Теплообмен в системе океан-атмосфера.

Поверхность моря представляет собой зону взаимодействия океана и атмосферы. Она является транзитной, поскольку через нее осуществляется обмен веществом и энергией. Тепло- и газообмен происходит непосредственно между Мировым океаном и атмосферой, однако в глобальном круговороте влаги и солей необходимо учитывать также обмен с сушей. Количество влаги, уносимой с океана на материки, относительно невелико, но эта влага является главным источником для суши. Планетарный обмен солями также, несмотря на их малый объем, является важнейшим процессом, определяющим различие химического состава вод суши и океана.

Между различными видами обмена существует сложная взаимосвязь. Особенно тесно взаимосвязаны планетарные круговороты тепла и влаги. Так, испарение определяет не только количество влаги, вовлекающейся в планетарный обмен, но и расходование большей части солнечной энергии, поглощаемой поверхностью земного шара. Выделение тепла в атмосфере, происходящее при конденсации влаги, является важнейшим энергетическим фактором циркуляции воздушных масс.

Академик В.В. Шулейкин, рассматривая океан и атмосферу с точки зрения термодинамики, считает, что в них «работают» своеобразные мощные тепловые машины первого и второго рода. Для тепловой машины первого рода в течение всего года нагревателем служит тропическая зона, а холодильником являются Арктика и Антарктика. Ее «работа» проявляется в пассатной циркуляции воздуха.

Для тепловой машины второго рода в холодное время года нагревателем служит поверхность океана, а холодильником - поверхность материков. В теплое время года нагреватели и холодильники меняются местами. Машина второго рода проявляет свою деятельность в муссонной циркуляции. Зимой, когда температура воздуха над океаном выше, чем над сушей, создается поток воздуха с суши на океан (зимний муссон). Летом наблюдается обратная картина (летний муссон). Особенно четко прослеживается муссонная циркуляция у восточных и южных берегов Азии.

Неравномерность нагревания поверхности океана обусловливает теплообмен между низкими и высокими широтами, осуществляемый морскими течениями, которые иногда называют «водяным отоплением умеренных и высоких широт».

Вынос теплых вод к восточным берегам материков на широтах 25 - 400 и к западным берегам в более высоких широтах (50 - 600) создает условия для значительного обогревания этих районов.

 

Так, средняя январская температура воздуха над Западной Европой на 600 с.ш. превышает среднюю температуру для этой широты на 15 - 200С.

Тепло в эти районы выносят также атлантические циклоны. Зимой интенсивной циклонической деятельности благоприятствует Северо-Атлантическое течение, которое усиливает Исландский минимум атмосферного давления.

В районах холодных течений, напротив, отмечается понижение температуры воздуха.

Так, например, Перуанское течение у западных берегов Южной Америки понижает температуру воздуха почти на 40С.

Различия в особенностях нагревания поверхности океана и суши сказываются на температурном режиме, облачности и осадках, что создает различные типы климата, получившие название морского и континентального. Последний характеризуется в умеренных широтах большой годовой амплитудой температуры воздуха и пониженной влажностью. Благодаря западному переносу в Евразии континентальность климата возрастает с запада на восток. Так, в Великобритании на 520 с.ш. годовая амплитуда температуры воздуха составляет всего 80С, а на той же широте в Северном Казахстане - более 450С.

Основной источник физических процессов, происходящих в атмосфере и океане, - солнечная энергия. Чтобы проследить потоки энергии, выделим часть пространства в виде вертикального столба от верхней границы атмосферы до дна океана.

Через боковые поверхности столба в него приносятся и выносятся массы воды и воздуха.

Тепловое состояние масс воздуха и воды в столбе характеризуется теплосодержанием, которое непрерывно изменяется в результате теплообмена через верхнюю границу атмосферы, поверхность океана, боковые границы столба и через дно океана.

Кроме того, в толще атмосферы и океана могут происходить процессы, связанные с выделением или поглощением тепла.

Общую схему теплообмена можно представить следующим образом.

На верхнюю границу атмосферы поступает поток солнечной радиации Q0. В мировое пространство излучается длинноволновая радиация I0. Результирующий поток радиации R0 поступает в атмосферу.

Приход коротковолновой и длинноволновой радиации на поверхность океана составляют результирующий поток энергии - радиационный баланс R.

При соприкосновении воды и воздуха, имеющих различную температуру, между ними возникает турбулентный теплообмен Ф.

При испарении или конденсации поверхность океана соответственно теряет или получает тепло, количество которого выражается произведением LE (L - скрытая теплота парообразования, Е - испарившаяся или сконденсировавшаяся масса воды).

При фазовых превращениях воды в лед выделяется, а при таянии льда поглощается тепло в количестве qм = LКМ (LК - скрытая теплота кристаллизации, М - масса образовавшегося или растаявшего льда).

В результате процессов теплообмена через поверхность нагревается или охлаждается поверхностный слой воды. Перемешиванием это нагревание или охлаждение передается в глубину в виде турбулентного потока тепла В.

Через дно в океан постоянно поступает поток внутреннего тепла Земли D. Теплообмен через боковые границы выделенного пространства в атмосфере осуществляется в результате приноса и выноса масс воздуха с различным теплосодержанием - адвекция тепла АВ, а также при перемешивании воздуха, заключенного в столбе, и окружающего воздуха - горизонтальный турбулентный обмен теплом Фв.

