмосферы можно анализировать по двум направлениям:

Мы знаем, что атмосфера сильно влияет на поведение океана. Воздушные течения создают водные течения.

Так же формируется и климат Земли, и колебания климата. Например, потепление климата, наблюдавшееся в первую половину XX в., а сейчас, по-видимому, закончившееся, должно найти свое объяснение в процессах взаимодействия океана и атмосферы. Потепление климата является одной из наиболее актуальных проблем современной геофизики.

Взаимодействие океана и атмосферы можно разделить на две части: 1) мелкомасштабные процессы и 2) крупномасштабные процессы.

Мелкомасштабные процессы — это образование потоков тепла, влаги и количества движения на поверхности моря, разделяющей океан и атмосферу.

Очень большую роль в их формировании играют штормы, во время которых основная масса тепла и влаги переходит из океана в атмосферу. Не, учитывая штормы, только по средним климатическим данным невозможно вычислить, сколько же тепла и влаги переходит в атмосферу и каково крупномасштабное воздействие тепла и влаги, которые поступают из океана в атмосферу.

Очень много внимания уделял этим процессам академик В. В. Шулейкин. За последние годы интересная работа была выполнена американским ученым Дж. Бьеркнесом, который установил, что малый ледниковый период, имевший место в XVII—XIX вв., по-видимому, объяснялся тем, что в северо-восточной части Атлантики вода была аномально холодной, а в Саргассовом море аномально теплой. Наблюдалась ослабленная циркуляция атмосферы зимой. Вникая в механизм воздействия океана на атмосферу, можно найти ключ к объяснению колебаний климата, вначале с непродолжительными периодами — в полвека, затем — в несколько веков, и в конце концов мы подойдем к причинам возникновения ледниковых периодов.

Надо сказать, что в настоящее время предлагается много гипотез о возникновении ледниковых периодов, но науке еще предстоит решить эту проблему.

Площадь Мирового океана составляет 361 миллион квадратных километров, что равно 71 проценту от всей поверхности Земного шара (150 млн.км 2 ). Мировой океан – это непрерывное водное пространство, не имеющее естественного деления.

Но поскольку материки разбивают Мировой океан на несколько больших частей, география выделяет как самостоятельные водные бассейны четыре океана: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Многие страны предлагают восстановить южные воды Тихого, Атлантического и Индийского океанов, омывающие Антарктиду, в статусе Южного океана, который официально признавался до 30-х годов ХХ века.

Земная суша выглядит как ряд крупных островов – массивов в безбрежных водах океана. Самые протяжённые участки суши находятся в Северном полушарии, а самые обширные акватории океанов – в Южном полушарии.

Весь Земной шар невидимым слоем покрывает атмосфера – его воздушная оболочка. Как она появилась? На этот вопрос с полной определённостью ответить невозможно. Существует несколько гипотез. По теории академика О.Ю. Шмидта, земля возникла из гигантского облака космической пыли. Из частиц этого облака постепенно выделились газы, образовавшие первичную атмосферу.

Позднее лёгкие газы улетучились в космос. Считается, что в современную эпоху газы попадают в атмосферу главным образом при извержении вулканов. Химический состав земной атмосферы с течением времени менялся под влиянием химических реакций в поверхностном слое земной коры, биологических факторов и ультрафиолетовой солнечной радиации. В настоящее время на состав атмосферы определяющее влияние оказывают растительный мир суши и океана, а также хозяйственная деятельность человечества. Процесс формирования атмосферы, начавшись несколько миллиардов лет назад, продолжается и по сей день.

В нижних слоях атмосферы воздух состоит из азота (78%) и кислорода (21%). Имеются также инертные газы, водород и углекислый газ, в сумме составляющие около 1% объёма.

Совместное изучение океана и атмосферы.

Выделяются два основных вида взаимодействий океана и атмосферы: термическое и динамическое, хотя, строго говоря, разделить эти два вида взаимодействия не всегда возможно.

Океанологи и метеорологи, исходя из неразрывной связи между океаном и атмосферой, изучают их совместно. Как писал профессор А.М. Гусев, теперь уже всем ясно, что нет отдельных физики океана и физики атмосферы, а есть физика взаимодействующих сред. Однако развитие физической науки, накопление более глубоких знаний о каждой из сфер неизбежно привело к разделению метеорологии на ряд отдельных отраслей. Одна из них – физика атмосферы, в которой основным предметом исследования является физический механизм атмосферных процессов и явлений. Конкретно физика атмосферы изучает термодинамические процессы, состав, строение, образование облаков, туманов, зарождение и прохождение циклонов и антициклонов. Изучение последних двух явлений исключительно важно с практической точки зрения, подобно тому, как в современной физической океанологии главной проблемой является изучение течений.

Практические потребности общества привели к появлению целого ряда прикладных отраслей метеорологии: авиационной метеорологии, агрометеорологии, биометеорологии (влияние атмосферных процессов на человека и другие живые организмы), радиометеорологии (изучение распространения радиоволн в атмосфере) и другие.

Рассмотрим кратко, что представляет собой земная атмосфера. Чёткой верхней границы атмосферы не существует, она плавно переходит в межпланетное пространство. Лишь условно принято считать, что граница атмосферы проходит на высоте 1000–1200 км , где ещё иногда наблюдаются полярные сияния. Достаточно сложно установить глубину, точнее, высоту проникновения атмосферы в космос. Измерения при помощи аппаратуры спутников показывают, что плотность атмосферы приближается к плотности межпланетной среды, начиная с высот 2–3 тысячи км. Автоматические межпланетные станции обнаруживали следы атмосферы на высоте более 20 тыс.км. Как предполагают учёные, земная атмосфера переходит в солнечную на высоте 60–100 тыс.км, где солнечная атмосфера сильно разрежена и имеет температуру около 100 тыс.°C. На таких высотах существует явление, называемое ускольза́нием атмосферы. Оно состоит в том, что молекулы и атомы атмосферных газов, находясь в сильно разрежённом пространстве, реже сталкиваются друг с другом и могут свободно уйти в космос.

Масса земной атмосферы приблизительно равна 5,27×10 18 кг . Основная часть этой массы сосредоточена в относительно тонком приземном слое.

Пять сфер атмосферы

Все метеорологические факторы быстро меняются в пространстве, особенно в вертикальном направлении. Атмосферу можно разделить на несколько слоёв, или сфер. Всемирная метеорологическая организация по характеру распределения температуры выделяет пять сфер: тропосфера (до 11 км), стратосфера (от 11 до 50–55 км ), мезосфера (от 50–55 до 80–85 км ), термосфера (от 80–85 до 800 км ), экзосфера (выше 800 км).

Между тропосферой и стратосферой находится слой толщиной от нескольких сотен метров до 1–2 км, который называют тропопаузой. В этом слое образуются узкие и очень мощные воздушные потоки со скоростями 150–300 км/ч. Это так называемые струйные течения. Стратосфера, лежащая выше, характеризуется вначале (до высоты 35 км) очень медленным ростом температуры, а затем более быстрым, и на верхней границе достигает среднегодового значения около нуля градусов. Колебания температуры здесь в зависимости от сезона и высоты довольно значительны.

В стратосфере облака не образуются, потому что здесь уже почти нет водяного пара. Но иногда на высоте 20-25 км можно наблюдать так называемые перламутровые облака. Это означает, что и на такой высоте в стратосфере имеют место интенсивная циркуляция и вертикальные перемещения воздуха. Эти процессы фиксируются радиометрическими приборами.

За стратосферой следует мезосфера. Ей также предшествует ещё недостаточно полно изученный промежуточный слой, называемый стратопаузой. В мезосфере по мере роста высоты температура падает до минус 70 – 80°С. Скорость ветра здесь достигает 150 м/с. Предполагается, что в мезосфере происходит интенсивное турбулентное движение. Выше находится промежуточный слой – мезопауза. В этом слое наблюдаются серебристые облака. На высоте 150 км. температура равна примерно 200–240°K, а на высоте 200 км. – 500°K.

В термосфере температура с высотой возрастает и на её верхней границе (около 800 км) превышает 1000°K. K – кинетическая температура газа (воздуха), доступная для непосредственного измерения. Переход от шкалы Цельсия к шкале Кельвина: TK=273,15+t°C.

Самый верхний и самый резреженный слой атмосферы – экзосфера представляет собой слой рассеяния, постепенно переходящий в межпланетное пространство. Температура здесь ещё более высокая – достигает 2000°K. молекулы газов в экзосфере движутся с огромными скоростями, почти не сталкиваясь друг с другом.

Поясним, что представляют собой перламутровые и серебристые облака. Перламутровые – это очень тонкие, просвечивающиеся облака, образующиеся в стратосфере на высоте от 17 до 32 км. В сумерки вблизи Солнца они представляют красочное зрелище, окрашиваясь в радужные цвета: красно-золотистый, зелёный, лилово-розовый. Днём расцветка облаков бледнеет. Чаще всего перламутровые облака наблюдаются зимой в горных районах при очень низкой температуре стратосферы (ниже минус 80°). Иногда эти облака появляются и над океаном.

Серебристые облака образуются на высотах в пределах 65–95 км. Они очень тонкие, и днём их не видно. Эти облака светятся ночью рассеянным светом Солнца. Цвет их соответствует названию – они серебристые, с голубоватым оттенком. Появляются серебристые облака в определенных широтных поясах – в основном между 46°– 71° с.ш. и 40°– 60° ю.ш. , чаще летом. Определенной закономерности в их появлении не существует: бывают годы, когда их много, а бывает, что они в течение одного–двух лет не наблюдаются совсем.

26.2. Характер и масштабы взаимодействия океана и атмосферы.

Знания характера взаимодействия океана и атмосферы имеют большое теоретическое и познавательное значение. Не в меньшей мере эти знания необходимы для чисто практического применения и, прежде всего, для обеспечения безопасности и наибольшей экономичности мореплавания и полётов авиации, для подготовки краткосрочных и долгосрочных прогнозов погоды, а также для эффективной эксплуатации биологических, минеральных и энергетических ресурсов океана. Примером может служить разработанная советскими океанологами и широко применяемая система обслуживания судов, находящихся в открытом океане, рекомендованными курсами. Сущность этого обслуживания заключается в том, что на основе учёта реально сложившейся метеорологической обстановки и её прогноза судам сообщаются наиболее выгодные, оптимальные курсы их движения. Нам кажется, что кратчайший курс и есть самый выгодный. Но в действительности это не всегда так. В океане приходится отклоняться от наикратчайшего пути и прокладывать курс в обход больших встречных волн или сильных ветров, которые заметно снижают скорость судна. Таким образом, несмотря на удлинение пути, скорость выигрывается, и в порт назначения суда приходят раньше.

А вот пример, показывающий важность знания океанских течений в навигации. Встречное течение задерживает движение судна, боковое – сбивает его с курса, что может привести к опасным ситуациям; попутное течение благоприятствует движению вперёд. Поэтому каждый судоводитель должен иметь на борту таблицы приливно-отливных течений в прибрежных районах и карты течений в открытом океане, которые составляются по средним характеристикам.

Если говорить о том, что первично в определении процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера, то нужно отметить, что в тепловом взаимодействии активнее океан, накапливающий огромные запасы тепла, а в динамическом более активна атмосфера благодаря большей подвижности. Конечно, существует и обратная связь. Энергия движущихся масс воздуха передаётся воде, вызывая волны и морские течения. А это, в свою очередь, ведёт к изменению турбулентности в пограничных слоях воздуха. Для мелкомасштабных процессов пограничными слоями считают высоту и глубину в интервале 10–20 м, площадь – до 100 м² и продолжительность – несколько минут. В этих рамках происходит обмен энергией и веществом через пограничные поверхности.

Среднемасштабные взаимодействия происходят в пространстве от десятков метров до нескольких километров, а их продолжительность составляет от нескольких часов до суток. В этом масштабе происходят волновые процессы в пограничных слоях приливного и инерционного происхождения и суточные колебания температуры. Примерами среднемасштабных процессов в атмосфере служат циклоны и антициклоны, бризы над морскими побережьями. В океане – это колебания уровня, вызванные метеорологическими факторами.

Читайте также: