Океан и атмосфера

Мы уже знаем, что различия в температурах между полярными и экваториальными областями, поддерживаемые обменом излучения между Землей и окружающим пространством, составляют причину общей циркуляции земной атмосферы. Извержение Кракатау наводит на мысль, что такую разность температур можно создать искусственно, распространяя тонкую пыль в атмосфере. Есть и другие предложения, в частности связанные с возможностью растопить морские льды. Одним из них является проект покрытия полярных шапок Земли угольной пылью.

Проблема управления термическими и другими процессами в океане все более приближается к реальности. В то же время продолжается изучение связей, существующих в природе, многое в которых еще неясно. К ним, в частности, относится влияние циклонических возмущений в атмосфере на изменение поля температуры и циркуляцию поверхностных вод океанов. Данный вопрос Л. С. Минина и В. Д. Пудов изучали на примере прохождения тайфуна Трикс. Он развился 10 июля 1978 г. из тропического возмущения в виде обширного облачного скопления над поверхностью тропической зоны Тихого океана с температурой 27–28°. С 8 по 13 июля температура воды существенно не менялась. Но по мере увеличения площади скопления и усиления ветра поверхностная температура океана начала меняться. Тропический циклон двигался до 15 июля на запад, потом замедлил движение, описал петлю, направился на юго-восток и с 19 июля вновь восстановил западное направление. На первом этапе западного движения Трикса (с 14 по 18 июля) циклон активно углублялся, давление в центре упало от 1004 до 975 мб, а ветер усилился от 35 до 70 узлов [3] . Развившийся тайфун вовлек в циклоническую циркуляцию поверхностные слои воды, что отчетливо показали карты изотерм. Совпадавшее вначале с траекторией тайфуна положение изотермы 28 °C затем переместилось (и несколько деформировалось) на юго-запад на 400–500 км. Это указывает на то, что в передней части тайфуна произошло понижение температуры (в акватории 135°—140° в. д.), связанное с переносом охлажденных поверхностных вод под действием ураганного ветра. А в тыловой части тайфуна по той же причине произошел нагон теплых поверхностных вод. Они продвинулись к востоку и северо-востоку столь же значительно. Таким образом, и воды, и воздух совершили циклоническое движение с естественным инерционным запаздыванием по отношению к усилению ветра в тайфуне Трикс. Кроме того, прохождение тайфуна вызвало образование гидрологического холодного фронта в передней части циклона и теплого — в тылу. Изменение температуры в поверхностном слое воды составило примерно 1 °C.

3

Узел — морская мера скорости движения (1 морская миля в час). 1 узел 0,5 м/с.

Тайфун Трикс не был особенно мощным — скорость ветра в нем не превышала 70 узлов (критерием, когда тропический циклон переходит в зрелую стадию, считается 63 узла). Но и в этом случае взаимодействие с поверхностью океана оказалось отчетливо ощутимым. Напомним, что изменилась не только температура, но и сама структура циркуляции вод на гигантской площади, протяженностью 3,5 тыс. км и шириной около 1 тыс. км. Расчет связи между скоростью дрейфового течения и скоростью штормовых и ураганных ветров показал, что отношение данных величин при урагане приблизительно в 2 раза больше, чем при нештормовых условиях.

Явление воздействия атмосферного процесса на океаническую поверхность сейчас уже хорошо известно — каждый тропический циклон оставляет след в толще океана, порождая в нем систему концентрических колец, вращающихся в противоположных направлениях. Это значит, что возникают течения различных направлений и температурные аномалии. Горизонтальная неоднородность на поверхности океана достигает в пространстве 2 тыс. км, а временная — как полагают, около 50 суток.