В океане теплообмен через боковые границы столба осуществляется адвекцией тепла течениями А и горизонтальным турбулентным обменом с окружающей водой Фг. В адвекцию тепла входит и тепловой эффект речного стока.

В атмосфере происходит конденсация паров, при которой тепло испарения, отданное океаном, передается воздуху. По аналогии с потерей тепла при испарении этот приход тепла в атмосферу определяется как произведение Lr, где r - масса сконденсировавшейся воды, принимаемая равной количеству выпадающих осадков.

Внутри столба воды теплосодержание в какой-то степени могут изменять диссипация механической энергии течений, переходящей вследствие трения в тепло, а также выделение и поглощение тепла при биохимических процессах QБ.

Из перечисленных потоков тепла не все имеют одинаковое значение. Наибольшие величины имеет поглощаемая солнечная радиация - радиационный баланс R. Радиационный баланс является положительной величиной в бюджете тепла Мирового океана и только в полярных областях в осенне-зимнее время радиационный баланс отрицателен. Поскольку в южном полушарии океан занимает большую акваторию, в нем поглощается 55% всей радиации, остальная часть приходится на северные широты. Средняя величина прихода солнечного тепла на поверхность Мирового океана в умеренных широтах составляет около +29.7·1016 ккал/год, уменьшаясь к северу и возрастая к экватору.

Следующими по величине являются затраты тепла на испарение воды - LE. В Мировом океане на испарение расходуется в 6.5 раза больше тепла, чем с суши. Общее его количество составляет -26.8·1016 ккал/год. Из них на южное полушарие приходится 54% общего количества тепла, что определяется различием акваторий по обе стороны экватора. Доля тепла, затрачиваемого на испарение, составляет примерно 90% лучистого притока тепла.

Турбулентный теплообмен океана с атмосферой для умеренных широт составляет в среднем 5 - 10% и для тропиков 1 - 3%. Интенсивность турбулентного теплообмена определяется в основном разностью температуры между воздухом и водой. Доля турбулентного теплообмена в расходной части бюджета тепла составляет - 2.7·1016 ккал/год. Турбулентный теплообмен оказывается определяющим в глобальном теплообмене. На турбулентный теплообмен с атмосферой расходуется в среднем лишь около 5% всей радиации, поглощаемой океаническими водами, однако именно эта составляющая бюджета тепла Мирового океана является важнейшим источником нагревания приповерхностных воздушных масс. Поэтому теплообмен океана и атмосферы оказывает огромное влияние на термические процессы всей планеты.

Из остальных процессов теплообмена заметную роль в тепловом балансе океана играют адвекция и тепло фазовых превращений воды. Адвекция тепла (или холода) обычно велика в районах, находящихся под влиянием постоянных течений. Так, в области мощного теплого течения Гольфстрим в западной части Атлантического океана в среднем за год приносится тепла даже больше, чем поступает здесь радиационного тепла. В этом районе океана баланс тепла поддерживается за счет увеличенной теплоотдачи с поверхности теплого течения при испарении и турбулентном теплообмене с атмосферой.

Тепло, связанное с образованием и таянием льдов, играет важную роль в тепловом балансе полярных районов океана и северных морей.

Что касается остальных составляющих теплообмена, то их роль в тепловом балансе океана мала. Так, поток внутреннего тепла Земли через дно океана оказывает влияние лишь на слой воды, непосредственно прилегающий ко дну. Пренебрежимо малы также потоки тепла от диссипации энергии течений, от биохимических процессов, нагревания или охлаждения океана выпадающими осадками, от поступления грунтовых вод и других процессов.

Тепловой баланс поверхности Мирового океана представляет собой разность между приходом и расходом тепла, определяющуюся тем, накапливает или отдает океан энергию, получаемую от Солнца. В низких широтах за счет превышения приходной части бюджета над расходной происходит накопление тепла, а в высоких - его потеря.

Количественное соотношение между приходом и расходом тепла в процессах теплообмена выражается уравнениями теплового баланса. Эти уравнения в математической форме выражают закон сохранения тепловой энергии в процессах ее трансформации в системе океан-атмосфера. Уравнения теплового баланса могут быть записаны для поверхности океана, для атмосферы и океана отдельно или совместно. Вид этих уравнений зависит также от промежутков времени, для которых рассматриваются тепловые потоки.

Уравнение теплового баланса поверхности океана выражает количественное соотношение между потоками тепла, пересекающими единичную площадку. Поскольку тепловые потоки имеют различные направления относительно поверхности, их суммирование выполняется алгебраически, т. е. каждому потоку придается положительный или отрицательный знак. Обычно положительный знак приписывают потокам тепла, направленным в океан и повышающим его теплосодержание, отрицательный - потокам тепла из океана. Относительно атмосферы знаки назначают по такому же принципу, т. е. потокам тепла, направленным в атмосферу, придается положительный знак, и наоборот. Таким образом, одни и те же потоки тепла у метеорологов и океанологов имеют разные знаки.

Итак, алгебраическая сумма потоков тепла, пересекающих единичную площадь поверхности океана (без тепла ледовых процессов), в соответствии с рис. 19 выражается уравнением: R+LЕ+Ф+LКМ = В (1)

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: