Астапенко П.Д. Вопросы о погоде

Подождите немного. Документ загружается.

нию температуры почвы днем на 6—9°С и снижению

затрат тепла на испарение на 10—15%.

13. 23. Зачем производится дефолиация растений?

Досрочное сбрасывание листьев растениями — дефо-

лиация, вызываемая искусственно путем применения хи-

мических веществ, призвана изменить тепловой и радиа-

ционный режим поля. Например, прогрев почвы под хлоп-

чатником после дефолиации резко возрастает, так как

поглощение растениями радиации уменьшается втрое,

кроме того, увеличивается температура надпочвенного слоя

воздуха, что способствует ускорению раскрытия коробочек

хлопчатника.

13. 24. Каков метеорологический эффект насаждения

лесных полос?

Лесные полосы уменьшают скорость ветра на 20—

60% и способствуют повышению температуры воздуха

в межполосном пространстве и температуры почвы у расте-

ний на 1—2°С. Кроме того, в межполосном простран-

стве увеличивается влажность воздуха, снижается испа-

ряемость. За счет задержания осадков лесополосы обеспе-

чивают дополнительное увлажнение полей на 20—40 мм

год.

13. 25. Как

влияет подъем культуры земледелия на за-

висимость сельского хозяйства от климата и погоды?

В целом с прогрессом науки и техники эта зависимость

уменьшается, но взаимосвязь между урожайностью и

метеорологическими условиями сохраняется. Условия

погоды сильнее всего сказываются на урожайности интен-

сивно развивающихся растений, имеющих высокий уро-

вень обмена веществ и энергии. Новые высокопродуктив-

ные сорта культурных растений обладают повышенной

чувствительностью к условиям среды и нуждаются в мак-

симальной оптимизации водного, воздушного, теплового

и пищевого режимов.

ПОГОДА

И МИРОВОЙ ОКЕАН

Мировой океан представля-

ет собой не только колоссальный резервуар воды, но и

огромное хранилище запасов тепла, постоянно поступа-

ющего в атмосферу и тем самым определяющего условия

погоды на Земле. Кроме того, океанская вода — актив-

нейший поглотитель углекислого газа, содержащегося

в атмосферном воздухе, и место обитания бесчисленного

количества микроскопических водорослей, вносящих

большой вклад в снабжение земной атмосферы кислородом

(путем фотосинтеза). Следовательно, Мировой океан вы-

полняет функции легких нашей планеты, способствует

сохранению постоянного состава воздуха. Наконец, на

поверхности Мирового океана в полярных областях Земли

находятся морские льды, площадь которых составляет

от 14 до 28 млн. км

и подвержена значительным колеба-

ниям в зависимости от сезона и состояния самого океана.

В результате весь механизм атмосферной циркуляции,

а следовательно и формирования земного климата и усло-

вий погоды, самым тесным образом связан с Мировым

океаном. Колебания теплозапасов в любом из пяти океа-

нов Земли, изменения интенсивности океанских тече-

ний, размеров площади морских льдов — все это неиз-

бежно влечет за собой крупномасштабные изменения

погоды, длительное время — на протяжении нескольких

сезонов, а то и лет — ощущающиеся в тех или иных геог-

рафических регионах. Поэтому изучение взаимодейст-

вия океана и атмосферы — одна из самых важных задач

современной метеорологии и родственных ей наук. От

успеха решения этой задачи зависит и возможность ре-

шения одной из самых трудных научных проблем на-

шего времени — проблемы долгосрочного предсказания

погоды.

Академик Л. М. Бреховских называет сумму проблем,

связанных с изучением океана, вызовом науке. Так велико

количество требующих решения научных вопросов и так

велико их значение для человечества в целом. Немалое

место среди этих вопросов принадлежит метеорологии.

Некоторые из них мы рассмотрим в этой главе.

14. 1. Чем объясняется настойчивое стремление ме-

теорологов ввести в задачу долгосрочного прогноза

погоды учет состояния океанов?

Поскольку тепловые запасы атмосферы относительно

невелики, то невелика и так называемая тепловая память

атмосферы, то есть влияние ее текущего состояния на

будущее состояние. Влияние это ограничивается 10 —

20 днями. Отсюда все трудности составления долгосрочных

прогнозов погоды на основе анализа характеристик атмо-

сферы в исходный момент времени.

Большие тепловые запасы океана обусловливают его

большую тепловую память и способность, отдавая тепло

атмосфере, длительно влиять на распространение в ней

температуры, влажности и т. п. Вот поэтому идея исполь-

зования данных о колебаниях теплозапасов вод океана для

прогноза колебания состояния атмосферы в различные

сезоны представляется перспективной и усиленно разраба-

тывается метеорологами в долгосрочном плане.

14. 2. Насколько велики теплозапасы Мирового океана

по сравнению с земной атмосферой?

Теплозапасы Мирового океана на три порядка превы-

шают теплозапасы земной атмосферы: соотношение между

ними составляет приблизительно 1600: 1. Это объясняется

как большей массой и большей плотностью вод океана

по сравнению с воздухом атмосферы, так и значительно

большей теплоемкостью воды. Относительно малые тепло-

вые запасы атмосферы обусловливают и меньшую ее

способность сохранять неизменным свое состояние, то есть

большую изменчивость во времени ее основных характе-

ристик, или, другими словами, большую нестабильность.

Инерция в развитии процессов в водах океана в десятки

раз большая, чем в воздухе атмосферы.

Соответственно и влияние атмосферы на состояние

воды в океанах менее устойчиво и менее значительно, чем

влияние океана на состояние атмосферы.

14. 3. Сколько тепла отдает океан атмосфере на раз-

ных широтах?

Средний годовой радиационный поток тепла с поверх-

ности океана в атмосферу, согласно расчетам, выполнен-

ным норвежским ученым X. Свердрупом (1942), состав-

ляет от 1150 Дж/(сут • см

) в экваториальной области до

418 Дж/(сут • см

) на широте 60°. Суммарное количество

тепла, переносимое из океана в атмосферу в низких широ-

тах, круглый год остается примерно одинаковым, а по

широте 60° оно колеблется от 850—1250 Дж/(сут • см

)

зимой до 0—200 Дж/ (сут • см

) летом.

В течение года отдача тепла теплыми океаническими

течениями в атмосферу превышает поступление радиа-

ционного тепла.

14. 4. Насколько значительно влияние океана на тем-

пературный режим атмосферы?

Мировой океан является устойчиво работающим на-

гревателем земной атмосферы. Его поверхность отражает

незначительную часть падающих на Землю солнечных

лучей, большая же часть солнечного тепла поглощается

водой океана. Запасая летом тепло, океан постепенно

отдает его атмосфере в холодную часть года. Это происхо-

дит многими путями: он нагревает воздух непосредственно

над своей поверхностью, излучает тепло, поглощаемое

содержащимся в воздухе водяным паром и углекислым

газом, отдает тепло на испарение воды, пары которой

затем при конденсации нагревают воздух, и, наконец,

выделяет тепло в воздух вместе с мельчайшими каплями

водяных брызг, уносимых ветром с его поверхности при

волнении. Конечно, с атмосферным воздухом взаимодей-

ствует, нагревая его, не вся толща воды океана, а лишь его

поверхностный слой. Реальное значение имеют изменения

температуры воды на поверхности океана на десятые доли

градуса.

14. 5. Насколько прогревается вода в океане солнеч-

ными лучами?

Солнечные лучи существенно прогревают только верх-

ний слой океана толщиной всего в несколько метров.

Нагретая вода не опускается вниз, будучи по удельному

весу легче холодной глубинной. Перемешивание воды при

волнении моря в какой-то степени способствует распрост-

ранению тепла от верхних слоев к нижним. Так, в тропи-

ческих морях верхний слой воды может иметь температуру

выше 25°С (над отдельными участками океана даже

выше 28°С), а на глубине 1 км температура воды не пре-

вышает 5°С. Ученые и инженеры работают над проблемой

использования этой постоянной разности температур в

качестве источника энергии.

14. 6. Каковы

колебания температуры воды в Мировом

океане?

