// Вие четете...

Приложни науки

Крупно мащабните взаимодействия в океана.

B119„В тъмнина е нужна светлина, в беда – ум.“

Взаимодействие на океана и атмосферата.

Крупно мащабните взаимодействия – продължение.

Системата океан – атмосфера се явява съставна и очевидно най-важната част на климатичната система, представляваща съвкупност от взаимодействащи между себе си и обменящи вещества и енергии обвивки на планетата: атмосфера, океан, литосфера, криосфера, и биосфера.
В началото нека да разгледаме особеностите на формиране на глобалния (усреднен за Земята като цяло) топло обмен в климатичната система, която в термодинамичен смисъл сама по себе си представлява отворена система, тъй като тя постоянно обменя топлина с космическото пространство.
На горната граница на атмосферата се наблюдава състояние на баланс: сумата на приход и разход на потоците на радиация е равен на нула и следователно, климатичната система се намира в топлинно равновесие. Естествено, че в топлинното равновесие трябва да се намира и границата на раздела между атмосферата и постилащата повърхност. Но за това е нужно от постилащата повърхност да се предава 33% от топлината енергия на атмосферата във вид на турбулентни потоци от топлина и влага.
Всички тези потоци имат вертикално направление. Но едновременно с тях се наблюдават потоци от енергия в хоризонтално направление. Така както в атмосферата протича пренос на топлина по хоризонтала за сметка на средната циркулация (адвективен поток на топлина) и вихрово премесване (турбулентен поток на топлина).
Аналогичен механизъм на топло обмена по хоризонтала има място и в океана. Този пренос (адвекция) на топлина става посредством теченията и хоризонталния турбулентен топло обмен.
Взаимодействието на потоците на топлина по хоризонтала и вертикала води към изменение във времето до енталпия (топло съдържание) на атмосферата и на океана, при което тези изменения се считат за положителни, когато атмосферата и океана се нагряват, и за отрицателни, когато те се охлаждат.
Слънчевата радиация на практика е единствения източник на енергия за повечето процеси, протичащи в атмосферата, хидросферата и в горния слой на литосферата. Във водите на Световния океан за сметка на поглъщането на слънчевата радиация се натрупва голямо количество топлина. Отдавайки топлина във вид на собствено дълго вълново излъчване, а също така и чрез потоци на явна и скрита топлина, океанът всъщност в значителна степен регулира формирането на климата на нашата планета.

Ф1

 

 

където Q0 – сумарна (пряка и разсеяна) кратко вълнова радиация, постъпваща на повърхността на океана;

а – албедо на повърхността на океана;
Io – ефективно излъчване (баланс на дълго вълновата радиация);
Ro – радиационен баланс на повърхността на океана, или, по-правилно, резултиращ приток на радиация към повърхността на океана.

Уравнение (1) съдържа членове, описващи радиационните потоци в различните части на енергийния спектър. При това поглъщането на радиацията протича в кратко вълновата част на енергийния спектър, а нейното излъчване е в дълго вълновата (инфрачервена) част на спектъра.
Най-важната закономерност на разпределение на сумарната радиация се явява това, че нейната изменчивост се проявява основно в меридионално направление, в същото време изменчивостта по протежение на кръга на широтата е незначителна. Това означава, че разпределението на сумарната радиация носи зонален характер. Действително, зависимостта между зонално осреднените значения на сумарната радиация и географската широта се явява линейна и се характеризира с коефициента на корелация, равен на r = 0,95. Макар в ниските ширини да се проявяват някой нарушения на закономерността.
Големите различия в разпределението на слънчевата радиация между екватора и полярните ширини се явява главен фактор, определящ по-важните особености на полярните хидрометеорологични условия. Именно градиентът екватор – полюс предопределя съществуването на преобладаващ зонален пренос в атмосферата на Земята.
Друг важен фактор е вътрешно годишната изменчивост, обусловена от сезонния ход на притока на слънчевата радиация към повърхността на океана и сушата. В тези райони, където тя отсъства (основно в ниските ширини), отсъства и годишен ход в хидрометеорологичните процеси и явления.
В таблица 1 е дадено разпределението на средно широчинните значения на радиационния баланс на повърхността на океана и сушата. Не е трудно да се види, че океана значително по-интензивно поглъща лъчистата енергия, отколкото материка, при което максималното различие се наблюдава в тропичните ширини.
По данните от таблицата, средното глобално (осреднено по акватории на Световния океан като цяло) значение на радиационния баланс е почти в два пъти по-голямо отколкото за повърхността на сушата. Ако все пак се сравнят значенията на сумарната радиация, то разликите между океана и сушата вече ще са неголеми. Това означава, че коефициента на полезно действие (КПД) на океана, тоест частта от усвоявания от него радиационен поток на топлина е с значително по-висок КПД отколкото е при сушата (съответно 63 и 36%). Ако се разглежда меридионалния ход на отношението RO/QO , то най-високия КПД е при ниските широчини, където той достига 70% в зоната от 0 – 20о ю.ш.

