В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Это затрудняет поступление водяного пара в атмосферу. И наоборот, уменьшение потока пара ведет к уменьшению устойчивости запирающегося слоя. Следовательно, можно заключить, что слой инверсии является своеобразной термодинамической структурой, регулирующей скорость поступления влаги и тепла в атмосферу.
Систематические наблюдения, проведенные при помощи новой малоинерционной аппаратуры разными авторами в различных районах Мирового океана, позволяют сформулировать следующие основные выводы. 1. Выхолаживание поверхности океана процессами обмена и затухание турбулентности у границ контакта вода — воздух приводят к образованию универсальной устойчивой структуры — холодной пленки океана с инверсионным распределением температуры, огромными градиентами и молекулярным механизмом переноса тепла у границы.
Холодная пленка, являющаяся результатом теплообмена с атмосферой, представляет собой устойчивый структурный элемент, ограничивающий подвод тепла к радиационному слою до возможных скоростей переноса молекулярными процессами. 2. Тепломассообмен океана с атмосферой, состоящий в испарении, ИК-излучении поверхности океана и контактной передаче тепла, в конечном счете реализуется молекулярными процессами переноса тепла. от квазиоднородного слоя океана к его поверхности через тонкий ламинарный подслой холодной пленки океана.
3. В результате термического эффекта смешения водяного пара с азотом воздуха на начальном участке приводного слоя атмосферы формируется слой с устойчивой стратификацией, что приводит к ограничению скорости поступления водяного пара в атмосферу. 4. Загрязнение поверхности океана ПАВ приводит к значительному уменьшению потока тепла и влаги от океана в атмосферу (до 75/), что при загрязнении больших районов может вызвать перестройку термодинамического режима этих районов.
5. При больших скоростях ветра (характерных для грозовых шквалов) холодная пленка океана и слой инверсии температуры ПСА не разрушаются. Усиление ветра приводит к увеличению градиентов температуры в холодной пленке в несколько десятков раз, а в слое инверсии ПСА до трех порядков. б. Интенсивность тепломассообмена океана с атмосферой зависит от температуры поверхности океана и скорости ветра над ним. Коэффициент корреляции между потоком тепла и температурой поверхности океана достигает высокого значения (= 0,9), а величина потока тепла в дневные часы в 5-6 раз превышает значение, полученное в ночное время суток.
Существенно изменение интенсивности теплообмена при увеличении ветра. Например, при шквальном ветре поток может увеличиваться от обычных значений 0,3-0,5 кВт/м до десятков кВт/м~. 191 Полученные выводы дают основание представить в общих чертах механизм тепломассообмена океана с атмосферой следующим образом. Радиационный теплообмен между Солнцем, Землей и Космосом приводит океан и атмосферу в термически неравновесное состояние. В результате на поверхности теплого океана спонтанно возникают процессы обмена, состоящие из испарения, ИК-излучения и конвекции. Потоки тепла и вещества через границу раздела вода-воздух вызывают перестройку динамической структуры пограничных слоев океана и атмосферы, заключающуюся в затухании турбулентности у поверхности океана. В свою очередь это приводит к формированию самоорганизующихся устойчивых диссипативных структур — холодной пленки океана и инверсии температуры ПСА, регулирующих скорость поступления тепла и влаги в атмосферу.
ОБЩАЯ ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ Тепловой баланс системы океан-атмосфера показывает, что основное тепло атмосфера получает из океана в результате конденсации водяного пара, поступающего с поверхности океана в зону образования облаков (высота 1 —:б км). Механизмом переноса водяного пара в зону конденсации является конвекция, заполняющая всю нижнюю тропосферу, ее интенсивность определяется меридиональным изменением ТПО. В отличие от нее в экваториальной зоне развивается мощная конвекция, которая проникает во всю толщину тропосферы и приводит к формированию грозовых кучево-дождевых облаков.
Выделяющееся здесь в процессе конденсации водяного пара огромное количество тепла служит основным энергетическим источником для процессов глобального переноса воздушных масс на Земле. а тропиках и а У о в „животах срерних 7,км 15 зовая ивность 1о 90 перенос 6о ветров 30 Полярный Пояс низкого Субтропические антициклон давления антициклоны ,„„~„„г Широтау, о О Экватор Экваториальная ложбина Внутритропические зоны конвергенции Рис. 3.29. Схема вертикального разреза общей циркуляции атмосферы 192 В атмосфере, помимо конвективных (вертикальных) переносов масс, имеют место процессы переноса тепла от низких широт в высокие. Эти крупномасштабные переносы почти горизонтальны и, следовательно, подвержены воздейсгвию сил Кориолиса.
