© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

26.1. Основные сведения об атмосфере.

Площадь Мирового океана составляет 361 миллион квадратных километров, что равно 71 проценту от всей поверхности Земного шара (150 млн.км²). 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.

С са́мого момента возникновения двух стихий – океана и атмосферы – они постоянно взаимодействуют, обмениваются энергией, теплом, веществом. Выявление взаимосвязей и их изменений в системе «океан-атмосфера» являются одним из важнейших направлений исследований в океанологии и метеорологии.

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 5,27×10¹⁸ 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).

Высота тропосферы непостоянна и зависит от географической широты места, времени года, циркуляции. Граница тропосферы на одной и той же широте выше летом и ниже зимой. В умеренных широтах мощность тропосферы составляет 9–12 км, у полюсо́в она меньше, порядка 8–10 км, а ближе к экватору больше – 16–18 км. Воздух в тропосфере движется и в горизонтальном, и вертикальном направлениях, а также постоянно перемешивается. Слово «тропос» означает по-гречески «вращение, перемешивание». Именно в тропосфере образуются облака, так как здесь сосредоточена основная масса водяного пара, выпадают осадки и происходят другие метеорологические процессы. С увеличением высоты температура в тропосфере убывает – на каждые 100 метров более чем на полградуса. На верхней границе тропосферы средняя годовая температура в умеренных широтах равна минус 50–60 градусов, над экватором – около минус 70°, над Северным полюсом зимой – минус 65°, летом – минус 47°.

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.

К крупномасштабному, или глобальному, взаимодействию океана и атмосферы относят явления, происходящие на пространстве в тысячи километров, соизмеримом с размерами полушария и всей планеты, в течение сезона, года, ряда лет. Сюда относятся процессы в масштабе всей системы «океан-атмосфера», связанные с изменением теплового баланса, влагооборота, резкие изменения хода климатических явлений (внутривековые и межгодовые), а также длительные аномалии погоды. В океане – это длиннопериодные колебания температуры поверхностного слоя, глобальные перемещения главных океанических течений.