Самая высокая температура поверхности воды в

океане — вблизи экватора: 28°С. Здесь же она испытывает

наименьшие колебания в течение года, всего в преде-

лах 2, 2—2, 4°С. В замкнутых морях и низких широтах

температура может достигать 32°С. Минимальная темпера-

тура поверхности океана — в полярных районах, у кромки

морских льдов, где в зависимости от солености воды она

колеблется от —1, 5 до —1, 9°С. Годовая амплитуда изме-

нений температуры воды в океанах в умеренных широтах

северного полушария превышает 10°С, а в южном полу-

шарии 5°С. Сезонные колебания температуры воды в

океане ощущаются как значительные до глубины 100 м,

то есть в поверхностном слое, в котором режим температу-

ры определяется тепловым балансом на поверхности воды.

На глубине около 200 м годовые колебания температуры

воды невелики, они составляют несколько градусов и

происходят с полугодовым запаздыванием; минимальная

температура наблюдается в конце лета.

14. 7. Какова роль Мирового океана в регулировании

содержания СО

в атмосферном воздухе?

По данным, полученным в период МГГ (1957/58),

средняя концентрация CO

в атмосферном воздухе рав-

на 314, 5 • 10

-3

, а в отдельных регионах ее колебания

составляют около 6 • 10

-6

(шесть частей на миллион).

Ежегодное увеличение концентрации углекислого газа

в воздухе в начале 60-х годов оценивалось в 0, 72 • 10

-6

что составляет примерно половину поступления его в

атмосферу от сгорания ископаемого топлива. Вторая

половина поглощается растительными организмами в ходе

процессов фотосинтеза, при этом более 5/6 поглощения

происходит на поверхности Мирового океана и только

около 1/6 — на суше.

14. 8. Куда девается поглощаемый из воздуха мор-

скими растениями углекислый газ?

Углекислый газ диффундирует в морскую воду и раст-

воряется в ней с той же скоростью, с какой ее усваивают

из морской воды микроскопические водоросли, развива-

ющиеся в верхних слоях океана, где солнечного света

достаточно для осуществления фотосинтеза. Поедаемые

морскими животными растения, как и некоторая часть

отмирающих водорослей, в последующем превращаются

в оседающие на дно известковые отложения — соли уголь-

ной кислоты.

14. 9. Как образуется морской лед?

Образование морского льда начинается с появления

ледяных кристаллов, возникающих как на поверхности

моря, так и в толще воды, когда температура воды при

обычной ее солености 35‰ падает до —1, 91° С. Между

кристаллами сохраняются незамерзшие капли рассола,

имеющие большую плотность и более низкую температуру

замерзания. Всплывая, кристаллы образуют на поверхно-

сти моря сперва тонкую ледяную корку, которая постепен-

но становится толще, нарастая снизу. Подо льдом происхо-

дит процесс перемешивания — погружение более плотной,

охлажденной у его поверхности воды и подъем воды менее

плотной, относительно теплой. Таким образом, с момента

достижения температуры замерзания на поверхности

моря в толще морской воды возникает механизм конвек-

ции, способствующий теплообмену в поверхностном слое

моря. Важное значение имеет при этом тот факт, что

наибольшую плотность соленая морская вода имеет при

температуре ниже температуры ее замерзания на поверх-

ности (в отличие от пресной воды, плотность которой

наибольшая при 4°С, то есть при положительной темпе-

ратуре).

Решающую роль в этих процессах играет изменение

солености воды с глубиной. Если соленость воды с глуби-

ной не изменяется, то образование льда может начаться

только после охлаждения до точки замерзания всей толщи

воды, до самого дна: конвекция в однородно соленой воде

начнется сразу же после охлаждения поверхности воды

и не прекратится до тех пор, пока на всех глубинах темпе-

ратура воды не достигнет минимального значения. Други-

ми словами, в тех местах океана, где соленость воды с глу-

биной не меняется, образование льда невозможно. Иная

картина на тех участках океана, где верхний слой распрес-

нен и соленость воды с глубиной быстро возрастает: здесь

перемешивание вод по глубине затруднено, поступление

тепла из глубин океана невелико и тонкий верхний слой

воды, отдав свои запасы тепла в атмосферу, неизбежно

замерзает. Отсюда повсеместное распространение морских

льдов на поверхности Северного Ледовитого океана, верх-

ний слой вод которого распреснен и быстро охлаждается,

тогда как глубинные, более соленые и относительно теплые

его воды, поступающие из Атлантики, не будучи вовлечен-

ными в процесс конвективного перемешивания с поверхно-

стными водами, не отдают свое тепло и, таким образом,

не препятствуют образованию морских льдов.

14. 10. Чем определяется толщина морского льда?

Скорость нарастания морского льда зависит от темпе-

ратуры его поверхности, толщины снежного покрова на

нем и интенсивности потока тепла из подстилающего

слоя воды. Для условий Арктики советский ученый

Н. Н. Зубов получил формулу для расчета толщины

морского льда h (м):

где h — конечная толщина морского льда; h

— начальная

толщина морского льда; F — сумма градусо-дней рас-

сматриваемого морозного периода.

В Арктике F = 7000... 8000 в год, и в районах, где

к концу лета лед стаивает, толщина сезонного ледяного

покрова составляет примерно 2 м. Многолетний лед в

Центральной Арктике достигает равновесной толщи-

ны (3—4 м) в возрасте 5—8 лет, когда годовой прирост

становится равным летнему сезонному стаиванию (абля-

ции). Антарктические морские льды — по преимуществу

сезонные, однолетние, толщиной около 1, 5 м. Многолетние

льды в Антарктике встречаются редко (в основном узкой

полосой в море Уэдделла).

14. 11. Каковы

скорость и направление дрейфа морских

льдов?

Она составляет примерно 1/50 скорости ветра на высо-

те 2 м над поверхностью воды. Направление дрейфа льдов

соответствует теоретическому направлению ветра при от-

сутствии влияния трения, то есть приблизительно под

углом 45° вправо от действительного направления ветра

(в южном полушарии — под тем же углом влево).

14. 12. При каких условиях погоды возникают самые

высокие волны на море?

Волнение моря является функцией скорости ветра,

длины разгона волн и промежутка времени, в течение

которого дует ветер. Таким образом, наибольшие волны

возникают над участками поверхности океана, где градиен-

ты атмосферного давления (его изменение на единицу

68. Выпуск радиозонда с палубы

судна в океане. Фото И. Цигель-

ницкого

расстояния в горизонтальном направлении) максималь-

ные, то есть в глубоких длительно существующих цикло-

нах. Широкую известность у моряков получили открытые

пространства Южного океана между 40 и 60-й паралле-

лями. Здесь высота волн достигает 15 и даже более 20 м

и волнение океана носит очень устойчивый характер, оно

практически никогда не прекращается, не стесняемое

континентами и крупными островами, поскольку в южном

полушарии вообще суши мало. Славится высокими волна-

ми и северная часть Тихого океана, хотя волнения там

не столь постоянны, как на южных участках Индийского,

Тихого и Атлантического океанов (которые теперь принято

обобщенно называть Южным океаном). В литературе есть

указания на случаи волн в океане высотой более 30 м,

но, по-видимому, это были волны иной природы.

Все сказанное выше о волнении на море относится

к явлениям, по своей природе метеорологическим, и не

распространяется на волны типа цунами, вызываемые

подвижками земной коры, то есть имеющими совсем иное

происхождение. Такие волны могут достигать высо-

ты

32-35

м.

14. 13. Существует ли связь между морскими тече-

ниями и режимом ветра?

Безусловно, существует, хотя она далеко не всегда явно

выражена. Есть в океане мощные течения, направленные

почти точно в соответствии с направлением преоблада-

ющих ветров (как, например, Гольфстрим в Атлантике,

теплые воды которого устремляются с юго-запада на се-

веро-восток вдоль «дороги циклонов», следующих от бере-

гов Северной Америки к берегам Северной Европы). Од-

нако есть и такие течения, воды которых перемещаются

не строго в соответствии с направлением преобладающих

ветров (например, холодное Лабрадорское течение или

течения в проливах Босфор, Дарданеллы, в Керченском

проливе).

Закономерность соответствия поверхностных течений

в океанах направлению движения воздуха в нижней тро-

посфере заметна и в низких, и в высоких широтах. В Тихом

океане по обе стороны от экватора с востока на запад

направлены течения, связанные с пассатами обоих полу-

шарий. В Ледовитом океане арктические льды дрейфуют

вдоль изобар на средних картах давления, то есть в направ-

лении преобладающих ветров. Следует при этом иметь в

виду, что скорости движения воды и воздуха существенно

различны; количество движения в океане в 230 раз меньше,

чем в атмосфере. Кроме того, приводя в движение воды

океана, атмосфера испытывает обратное влияние океана

на состояние воздуха над его поверхностью, в том числе

и на режим ветра.

14. 14. Соответствует ли направление течения Гольф-

стрим направлению ветров над Атлантикой?

В целом примерно соответствует. Течение Гольфстрим

направлено приблизительно параллельно изобарам сред-

него поля атмосферного давления над Атлантикой. Однако

местами на направление течения влияет рельеф дна океана.

14. 15. Какова температура воды в Гольфстриме?

Температура воды в Гольфстриме у берегов Флориды

на поверхности океана около 26°С, в пределах Саргассова

моря она лишь на несколько градусов выше температуры

воды на соседних с течением участках океана. По мере

продвижения на север и северо-восток температура Гольф-

стрима постепенно понижается, но остается достаточно

высокой по сравнению с температурой океана вне этого

течения. Так, в апреле на широте северного полярного

круга в центральном участке течения она равна 20°С,

тогда как в нескольких сотнях километров к западу она

всего на несколько градусов выше нуля, а еще западнее

уже находится кромка полярных льдов Гренландского

моря. Скорость течения составляет примерно 7 км/ч,

ширина стрежня течения в створе мыса Хаттерас —

около 100 км.

14. 16. Чем объясняется бурный характер Баренцева

моря?

Баренцево море считается одним из самых штормовых

в мире. На его акватории проходит граница очень контраст-

ных воздушных масс, проникающих сюда из Западной

Атлантики — теплых и влажных и из Центральной

Арктики — очень холодных и относительно сухих. Это

делает все атмосферные фронты над Баренцевым морем

очень активными, циклоническую деятельность — весьма

интенсивной, с глубокими циклонами и большими градиен-

тами давления, порождающими сильные ветры и волнение

(высотой более 3, 5 м).

14. 17. Что такое след тайфуна в океане?

Тропические циклоны, среди которых видное место

занимают тайфуны западной части Тихого океана, остав-

ляют за собой след не только на поверхности океана,

но и в толще воды, до глубины примерно полукилометра,

причем сохраняется он в течение нескольких недель. След

этот незаметен для человеческого глаза, но хорошо вы-

ражен в инструментальных измерениях состояния оке-

анской воды, и прежде всего — ее температуры. Дело в

том, что вдоль пути следования тропического циклона

происходит интенсивное испарение воды — тайфуны и

ураганы черпают свою энергию с сильно нагретой поверх-

ности океана. На процесс испарения затрачивается зна-

чительное количество тепла, которое затем отдается воз-

духу при конденсации поднимающегося вверх водяного

пара в виде теплоты конденсации. Вода же в океане при

этом охлаждается. Ветер и волны, поднятые тропиче-

ским циклоном, усиливают эффект охлаждения поверх-

ностных вод, перемешивая более глубокие и холодные

воды с поверхностными. По данным советских океано-

логов, наблюдавших тайфун Элла в Тихом океане, когда

тайфун прошел над полигоном автоматических буйковых

станций, то в полосе шириной несколько больше 100 км

(соответствующей размерам тайфуна) температура воды

понизилась на 2°С, а по обе стороны от этой полосы —

повысилась в среднем на 3°С. Остается добавить, что

такого рода следы оставляют за собой не только тайфуны,

но и другие тропические циклоны. Детально изучить

это явление впервые удалось в тайфуне, путь которого

пришелся на район океанологических исследований со-

ветского научно-исследовательского судна «Академик

Курчатов».