Наблюдения, проведенные в экспедиции «Тайфун—78», позволили обнаружить еще один интересный факт — температурная аномалия в северо-западной части Тихого океана связана с облачностью. Во время гидрологической съемки между координатами 20° — 28° с. ш. и 143° — 151° в. д. через каждые 90 миль было произведено шесть зональных разрезов с измерением температуры и солености до глубины 1 км. Это дало возможность заметить пятно аномально холодных вод в поверхностном слое океана, наблюдавшееся также и в поле плотности. Анализ наблюдений и расчеты показали, что максимум скорости циклонической циркуляции приходился на слой 30–75 м. Температура воды на поверхности океана была на 1–2 °C ниже температуры воздуха в приводном слое за пределами аномалии. Следовательно, естественно было ожидать инверсию температуры в пограничном слое атмосферы и, как результат, ослабление облачности. Сопоставление синоптических карт позволило выделить полностью безоблачную зону, оконтуривающую холодное пятно воды в океане. В шпротном направлении зона простиралась на 150–200 км, в меридиональном — примерно на 150 км. Возможно, что вытянутая безоблачная зона указывала на путь перемещения циклонического вихря в океане. Таким образом, анализируя по ежедневным синоптическим картам облачность, можно заметить циклонические вихри в океане.

В свое время А. Д. Добровольский указывал, что в истории исследования Тихого океана было четыре периода: поисков (1513–1725 гг.), обследования (1725–1873 гг.), исследования (1873–1918 гг.), детального исследования (1918–1947 гг.). Последняя дата в этом кратком перечне совпала с выходом в дальневосточные моря и Тихий океан флагмана советского научного флота, экспедиционного судна «Витязь». Исследования не только продолжаются в наши дни, но все более развиваются и расширяются, становясь проблемными, и главное место среди них занимает вопрос взаимодействия океана и атмосферы.

Одновременно с интенсификацией наблюдений и их накоплением развивается их обработка, численные методы, углубляются теоретический подход и представления о сущности самого явления. Действуя совместно, эти направления имеют конечную цель — познание, а затем и предсказания процессов, происходящих в двух взаимодействующих сферах.

Динамическое взаимодействие

Строго говоря, трудно разделить термическое и динамическое взаимодействие океана и атмосферы, скажем, на примере реакции поверхностных вод океана на проходящий над ним тайфун. Более объективным, возможно, является, как считает советский океанолог А. Ф. Плахотник [1978], выделение двух групп вопросов: собственно взаимодействия (сюда относятся характер, механизм и масштабы взаимодействия) и изучения пограничных слоев (океан и прилегающая к нему атмосфера). Планетарно пограничными слоями считают примыкающие друг к другу слои толщиной порядка 1,5 км, в пределах которых непосредственно проявляется взаимодействие океана и атмосферы — турбулентный перенос энергии и ее рассеивание.

Важность исследования пограничных слоев отмечалась уже в 1959 г. на Первом Международном океанографическом конгрессе. Распределение гидрологических и метеорологических элементов в пограничных средах взаимосвязано и взаимообусловлено. Хотя на различных этапах изучения проблемы предпринимались попытки подвести некоторые итоги, полной картины еще нет.

Для дальнейшего развития знаний в этой области, по мнению Е. П. Борисенкова и А. Ф. Трешникова, необходимо создание крупных макрополигонов в районах наиболее резко выраженного энергообмена в системе «океан — атмосфера». Зоны и очаги интенсивного взаимодействия требуют всестороннего наблюдения. Как уже отмечалось, это — зоны зарождения и развития тропических ураганов из начальных вихрей, образующихся над тем или иным районом океана. Бедствия, причиняемые ураганами, неисчислимы. Неудивительно поэтому, что их изучение, поиски методов расчета их возможных траекторий и условий затухания чрезвычайно важны. Параллельно изыскивается возможность гасить тропические ураганы на начальных стадиях, пока они еще не развились в грозную силу.

Прежде всего исследования ураганов начались в странах, побережья которых испытывают на себе их разрушительное воздействие, а именно: в США, Японии, Индии и Австралии. Однако многие страны, хотя и не подвергаются непосредственной опасности на своих территориях, ведут транспортные операции и рыболовство на обширных просторах океанов, где действуют тайфуны. В 1978 г. В. В. Шулейкин опубликовал сводку исследований по расчету, развитию траекторий движения и затухания тропических ураганов. Рассчитать теоретически поле волн вокруг движущегося урагана еще не удалось никому. Шулейкин указывал, что основная проблема — найти аналитический метод решения задачи в достаточном приближении. Такой метод, постепенно совершенствуясь, вскроет физический смысл явлений.

Тропические ураганы возникают в определенных районах океана. Так, никто не видел урагана на всем протяжении Атлантики в южном полушарии, никогда не наблюдалось их прохождение через экватор ни в Атлантическом, ни в Тихом океанах. В направлении с востока на запад плотность траекторий ураганов увеличивается и резко возрастает вблизи путей теплых океанических течений.

Тропические ураганы порождаются резким нарушением устойчивости атмосферы, и их огромная мощность объясняется неустойчивостью влажности. В то же время неустойчивость атмосферы связана с повышенной температурой воды, в особенности над теплыми течениями — Гольфстримом, Куросио и др. В. В. Шулейкин считает главной причиной зарождения тропических ураганов именно температуру подстилающей поверхности вод океанов. Повышение температуры определяет количество пара, поступающего в атмосферу, где он, конденсируясь, выделяет достаточное количество скрытого тепла. Это общее положение имеет, однако, исключения. В Гвинейском заливе, намного южнее экватора, поверхностные температуры превышают 28 °C, тем не менее здесь никогда не было ни одного тропического урагана (нагревается лишь тонкий слой опресненной воды реки Конго). Гвинейский залив — исключительно спокойная область Мирового океана, в которой не бывает циклонов даже с умеренными скоростями ветра.

Анализ материалов наблюдений показал, что только 4 % всех тропических циклонов достигает силы урагана: если температура воды на глубине 60 м отличается от поверхностной больше, чем на 8,5°. Часто думают, что тропические циклоны, в том числе переходящие в ураганы, зарождаются над океанами. Это не совсем точно. Прежде всего должен зародиться начальный вихрь, и это может произойти над сушей — и чаще всего при условии резкой неоднородности поверхности, над которой проносится воздушный поток. Примером может служить озеро Чад в Африке. Температурные контрасты в атмосфере и над озером с окружающими его раскаленными песками пустыни создают начальные вихри. Дальнейшая их судьба может быть различной, и, если пассат понесет их в сторону океана, они могут уже над океаном развиться в циклон, а потом и в ураган.

Тропические ураганы, проносясь над поверхностью океана, часто попадают в пределы суши, а иногда вновь выходят на океан и уже там затухают. Так, в августе 1909 г. сверхмощный ураган Камилла вступил на материк Северной Америки близ Нового Орлеана. Он двигался над сушей 67 часов, принося страшные разрушения, затем снова вышел в океан, восстановил энергию, которую потратил над сушей, и двигался с постепенным затуханием, не находя в температурах поверхности воды новой поддержки.

В тех случаях, когда ураган проходит над метеорологической станцией, удается наиболее надежно зарегистрировать поле тропического урагана. Но он сметает с лица земли и станцию! В литературе описан лишь один случай, когда станция уцелела. Это было над Манилой. Ураган средней силы прошел непосредственно над обсерваторией, которая обычно сообщает мореплавателям прогнозы траекторий тайфунов. Максимальная скорость ветра составила 56 м/с, давление 45 мб. В центре «глаза» скорость ветра упала до 0, поле тайфуна было асимметрично относительно его оси. По обе стороны «глаза» возникли вихри с горизонтальными осями, совпадающими с путем движения урагана. В море начался подъем вод в океане приблизительно с глубины 100 м, а глубже — их опускание. В середине образовалось пятно воды с наибольшим похолоданием — до 3 °C (на 3° ниже нормы). Приближение урагана могут «предсказать» волны зыби, затем развивается новая система — ветровых волн. Так, создается сложнейшая, благодаря интерференции, толчея волн, делающая задачу анализа и предсказаний для всего поля волн вокруг движущегося урагана пока неразрешимой. Самые мощные волны зыби уходят в северном полушарии влево от пути движения центра урагана и вправо — в южном.