Введение
Исследование физических условий и процессов в океане
Физическая океанография – это изучение физических условий и физических процессов в океане, в особенности движений и физических свойств океанских вод. Физическая океанография является одной из нескольких подотраслей, на которые разделяется океанография. К другим относятся биологическая, химическая и геологическая океанография. Физическая океанография может быть подразделена на описательную и динамическую физическую океанографию. Описательная физическая океанография стремится исследовать океан посредством наблюдений и сложных численных моделей, описывающих движения жидкости максимально точно. Динамическая физическая океанография фокусируется главным образом на процессах, управляющих движением жидкостей, с упором на теоретические исследования и численные модели. Она является частью обширной области геофизической гидродинамики (ГГД), которой она разделяет с метеорологией. ГГД – это подотрасль гидродинамики, описывающая течения, возникающие в пространственных и временных масштабах, на которые оказывает сильное влияние сила Кориолиса.
Физическая обстановка
Около 97% воды на планете содержится в океанах, и океаны являются источником подавляющего большинства водяного пара, который конденсируется в атмосфере и выпадает на континенты в виде дождя или снега. Огромная теплоемкость океанов смягчает климат планеты, а их поглощение различных газов влияет на состав атмосферы. Вертикальная структура температуры океана разделяется на три основных слоя: поверхностный перемешанный слой с небольшими градиентами, термоклин с высокими градиентами и слабо стратифицированная глубина. В отношении температуры слои океана сильно зависят от широты: термоклин ярко выражен в тропиках, но отсутствует в полярных водах (Marshak 2001). Галоклин обычно располагается вблизи поверхности, где испарение повышает соленость в тропиках, а талая вода снижает ее в полярных регионах. Количество солнечного света, поглощаемого поверхностью, значительно меняется с широтой, будучи больше на экваторе, чем на полюсах, что вызывает движение жидкости как в атмосфере, так и в океане, перераспределяющее тепло от экватора к полюсам и тем самым уменьшающее температурные градиенты, которые существовали бы без этого движения. Вероятно, три четверти этого тепла переносится атмосферой, а остальное – океаном. Атмосфера нагревается снизу, что приводит к конвекции, наиболее масштабным проявлением которой является циркуляция Хэдли. В отличие от этого, океан нагревается сверху, что подавляет конвекцию. Вместо этого глубокие океанические воды формируются в полярных регионах, где холодные соленые воды опускаются в относительно ограниченных областях. Это начало термохалинной циркуляции. Океанические течения в основном обусловлены ветровым напряжением на поверхности, поэтому крупномасштабная атмосферная циркуляция важна для понимания океанической циркуляции. Циркуляция Хэдли приводит к пассатам в тропиках и западным ветрам в средних широтах. Это вызывает медленное течение к экватору по большей части субтропического океанического бассейна (баланс Свердрупа). Обратный поток происходит в интенсивном, узком, направленном к полюсу западному пограничном течении. Как и атмосфера, океан намного шире, чем глубок, поэтому горизонтальное движение обычно намного быстрее, чем вертикальное. В южном полушарии существует непрерывный океанический пояс, и поэтому западные ветры средних широт приводят в движение мощное Антарктическое циркумполярное течение. В северном полушарии суша препятствует этому, и океаническая циркуляция распадается на более мелкие круговороты в бассейнах Атлантического и Тихого океанов.
Эффект Кориолиса
Эффект Кориолиса приводит к отклонению потоков жидкости (вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии). Это оказывает глубокое влияние на течения океанов. В частности, это означает, что течения обтекают области высокого и низкого давления, позволяя им сохраняться в течение длительного времени. В результате, незначительные изменения давления могут вызывать измеримые течения. Например, уклон в одну часть на миллион высоты уровня моря приведет к течению со скоростью 10 см/с в средних широтах. Тот факт, что эффект Кориолиса наиболее выражен на полюсах и слаб на экваторе, обуславливает формирование резких и относительно устойчивых западных пограничных течений, которые отсутствуют на восточных границах. Также см. эффекты вторичного кругообращения.
Транспорт Экмана
Транспорт Экмана приводит к чистому переносу поверхностной воды на 90 градусов вправо от направления ветра в Северном полушарии и на 90 градусов влево от направления ветра в Южном полушарии. Когда ветер дует над поверхностью океана, он "захватывает" тонкий слой поверхностной воды. В свою очередь, этот тонкий слой воды передает энергию движения следующему слою под ним, и так далее. Однако, из-за эффекта Кориолиса, направление движения слоев воды постепенно отклоняется все дальше вправо по мере увеличения глубины в Северном полушарии, и все дальше влево в Южном полушарии. В большинстве случаев самый глубокий слой воды, на который воздействует ветер, находится на глубине 100–150 м и движется примерно на 180 градусов, то есть полностью в противоположном направлении от ветра. В целом, результирующий перенос воды происходит под углом 90 градусов к исходному направлению ветра.
Циркуляция Лангмура
Циркуляция Лангмура приводит к образованию тонких видимых полос, называемых ветровыми рядами, на поверхности океана, параллельных направлению ветра. Если ветер дует со скоростью более 3 м/с, он может создавать параллельные ветровые ряды, чередующиеся зонами подъема и опускания воды на расстоянии от 5 до 300 м друг от друга. Эти ветровые ряды формируются соседними овальными водяными ячейками (простирающимися примерно на глубину), чередующимися вращения по часовой стрелке и против часовой стрелки. В зонах схождения накапливаются обломки, пена и водоросли, а в зонах расхождения планктон поднимается к поверхности и концентрируется. Если в зоне расхождения много планктона, рыба часто привлекается для питания.
Изменчивость климата
Взаимодействие океанической циркуляции, выполняющей роль своеобразного теплового насоса, и биологических эффектов, таких как концентрация углекислого газа, может приводить к глобальным изменениям климата в масштабе десятилетий. К известным климатическим колебаниям, возникающим в результате этих взаимодействий, относятся тихоокеанская декадная осцилляция, североатлантическая осцилляция и арктическая осцилляция. Океанический процесс термохалинной циркуляции является важной составляющей перераспределения тепла по всей планете, и изменения в этой циркуляции могут оказывать значительное воздействие на климат.
Антарктическая циркумполярная волна
Это соединенная волна океана и атмосферы, которая обходит Южный океан примерно раз в восемь лет. Поскольку это волна 2 (на окружности широты наблюдается два максимума и два минимума), в каждой неподвижной точке пространства регистрируется сигнал с периодом в четыре года. Волна движется на восток по направлению Антарктического циркумполярного течения.
Антарктический циркумполярный
Океан, окружающий Антарктику, в настоящее время является единственным непрерывным водным пространством, где наблюдается широкая полоса открытой воды, простирающаяся по широте. Он связывает Атлантический, Тихий и Индийский океаны, предоставляя беспрепятственный путь для господствующих западных ветров, которые значительно увеличивают высоту волн. Общепринято, что именно эти ветры в основном обуславливают перенос циркумполярного течения. В настоящее время предполагается, что интенсивность этого течения меняется со временем, возможно, по колебательному типу.
Глубокий океан
В Норвежском море преобладает испарительное охлаждение, а опускающаяся водная масса, Североатлантическая глубоководная масса (NADW), заполняет бассейн и вытекает на юг через разломы в подводных порогах, соединяющих Гренландию, Исландию и Великобританию. Затем она течет вдоль западной границы Атлантического океана, при этом часть потока отклоняется на восток вдоль экватора и далее к полюсам в океанские бассейны. NADW вовлекается в циркумполярное течение и может быть прослежена в бассейнах Индийского и Тихого океанов. Однако, поток из бассейна Северного Ледовитого океана в Тихий океан заблокирован узкими мелководьями Берингова пролива. Также обратитесь к разделу морской геологии, который изучает геологию дна океана, включая тектонику плит, формирующую глубоководные желоба.
Хранение тепла
Тепловой поток океана – это турбулентная и сложная система, использующая атмосферные методы измерений, такие как ковариация вихрей, для измерения скорости теплопередачи, выраженной в петаваттах. Тепловой поток – это поток энергии на единицу площади в единицу времени. Большая часть теплоемкости Земли сосредоточена в ее морях, при этом меньшая доля теплопередачи происходит в процессах, таких как испарение, излучение, диффузия или поглощение морским дном. Основная часть теплового потока океана обусловлена адвекцией, то есть перемещением океанических течений. Например, считается, что большая часть теплых вод в южной Атлантике имеет происхождение в Индийском океане. Другим примером адвекции является нагрев Тихого океана в неэкваториальных областях, который является результатом подповерхностных процессов, связанных с атмосферными антиклинами. Недавние наблюдения потепления антарктических придонных вод в Южном океане вызывают обеспокоенность океанологов, поскольку изменения придонных вод повлияют на течения, питательные вещества и биоту в других регионах. Международное осознание глобального потепления сфокусировало научные исследования на этой теме с момента создания в 1988 году Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Совершенствование океанических наблюдений, инструментария, теоретической базы и финансирования привело к увеличению количества научных публикаций по региональным и глобальным вопросам, связанным с теплообменом.
Изменение уровня моря
Приливные посты и спутниковая альтиметрия указывают на повышение уровня моря на 1,5–3 мм в год за последние 100 лет. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) прогнозирует, что к 2081–2100 годам глобальное потепление приведет к повышению уровня моря на 260–820 мм.
Приливы
Возвышение и падение уровня океана вследствие приливных явлений оказывает ключевое влияние на прибрежные районы. Приливы и отливы на планете Земля создаются гравитационным воздействием Солнца и Луны. Приливы, производимые этими двумя небесными телами, примерно сопоставимы по величине, но орбитальное движение Луны обуславливает изменение приливных моделей в течение месяца. Отлив и прилив создают цикличное течение вдоль побережья, сила которого может быть весьма значительной в узких устьях рек. Приходящие приливы также могут формировать приливные волны (боры) вдоль реки или в узкой бухте, поскольку встречное течение воды приводит к образованию волны на поверхности. Книга "Прилив и течение" (Wyban 1992) наглядно демонстрирует влияние этих природных циклов на образ жизни и средства к существованию коренных гавайцев, занимающихся разведением рыбы в прибрежных прудах. Аиа ке ола ка хана означает: "Жизнь в труде". Приливный резонанс наблюдается в заливе Фанди, поскольку время, необходимое большой волне для прохождения от устья залива к противоположному концу, отражения и возвращения обратно к устью, совпадает с приливным ритмом, что приводит к образованию самых высоких приливов в мире. Когда поверхностный прилив колеблется над рельефом дна, таким как подводные горы или хребты, он генерирует внутренние волны с приливной частотой, известные как внутренние приливы.
Цунами
Серия поверхностных волн может возникать из-за масштабного перемещения океанической воды. Это может быть вызвано подводными оползнями, деформациями морского дна в результате землетрясений или падением крупного метеорита. Волны могут распространяться со скоростью до нескольких сотен километров в час по поверхности океана, но в открытом океане они едва заметны, а их длина волны достигает сотен километров. Цунами, изначально называвшиеся приливными волнами, были переименованы, поскольку не имеют отношения к приливам. Они классифицируются как мелководные волны, то есть волны в воде, глубина которой менее 1/20 их длины волны. Цунами характеризуются очень большим периодом, высокой скоростью и значительной высотой волны. Основное воздействие этих волн ощущается вдоль побережья, где большие массы океанской воды циклически нагоняются на берег и затем отступают в море. Это может приводить к существенным изменениям в прибрежных районах, подвергшихся воздействию волн с достаточной энергией. Цунами, произошедшее в заливе Литуя на Аляске 9 июля 1958 года, было исключительно высоким и является самым крупным цунами, когда-либо зарегистрированным – его высота почти равнялась высоте Сирс-Тауэр в Чикаго и примерно соответствовала высоте бывшего Всемирного торгового центра в Нью-Йорке.
Поверхностные волны
Ветер генерирует поверхностные волны океана, которые оказывают значительное влияние на морские сооружения, суда, береговую эрозию и аккумуляцию наносов, а также на порты и гавани. После образования под воздействием ветра, океанские поверхностные волны могут распространяться на большие расстояния в виде волнения.