Кіріспе
Физикалық океанография – мұхит ішіндегі физикалық жағдайлар мен процестерді, әсіресе мұхит суларының қозғалысын және физикалық қасиеттерін зерттейтін ғылым. Физикалық океанография – океанографияның негізгі салаларының бірі. Басқа салаларға биологиялық, химиялық және геологиялық океанография жатады. Физикалық океанография сипаттамалық және динамикалық физикалық океанографияға бөлінеді. Сипаттамалық физикалық океанография мұхитты бақылаулар мен күрделі сандық модельдер арқылы зерттейді, бұл модельдер судың қозғалысын мүмкіндігінше дәл сипаттайды. Динамикалық физикалық океанография сұйықтықтардың қозғалысын басқаратын процестерге, теориялық зерттеулерге және сандық модельдерге баса назар аударады. Бұл геофизикалық сұйықтық динамикасының (ГФД) метеорологиямен байланысты үлкен саласының бір бөлігі. ГФД – сұйықтық динамикасының тармағы, ол Кориолис күшінің ықпалымен кеңістік пен уақыт бойынша үлкен масштабта жүретін ағындарды сипаттайды.
Physical oceanography is the study of physical conditions and physical processes within the ocean, especially the motions and physical properties of ocean waters. Physical oceanography is one of several sub domains into which oceanography is divided. Others include biological, chemical and geological oceanography. Physical oceanography may be subdivided into descriptive and dynamical physical oceanography. Descriptive physical oceanography seeks to research the ocean through observations and complex numerical models, which describe the fluid motions as precisely as possible. Dynamical physical oceanography focuses primarily upon the processes that govern the motion of fluids with emphasis upon theoretical research and numerical models. These are part of the large field of Geophysical Fluid Dynamics (GFD) that is shared together with meteorology. GFD is a sub field of Fluid dynamics describing flows occurring on spatial and temporal scales that are greatly influenced by the Coriolis force.
Физикалық жағдай
Жер бетіндегі судың шамамен 97% мұхиттарда орналасқан, ал мұхиттар атмосферада конденсацияланып, құрлықтарға жаңбыр немесе қар түрінде түсетін су буының басым бөлігінің көзі болып табылады. Мұхиттың үлкен жылу сыйымдылығы планетаның климатын жақсартады, ал түрлі газдарды сіңіруі атмосфераның құрамына әсер етеді. Температураның тік құрылымын үш негізгі қабатқа бөлуге болады: төмен градиенттері бар беттік аралас қабат, жоғары градиенттері бар термоклин және нашар қабатталған терең қабат. Температура тұрғысынан, мұхиттың қабаттары ендікке күрт тәуелді; термоклин тропиктерде жақсы байқалады, бірақ полярлық суларда жоқ (Маршак 2001). Галоклин әдетте бетке жақын орналасқан, онда булану тропиктерде тұздылықты арттырады, ал еріген су полярлық аймақтарда оны азайтады. Бетте сіңірілген күн сәулесінің мөлшері ендікке байланысты күрт өзгереді, экваторда полюстерге қарағанда жоғары болады, бұл атмосфера мен мұхиттың екеуінде де жылуды экватордан полюстерге қайта бөлуге қатысатын сұйық қозғалысты тудырады, осылайша сұйық қозғалысы болмаған жағдайда пайда болатын температура градиенттерін азайтады. Осы жылудың үштен екі бөлігі атмосфера арқылы, ал қалғаны мұхит арқылы тасымалданады. Атмосфера төменнен қыздырылады, бұл конвекцияға алып келеді, оның ең ірі көрінісі Хэдли айналымы болып табылады. Керісінше, мұхит жоғарыдан қыздырылады, бұл конвекцияны басады. Оның орнына, мұхиттың терең сулары полярлық аймақтарда қалыптасады, онда суық, тұзды сулар салыстырмалы түрде шектеулі аумақтарда батып кетеді. Бұл термохалиндік айналымның басталуы. Мұхит ағымдары көбінесе беткі желдің күшімен қозғалады; сондықтан кең ауқымды атмосфералық айналым мұхит айналымын түсіну үшін маңызды. Хэдли айналымы тропиктерде шығыс желдеріне, ал орта ендіктерде батыс желдеріне әкеледі. Бұл көптеген субтропикалық мұхит алабында экваторға қарай баяу ағысқа алып келеді (Свердруп тепе-теңдігі). Қайта ағын қарқынды, тар, полюске қарай бағытталған батыс шекара ағыны арқылы жүзеге асырылады. Атмосфера сияқты, мұхиттың ені тереңдігінен әлдеқайда артық, сондықтан көлденең қозғалыс көбінесе тік қозғалыстан гөрі жылдамырақ болады. Оңтүстік жарты шарда мұхиттың үздіксіз белдеуі бар, сондықтан орта ендіктегі батыс желдері күшті Антарктика айналмалы ағымын күшейтеді. Солтүстік жарты шарда құрлық мұны болдырмайды және мұхит айналымы Атлант және Тынық мұхит бассейндерінде кішігірім айналымдарға бөлінеді.
Кориолис эффектісі
Кориолис эффекті сұйық ағындарының ауытқуына себеп болады (Солтүстік жарты шардан оңға, ал Оңтүстік жарты шардан солға). Бұл мұхит ағыстарына зор әсер етеді. Атап айтқанда, бұл ағын жоғары және төмен қысым жүйелерінің айналасынан өтіп, олардың ұзақ мерзімге сақталуына жағдай жасайды. Соның салдарынан, қысымдағы шағын өзгерістер де өлшенетін ағыстарды тудырады. Мысалы, теңіз беті биіктігіндегі миллионнан бір бөлік болатын еңіс орташа ендіктерде 10 см/с ағысқа алып келеді. Кориолис эффектісінің полюстерде күшті, ал экваторда әлсіз болуы, шығыс шекараларында кездеспейтін, батыс шекараларында өткір және салыстырмалы түрде тұрақты ағыстардың пайда болуына әкеледі. Сондай-ақ, екіншілік айналым әсерлерін қараңыз.
Экман көліктері
Экман тасымалы нәтижесінде, солтүстік жарты шарда судың беттік қабаты жел бағытынан 90 градусқа оңға, ал оңтүстік жарты шарда 90 градусқа солға қарай тасымалданады. Жел мұхит бетінен соққанда, ол судың жұқа қабатын "ұстап" алады. Бұл жұқа су қабаты өз кезегінде қозғалыс энергиясын төмендегі су қабатына жеткізеді, осылайша бұл процесс жалғаса береді. Дегенмен, Кориолис күшінің әсерінен су қабаттарының қозғалыс бағыты солтүстік жарты шарда тереңдейген сайын оңға қарай, ал оңтүстік жарты шарда солға қарай баяу жылжиды. Көбінесе, желдің әсеріне ұшыраған судың ең төменгі қабаты 100-150 метр тереңдікте орналасқан және жел соққан бағытқа толыққандай қарсы, шамамен 180 градусқа қарай қозғалады. Жалпы алғанда, судың таза тасымалы желдің бастапқы бағытынан 90 градусқа бұрылады.
Лангмуир айналымы
Лангмуир айналымы мұхит бетінде жел соғатын бағытқа параллель, жел жолақтары деп аталатын жұқа, көзге көрінетін жолақтардың пайда болуына себеп болады. Егер желдің жылдамдығы 3 м/с-тен жоғары болса, ол 5–300 метр арақашықтықта кезектесіп орналасқан, жоғары және төмен қарайтын жел жолақтарын құра алады. Бұл жел жолақтары жанындағы сопақ су ұяшықтарының (шамамен ... тереңдікке дейін созылатын) сағат тілі бойынша және кері сағат тілі бойынша айналуымен пайда болады. Жиналыс аймақтарында қоқыстар, көбік және теңіз балдырлары жиналады, ал таралу аймақтарында планктон тұтылып, бетке көтеріледі. Егер таралу аймағында көп планктон болса, балықтар көбінесе олармен қоректенеді.
Климаттың өзгергіштігі
Океан ағындарының өзара әрекеттесуі, жылу сорғысының бір түрі ретінде тамаша қызмет етеді, ал көмірқышқыл газының шоғырлануы сияқты биологиялық факторлар ондаған жылдар ішінде жаһандық климаттың өзгеруіне алып келуі мүмкін. Осы өзара әрекеттесулер нәтижесінде туындайтын белгілі климаттық құбылыстарға Тынық мұхитының онжылдық құбылысы, Солтүстік Атлантика құбылысы және Арктика құбылысы жатады. Термохалиндік айналымның мұхиттық процесі – бүкіл әлемдегі жылудың қайта таралуының маңызды бөлігі болып табылады, және осы айналымдағы өзгерістер климатқа елеулі әсер тигізуі мүмкін.
Антарктикадағы полярлық толқын
Бұл - Оңтүстік мұхитты шамамен сегіз жылда бір рет айналып өтетін, мұхит пен атмосфераның байланысты толқыны. Бұл 2-ші құбылыс толқын болғандықтан (бір ендік шеңберінде екі жоғары нүкте және екі төмен нүкте болады), кеңістіктегі әрбір белгілі бір нүктеде төрт жылдық циклмен сигнал байқалады. Толқын Антарктика айналасындағы ағынның бағытымен, яғни шығысқа қарай қозғалады.
Антарктикалық циркумполярлық
Антарктиканы қоршаған мұхит қазіргі уақытта ашық судың кең ендік аймағына ие жалғыз үздірілмейтін су кеңістігі. Ол Атлант, Тынық және Үнді мұхиттарын байланыстырады және басым батыс желдеріне толқын биіктігін айтарлықтай арттыруға қолайлы жағдай жасайды. Көптеген ғалымдар осы басым желдердің циркумполярлық ағымды қозғауға басты жауапты екенін мойындайды. Қазіргі талқылаулар бойынша, бұл ағым уақыт өте келе өзгеруі мүмкін, тіпті белгілі бір циклмен ауытқуы да ықтимал.
Терең мұхит
Норвегия теңізінде булану салқындатуы басым, ал суға шөгіп бара жатқан су массасы, Солтүстік Атлантиканың терең сулары (NADW), бассейнді толтырып, Гренландия, Исландия және Ұлыбританияны байланыстыратын су асты тауларындағы жарықтар арқылы оңтүстікке қарай ағылады. Одан кейін Атлант мұхитының батыс жағалауымен ағып, ағыстың бір бөлігі экватор бойымен шығысқа қарай, содан кейін мұхит бассейндеріне қарай жылжиды. NADW циркумполярлық ағымға қосылып, Үнді және Тынық мұхит бассейндерінде іздерін табуға болады. Дегенмен, Арктика мұхиты бассейнінен Тынық мұхитына ағын Беринг бұғазының тар суайдысымен тоқтатылады. Сондай-ақ, теңіз геологиясы туралы да қараңыз, ол мұхит түбінің геологиясын, соның ішінде терең мұхит шұңқырларын жасайтын плиталардың тектоникасын зерттейді.
Жылуды сақтау
Мұхиттың жылу ағыны – атмосфералық өлшеу әдістерін, мысалы, омыртқы ковариациясын пайдаланатын, петаваттармен өлшенетін жылу беру жылдамдығын анықтайтын күрделі және турбулентті жүйе. Жылу ағыны – уақыт бірлігіндегі және аудан бірлігіндегі энергия ағыны. Жердің жылу сақтауының көп бөлігі теңіздерде орналасқан, ал жылу берудің аз бөлігі булану, сәулелену, диффузия немесе теңіз түбіне сіңіру сияқты процестерде жүреді. Мұхиттың жылу ағынының көп бөлігі адвекция, яғни мұхит ағымдарының қозғалысы арқылы жүзеге асырылады. Мысалы, Атлантика мұхитының оңтүстігіндегі жылы судың көп бөлігі Үнді мұхитында пайда болған деп саналады. Адвекцияның тағы бір мысалы – атмосфералық антиклиндерге байланысты тереңдегі процестер нәтижесінде туындайтын экваторлық емес Тынық мұхитының жылынуы. Оңтүстік мұхиттағы Антарктиканың терең суларының жылынуын байқау мұхит ғалымдарын алаңдатады, себебі терең судың өзгеруі ағыстарға, қоректік заттарға және биотаға басқа жерлерде де әсер етеді. Әлемдік жылыну туралы халықаралық қауымдастық 1988 жылы Климаттық өзгерістер жөніндегі үкіметаралық комиссия құрылғаннан бері осы мәселеге ғылыми зерттеулерді шоғырландырды. Мұхитты жақсы бақылау, құралдар, теория және қаржыландыру жылумен байланысты аймақтық және жаһандық мәселелер туралы ғылыми есептерді арттырды.
Теңіз деңгейінің өзгеруі
Самалдық өлшегіштер мен спутниктік биіктік өлшеулер соңғы 100 жылда теңіз деңгейінің жылына 1,5–3 мм-ге өскенін көрсетеді. IPCC болжамына сәйкес, 2081–2100 жылдарға қарай жаһандық жылыну теңіз деңгейінің 260-ден 820 мм-ге дейін көтерілуіне алып келеді.
Жауын-шашын
Жағалау аймақтарына мұхиттың көтерілуі мен төмендеуі маңызды әсер етеді. Жер планетасындағы мұхит ағындары Күн мен Айдың гравитациялық әсерінен туындайды. Бұл екі дененің тудырған су тасқыны шамамен бірдей, бірақ Айдың орбиталық қозғалысы бір ай бойы өзгеріп отыратын су тасқыны үлгілерін жасайды. Судың ағысы мен қайтуы жағалау бойында циклдік ағымды тудырады, ал бұл ағымның күші тар шығанақтарда өте күшті болуы мүмкін. Келіп жатқан су тасқыны өзен немесе тар шығанақта су ағынына қарсы қозғалғанда, бетінде толқын пайда болып, су тасқыны толқынын тудыра алады. "Тайд энд Каррент" (Wyban 1992) еңбегі осы табиғи циклдердің жағалаудағы балық шаруашылығымен айналысатын Гавайи тұрғындарының өмір салты мен күнкөрісіне тигізетін әсерін нақты көрсетеді. Аиа ке ола ка хана – "Өмір еңбекте". Фанди шығанағында су тасқыны резонансы пайда болады, себебі үлкен толқын шығанақтың аузынан қарама-қарсы жаққа баратын уақыты, содан кейін кері оралып, шығанақтың аузына қайта оралуы, әлемдегі ең биік су тасқынын тудыратын су тасқыны ырғағымен сәйкес келеді. Беттік су тасқыны су астындағы таулар немесе қырлар сияқты топографияда тербелгенде, ол ішкі толқындарды жасайды, олар ішкі су тасқыны деп аталады.
Цунамилер
Мұхит суының кең ауқымды қозғалысы нәтижесінде жер бетіндегі толқындар тізбегі пайда болуы мүмкін. Мұның себебі теңіз астындағы көшкін, жер сілкінісінен туындаған теңіз түбінің деформациясы немесе ірі метеориттің соқтығысуы болуы мүмкін. Толқындар мұхит бетімен сағатына бірнеше жүз километр жылдамдықпен қозғалуы мүмкін, бірақ мұхиттың ортасында олардың толқын ұзындығы жүздеген шақырымға жетеді де, анықталуы қиын. Бастапқыда «су тасқыны» деп аталған цунамилер, олардың толқын мен су тасқынына қатысы болмағандықтан, атауы өзгертілді. Олар көлденең толқындар немесе толқын ұзындығынан 1/20-ға дейін тереңдігі бар судағы толқындар деп есептеледі. Цунамилердің өте ұзақ периоды, жоғары жылдамдығы және үлкен толқын биіктігі болады. Бұл толқындардың негізгі әсері жағалау аймағында байқалады, себебі мұхит суы үнемі ішкі жерге қарай ителіп, содан кейін теңізге кері тартылады. Бұл жеткілікті энергиямен соққан жағалау аймақтарында маңызды өзгерістерге алып келуі мүмкін. 1958 жылдың 9 шілдесінде Алясканың Литуя шығанағында болған цунами биіктігі бойынша ең үлкен цунами рекордын сақтайды, ол Чикагодағы Сирс мұнарасынан және Нью-Йорктегі бұрынғы Әлемдік сауда орталығынан да биік болды.
Жер бетіндегі толқындар
Жел мұхит бетіндегі толқындарды жасайды, олар теңіз құрылыстарына, кемелерге, жағалау эрозиясы мен шөгінділерге, сондай-ақ порстарға зор әсер етеді. Желдің әсерінен пайда болғаннан кейін мұхит бетіндегі толқындар (көтеріңкі толқындар ретінде) ұзақ қашықтыққа таралуы мүмкін.