Суммарный эффект указанных конвективных процессов переноса тепла и влаги приводит к формированию общей циркуляции атмосферы, представляющей собой структуры взаимодействующих замкнутых циркуляционных ячеек (рис. 3.29). Ключевую роль в энергетике атмосферы играет конвекция, которая развивается следующим образом. Над экватором из-за высокого значения ТПО влажность воздуха повышена. Следовательно, средняя молекулярная масса воздуха низкая (',и о — — 18<,и = 29) и удельный вес экваториальных воздушных масс меньше, чем в средних широтах.
Указанный факт приводит к конвекции в экваториальной зоне. 'При подъеме воздушные массы, расширяясь, охлаждаются. На определенной высоте при достижении температуры точки росы начинается конденсация водяного пара и формирование мощных кучево-дождевых облаков. Дальнейший подъем воздушных масс поддерживается выделением теплоты конденсации. Достигая тропопаузы, воздушные массы растекаются от экватора на полюса Северный и Южный. Влажность растекающихся потоков низкая, так как почти вся влага :остается в зоне образования облаков.
При растекании воздушные массы теряют тепло на излучение, и плотность их повышается. В области 30' северной и южной широт происходит опускание воздушных масс по всей толще тропосферы, за исключением нижнего 2-километрового слоя, где господствует мелко- масштабная конвекция. В зоне 30' широты давление у поверхности океана выше, чем в экваториальной области.
Этот перепад давления приводит к переносу воздушных масс ветровыми системами — пассатами. Пассаты замыкают первую циркуляционную ячейку (ячейку Гадлея). В Северном полушарии из-за действия сил Кориолиса пассаты имеют северо-восточное направление, а в южном полушарии — юговосточное. Вблизи экватора пассаты обоих полушарий сходятся в так называемую внутритропическую зону конвергенции. В северных широтах, в районе 30 — 60, реализуется ячейка Ферреля. В этой зоне под действием субтропических антициклонов преобладают западные ветры и погода определяется дви- рис.
З,ЗО. Перемещение воздушных масс жущимнся циклонами и анти- из зоны высокого давления (В) в область циклонами (рис. 3.30). 193 В полярных областях радиазе' .) ционные потери тепла приводят 60' в о, ' вв ~ х к выхолаживанию и опусканию гуйрйгйй $ ср0 , д9'/ ~~ воздушных масс. Это, в свою очезо з П~ ' мггм (- реда, повышает давление у поде, и г стилающей поверхности. ПереГ 1 пад давления между зоной полярного антициклона и поясом низкого давления в зоне 60 Сев верного (и соответственно Южзо' х х ~ ( ного) полушария определиет пе- Н / ~ ремещение воздушнмх масс от ( Г полюса, которые под действием в сил Кориолиса приобретают вост- 90' г' и ~ очную составляющую скорости. Рис. 3.31.
Схема распределения поясов вы- На рис. 3.31 приведена схема сокого (В) и низкого (Н) давления и ветра распределения поясов давлев(ия и на земном шаре ветра над поверхностью земного шара, определяющих общую циркуляцию атомсферных масс (полное изложение циркуляционных процессов можно найти во многих монографиях, например у Э.Н.Лоренца, 1970). Следует отметить, что принятая схема общей циркуляции описывает только усредненную картину переносов атмосферных масс. Отклонения могут быть вызваны различными факторами: значением альбедо для водной и твердой оболочек Земли, орографией суши, состоянием метеорологических условий и др. Исследование общей циркуляции атмосферы в целях дальнейшего уточнения ее влияния на климат представляет собой одну из главных проблем века.
В последние десятилетия уже разработаны и реализуются такие международные и национальные научные программы, как "Всемирная программа исследования климата" (ВПИК), "Тр()пический океан и глобальная атмосфера" (ТООА), %ОСЕ, "Разрезы" и др. В этих программах принимают участие все ведущие научные организации географического профиля РАН, а также университеты Российской Федерации и других государств СНГ. В России ведущей организацией по изучению роли процессов взаимодействия в энергоактивных зонах Мирового океана является Государственный океанографический институт. Проведенные в последнее время научными силами Российской Федерации исследования представляют особый интерес, так как они выполнялись по комплексной программе, последовательно охватывая всю цепочку пространственно-временных масштабов взаимодействия от глобальных до мелкомасштабных.
Такой подход обеспечил получение новых представлений о переносе тепла в системе океан-атмосфера. (Более подробно см. монографию С.С. Лаппо и др,, 1990.) ГЛАВА 4 ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ЗЕМЛИ Наша Земля из Космоса выглядит бело-голубой. Голубоватый цвет — это' цвет океанов, занимающих около двух третей поверхности Земли. Белый цвет — рассеянное от облаков солнечное излучение. Помимо водяных капель облаков (рис. 4.1) в атмосфере находятся невидимые массы водяного пара, поступающего в атмосферу в результате испарения воды с поверхности Мирового океана и вод суши (реки и озера), а также сублимации с ледовых покрытий и транспирации влаги растениями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