Разпределение на средно широчинните значения на сумарната радиация (Q0)
и радиационния баланс (R0) по повърхността на океана и сушата, ккал/(см2год).

Таблица 1
Таб1

Оценката на хоризонталните потоци на топлина в океана представлява една от най-сложните задачи при определяне на топлинния баланс. Основно за оценка на потоците на топлина могат да бъдат използвани три подхода:
I подход – оценка на преноса на топлина на основата на разчет на скоростта на теченията по хидрологични данни;
II подход – оценка на преноса на топлина по резултатите от численото моделиране на циркулацията на океана;
III подход – оценка на преноса на топлина като остатъчен член от уравнението на топлинния баланс на океана или системата океан – атмосфера.
Естествено, че всеки от указаните подходи имат своите достойнства и недостатъци, но всички те имат един общ недостатък: точността на оценката за преноса на топлина се явява доста нисък. Освен това, много често точността на получените оценки не могат даже да се проконтролират. Може да се каже, че хоризонталните потоци на топлина в океана са известни само на качествено ниво.

Разпределението на зонално осреднените меридионални потоци на топлина в отделните океани и Световния океан като цяло са приведени в таблица 2.

Таблица 2
Таб2

За Световния океан е характерно това, че меридионалния пренос в двете полукълба е насочен към полюсите, при което максимално значение той достига в тропическата зона и представлява около 2.01015 Вт. Това е обусловено преди всичко с наличието на мощни повърхностни течения, такива като Гълфстрийм, Куросио в северното полукълбо и Бразилското, Мозамбикското в южното полукълбо.

Процесите на топло обмена в Световния океан, както в северното, така и в южното полукълбо, съдейки по данните в таблица 2 очевидно в значителна степен се явяват независими едни от други.

Но, ако разгледаме отделните океани, то ще видим, че в този случай преносът на топлина през екватора вече има място. Действително, в Атлантическия океан преносът е насочен от южното полукълбо на север, а в Тихия и Индийския океан, обратно, от северното полукълбо към южното. Преносът на топлина в Тихия океан, особено южно от екватора е аналогичен на преноса на топлина в останалата част от Световния океан. Що се отнася до Атлантическия океан, то тук мериодиналния поток на топлина на всички ширини е насочен към Северния полюс, във същото това време, както и в Индийския океан преносът навсякъде има противоположно направление – към Южния полюс. По този начин, за Атлантическия океан в голяма степен е характерен аномалния характер на меридионалния пренос на топлина.
Що се отнася до атмосферния пренос, то във всяко полукълбо той е насочен към полюсите и достига своя максимум на широчина 43°. Дотолкова, доколкото максимумът на океанския пренос е изместен към екватора, то океана в значителна степен осигурява преноса на топлина от екваториално – тропическите ширини към средните, където се наблюдава максимално отдаване на топлина за сметка на изпаренията в атмосферата. По нататъшния пренос на топлина към полюсите се извършва основно по атмосферен път.
Като цяло, основно ниските ширини и за двете полукълба служат като източник на топлина, тъй като тук външния топлинния баланс е положителен. Всички останали ширини се явяват вече само като преносители на топлина, дотолкова, доколкото сумарното топло отдаване в атмосферата превишава радиационния приток на топлина. Явно изключение от това правило е Атлантическия океан, цялата южна част която служи за натрупване на топлина. Това е свързано с много ниските загуби на топлина за изпарение в сравнение с другите океани и преди всичко от Тихия океан. В резултат абсолютен максимум на натрупване на топлина в Атлантическия океан се отбелязва в зоната 40 – 50° ю.ш., а максимума на разход на топлина е също в Атлантическия океан в зоната на 50 – 60° с.ш. Различията, в условията за натрупване и разход на топлина между ширините, определяни преди всичко от действието на теченията, са най-малки и са най-характерни за Индийския океан.
Следва да се има в предвид, че зоналните осреднения дават много схематична картина, дотолкова, доколкото не се отчита пространствената изменчивост на характеристиките по протежение на кръга на ширината, която може да бъде доста значителна вследствие на огромните размери на океана, наличието на континенти, острови и т.п.

Следва продължение.

Коментари

Все още няма коментари

Публикувай коментар