Общее землеведение

2. Океанический тундровый климат присущ островам: Командорским и Алеутским в северном полушарии, Кергелену, Южным Оркнейским, Южной Георгии и Фолклендским в южном. Океанический тундровый климат на островах распространяется до 50⁰ с. ш. и ю.ш. Это обусловлено холодными течениями. Климат ровный: зима теплая, около - 3, - 4⁰С, лето прохладное, ниже 10°С. Осадков много, 400 мм; большая, до 80-90%, облачность во все месяцы; часты туманы, воздух сырой, много дней с дождем, почти всегда ветрено.

V. Климаты вечного мороза

Выделяются Арктический и Антарктический климаты. Основные климатические процессы в ледовых зонах существенно иные, чем в умеренных. Зимой солнечного освещения вообще нет, а летом оно круглосуточно. Снежная поверхность имеет высокое альбедо и действует па тропосферу охлаждающе.

Летом, в течение 1-2 месяцев, при незаходящем Солнце баланс положителен, 20,9-41.9 МДж/м² (0-1,0 ккал/см²) в месяц. Остальные 10-11 месяцев земля только излучает. Дефицит солнечного тепла до 3350 МДж/м² (80 ккал/см²) в год. При таком радиационном балансе основным источником атмосферного тепла служит циркуляция атмосферы и гидросферы. Она доставляет 3350 - МДж/м² (80-100 ккал/см²) в год. Воздух в климатах вечного мороза обычно теплее, чем подстилающая снежная поверхность. В Антарктиде, например, температура воздуха близ снега падает до - 90⁰С.

Условия адвекции тепла в Арктике и Антарктике различны. В Арктике тропосфера получает от воды непосредственно и через морской лед около 167 МДж/м² (4 ккал/см²) в год, Антарктида лишена этого тепла.

Летом средняя температура воздуха в Арктике около 0°С, а на побережьях достигает 5°С, в Антарктиде - около - 30°, - 35° С.

В январе в центральной Арктике - 40 ⁰С, на побережье материка 30°С, а на приатлантических островах температура поднимается до - 16°С (Шпицберген). И только над Гренландией устойчивый антициклон понижает температуру июля до - 14°, а января до - 49°С.

Климат Антарктиды - самый холодный на всей Земле. В Восточной Антарктиде, на станции Восток температура января (лето) - 32°, августа (зима) -71°С. На побережье несколько мягче: в Мирном в январе - 2°. в августе - 18°С.

Описанные зональные климаты свойственны низменностям, возвышенностям и невысоким плато. В горах климатические условия изменяются с высотой, образуя вертикальную поясность.

8.59 Изменение и развитие климата

Климат - свойство тропосферы, которая входит в географическую оболочку. Естественно поэтому, что климат изменяется вместе со всей природой поверхности Земли. Как одна из сторон природного комплекса он зависит от всех остальных компонентов географической оболочки. В то же время климатические свойства атмосферы теснейшим образом связаны с деятельностью Солнца.

Данные исторической геологии свидетельствуют о том, что климат многих территорий был существенно иным, чем теперь.

Существеннейшее значение для развития атмосферы и климатов (а также гидросферы) имело появление растений, а с ними и фотосинтеза.

В кембрии зарождается зональность климата. Этому способствовали неоднократные поднятия и опускания участков земной коры, перемещение полюсов.

В кембрии, ордовике и силуре на севере нынешней Сибири было тепло, и в морях жили коралловые полипы.

В ордовике на некоторых территориях проявляются черты аридности, в девоне они усиливаются.

В карбоне климат был теплым и влажным, благоприятным для произрастания древовидных хвощей и плаунов. Этому способствовало, вероятно, положение полюсов, богатство атмосферы СО² и водяным паром.

В перми на материке Гондвана было оледенение, о чем говорят ископаемые морены Индии, Африки, Южной Америки, Австралии. В это же время в других районах Земли росли мощные древовидные папоротники - свидетели теплого и влажного климата без резко выраженных сезонов. В перми на территории нынешней Восточной Европы было сухо и отлагались соли, а в Казахстане влажно и тепло; повсеместно усиливается континентальность и развивается циркуляция, принципиально сходная с современной. В это же время постепенно усиливается сезонность. Границы климатических поясов и регионов становятся более четкими.

В мезозое происходили расколы и дрейф огромных блоков земной коры и дальнейшая дифференциация климатов.

Кайнозойская эра ознаменовалась тектоническими движениями альпийской складчатости. Они не только подняли горные страны, но вызвали перераспределение суши и моря. Климат Евразии и Северной Америки от теплого в палеогене изменился до ледникового в плейстоцене.

В неогене в Гренландии росли секвойи, лавры, магнолии. В Северной Европе широко были распространены лиственные леса.

В конце неогена и в антропогене теплый климат сменился холодным, началось оледенение. Оно охватило север Евразии и Северной Америки. В горах Средней Европы и Средней Азии ледники опускались ниже современных. Однако жаркого пояса похолодание не коснулось,

Климатический пессимум плейстоцена 16-10 тыс. лет тому назад сменился современным климатом.

Для объяснения палеоклиматических изменений предложено несколько гипотез. Наиболее убедительна из них теория мобилизма и дрейфа материков. Вздутие центра Гондваны, предшествовавшее ее расколу, подняло территорию в хионосферу и вызвало оледенение. Леса, давшие каменные угли Антарктиды, росли тогда, когда этот, материк был еще около Африки. Перемещение блоков земной коры по поверхности геоида не могло не вызвать смещения его массы относительно оси вращения. Это утверждает теллурическая гипотеза миграции полюсов. Плейстоценовое оледенение многие исследователи объясняют ослаблением переноса тепла в Арктику, вызванным, вероятно, земными факторами, ухудшившими циркуляцию воды и воздуха и Северной Атлантике. Теллурической причиной изменений климата является и увеличение содержания в воздухе СО², который, как известно, создает «оранжерейный эффект». Увеличение количества СО² связывают с периодами горообразования, в которые вулканическая деятельность становится особенно интенсивной. Допускается, что климат карбона был теплым по этой причине.



Тема 9. Гидросфера

Гидросфера - это совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова.

9.1 Происхождение воды

Вода - это самый распространенный на Земле минерал. Наличие воды - это космическая особенность нашей планеты. Практически все процессы в географической оболочке протекают с участием воды. Зарождение и развитие жизни также связано с водой. Вода - основа жизни.

В свете космогонической теории происхождение воды представляется следующим образом. Когда Земля по достижении примерно современной массы стала разогреваться, в мантии начались плавление и дифференциация вещества на летучие, легкоплавкие и тугоплавкие компоненты. Тугоплавкие компоненты остались в мантии, легкоплавкие в виде базальта образовали земную кору, а летучие, в их числе и водяной пар, поднялись на поверхность. По мере охлаждения земной поверхности из водяного пара сформировалась водная оболочка - гидросфера. Она появилась на завершающем этапе формирования планеты Земля.

К началу палеозоя гидросфера Земли приобрела объем, близкий к современному; с тех пор он существенно не изменился. Выделение воды из мантии происходит и в настоящее время - около 1 км³ в год. Эта вода называется ювенильной.

Вода поступает и из космического пространства. Подсчитано, что за геологическое время на Землю могло выпасть 0,73 х 10²⁰ г., или слой в 15 см. Следовательно, межпланетное пространство не может рассматриваться как прародитель воды на Земле.



9.2 Развитие гидросферы

Водная оболочка Земли развивалась вместе с литосферой, атмосферой и живой природой. В архее в жарком климате интенсивно протекал круговорот воды по сокращенной схеме: «океан-атмосфера-океан». В то время не было зеленых растений, вода не разлагалась фотосинтезом, поступала интенсивно ювенильная вода. Объем гидросферы интенсивно увеличивался.

С протерозоя начинается рост массы живого вещества, в развитии гидросферы и атмосферы начинает активно участвовать фотосинтез, изымающий значительное количество воды. В гидросфере появились следующие два противоположно направленных процесса: поступление воды в результате дегазации мантии и изъятие ее фотосинтезом. Одновременно шло развитие материков, рост геосинклиналей, горообразование, формирование мощной коры выветривания. Эти процессы также связывали значительную массу воды и кислорода.

В палеозое литосфера Лавразии и Гондваны переживала бурное геологическое развитие, моря заливали геосинклинали и наступали на платформы, которые неоднократно то поднимались, то погружались. Земная поверхность резко дифференцировалась на материковую и океанскую. Неуклонно росла континентальная часть гидросферы: реки, озера и, особенно, подземные воды. Неоднократно значительные массы воды связывались материковыми ледниками. Это вызывало уменьшение объема океанов и поверхностных вод суши.

Одновременно увеличивалась масса зеленых растений, достигнувшая апогея в карбоне. Дифференцировались климаты и влагообороты. Непрерывно усложнялось взаимодействие в системе «океан-атмосфера-материки».

В мезозое и палеогене (ранний кайнозой) в результате расколов Лавразии и Гондваны и дрейфа блоков литосферы сформировались современные океаны. Возраст океанов различный. Например, впадина Тихого океана является древнейшей, ее дно образовано архейской литосферой. Индийский океан возник в палеозое; южная часть Атлантического океана - в мелу, а северная часть Атлантического океана - в палеогене.

В современной научной географической литературе существует несколько точек зрения относительно развития гидросферы за время, начиная с протерозоя: 1) объем гидросферы оставался постоянным, 2) объем гидросферы непрерывно увеличивался, 3) объем гидросферы постоянно уменьшался.

Гидросфера развивается непрерывно. Особого внимания заслуживает роль фотосинтеза в развитии гидросферы. Фотосинтез изымает и удерживает на некоторое время часть воды. В этом смысле фотосинтез выступает в качестве регулятора объема гидросферы. Без фотосинтеза географической оболочке угрожало бы «затопление». С другой стороны, фотосинтез доставляет в атмосферу свободный кислород. В процессе фотосинтеза безвозвратно разлагается из четырех молекул H₂O только одна, а три снова образуют воду. Следовательно, из общего объема воды, идущей на фотосинтез, изымается только 25%. За 600 млн. лет с начала появления зеленых растений это дает 16,9 млрд. км³, то есть вся свободная гидросфера прошла 12 полных циклов разложения воды. При этом 75% (три молекулы из четырех) используемой и разлагаемой воды обратно возвращается в гидросферу. Следовательно, все природные воды на Земле являются эндогенно-биогенными.

9.3 Единство и части гидросферы

Гидросфера состоит из Мирового океана, вод суши - рек, озер, ледников, а также подземных вод, которые залегают всюду на материках, на дне озерных и морских впадин и под толщей вечных льдов. Гидросфера, таким образом, непрерывна. В гидросферу обычно не включают парообразную и капельно-жидкую воду атмосферы, в которой одновременно содержится около 15 тыс. км³ воды (примерно 0, 001% объема гидросферы).

Объем гидросферы приблизительно равен 1,5 млрд. км³. Главная масса природной воды сосредоточена в океанах - 1 370 322 тыс. км³ (около 94%). Из них примерно 35 тыс. км³ приходится на айсберги. Второе место по объему занимает вода земной коры. Ее объем не поддается точному учету. Однако предполагается, что объем воды, сосредоточенный в земной коре, составляет около 170-200 млн. км³. Третье место по объему воды занимают ледники Антарктиды, Арктики и горных стран. В них сосредоточено около 24 млн. км³ пресных вод. Объем воды в ледниках составляет около 1,65% гидросферы и около 90% запасов пресной воды на Земле.

Поверхностные воды сосредоточивают только 0,04-0,06% вод планеты. Например, объем озерной воды оценивается в 230 тыс. км3. В реках сосредоточено всего 1,2 тыс. км³ (около 0,00001%). Таким образом, единовременный запас пресной воды на Земле составляет около 32 млн. км³. Условно к гидросфере можно причислить воду, содержащуюся в живых организмах.

Воды гидросферы постоянно обновляются. Известно, что льды Антарктиды и Гренландии обновляются за 15 тыс. лет, подземные воды за 300 лет, озерные воды за 3,5 года, почвенные воды за 8-11 месяцев, речные воды за 12 суток.

9.4 Некоторые свойства воды в аспекте ее роли в географической оболочке

Вода (H₂O) - простейшее и устойчивое соединение водорода с кислородом.

1. Вода - единственный минерал, который в термодинамических условиях земной поверхности находится в трех состояниях - жидком, газообразном и твердом. Температура, при которой жидкая вода, пар и лед находятся в равновесии, равна + 0, 01⁰ С.

2. Максимальной плотности вода достигает при температуре 4⁰С. По этой причине зимой невозможна циркуляция воды в водоемах. При понижении температуры от 4⁰С до 0⁰С уменьшается плотность воды. Охлажденная более легкая вода остается на поверхности, а в глубинах водоемов скапливается теплая вода с температурой 40С (точнее 3, 98⁰С).

3. Вода - универсальный растворитель, она взаимодействует со всеми веществами. Универсальная растворительная способность воды обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, в том числе солевой обмен.

4. Вода имеет высокую удельную теплоемкость. Она обеспечивает поглощение большого количества тепла водоемами и их смягчающее действие на климат. При охлаждении 1 м³ воды на 1⁰С на один градус нагревается свыше 3 000 м³ воздуха. Стометровая толща воды при остывании на 1⁰С способна повысить температуру все тропосферы на 6⁰С.

5. Вода может подниматься по капиллярам, что является непременным условием почвообразования и питания растений, а следовательно, и сельскохозяйственного производства.

6. Вода самоочищается. При прохождении через грунт вода фильтруется, испаряется только чистая вода, все примеси остаются на месте.

9.5 Мировой океан, части Мирового океана

Воды Мирового океана занимают около 70,8% площади поверхности нашей планеты и играют исключительно важную роль в развитии географической оболочки. Ввиду исключительной роли Мирового океана в природе Земли принято выделение наряду с гидросферой и океаносферы.

Основными частями Мирового океана являются:

Тихий (Великий) океан,

Атлантический океан,

Индийский океан,

Северный Ледовитый океан.

Иногда выделяют также и Южный океан.

Границы океанов не всегда и не везде проходят по берегам материков, а нередко они проводятся весьма условно. Каждый океан обладает комплексом только ему присущих качеств. Для каждого из них характерна своя система течений, система приливов и отливов, специфическое распределение солености, свой температурный и ледовый режим, своя циркуляция с воздушными течениями, свои характер глубин и господствующие донные отложения.

Море - обособленная часть океана, отличающаяся своими физико-географическими, главным образом гидрологическими и климатическими особенностями. Море может находиться или между двумя материками, или вдаваться в материк, или отделяться от океана полуостровами, островами и подводным рельефом.

В зависимости от характера контакта материков и океанов моря делятся на следующие три типа:

1. Средиземные моря: располагаются между двумя материками или находятся в поясах разлома земной коры; они характеризуются сильной изрезанностью береговой линии, резким перепадом глубин, сейсмичностью и вулканизмом (например, Саргассово море, Красное море, Средиземное море, Мраморное море и др.).

2. Внутренние моря: находятся на шельфе, далеко вдаются вглубь материков; характеризуются небольшими глубинами (например, Белое море, Балтийское море, Гудзоново море и др.).

3. Окраинные моря: расположены или на шельфе или на материковом склоне, отделяются от океана или архипелагами островов или полуостровами; с океаном соединяются на широком фронте (например, Северное море, Норвежское море, Баренцево море, Карское море, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Чукотское море, море Бофорта, Баффина море, Берингово море, Охотское море, Японское море, Желтое море, Южно-Китайское море, Ирландское море, Внутреннее Японское море и др.).

Географическое положение моря во многом определяет его гидрологический режим. Внутренние моря слабо связаны с океаном, поэтому соленость их воды, течения и приливы заметно отличаются от океанских. Режим окраинных морей в сущности океанический.

Режим морей во многом определяется характером контакта материков и океанов. Существует четыре типа контакта материков и океанов:

1. Экваториальный тип. У экваториальных континентов Гондванского происхождения - у Южной Америки, Африки, Австралии, а также Аравии и Индостана - морей практически нет. Береговая линия крайне слабо изрезана, немногочисленны открытые заливы - Гвинейский, Больной Австралийский залив.

2. Северо-Атлантический тип. Северная часть Атлантического океана и Северный Ледовитый океан образуют многие внутренние и окраинные моря и многочисленные заливы, береговая линия сильно изрезана.

3. Восточно-Азиатский тип выражен островными дугами - Курильской, Японской, Рюкю, Филиппинской, отделяющими большие и глубокие окраинные моря.

4. Западно-Американский тип контакта характеризуется соприкосновением открытого океана с подножьем высоких и непрерывных горных систем Анд и Кордильер, идущих вдоль берега и определяющих его прямолинейность (значительная изрезанность северо-западного берега Северной Америки носит экзогенный характер).

Большая часть морей находится у северных материков, особенно у берегов Евразии.



9.6 Уровень океанов и морей

Поверхность Мирового океана геоидальна. Поверхность океана постоянно нарушается общей циркуляцией атмосферы и гидросферы: течениями, приливами, ветрами; близ берегов нарушения вызываются также и местными причинами, например стоком вод с суши. Хотя все части Мирового океана представляют собой сообщающуюся систему, но уровень этих частей е везде одинаков. Более того, этот уровень постоянно изменяется.

В изменении уровня океана в северном умеренном поясе, отличающемся мозаичностью береговой линии, наблюдаются следующие закономерности:

1. На одной и той же широте уровень океана выше у западных берегов, чем у восточных. Например, уровень воды в Кронштадте на 180 см выше, чем во Владивостоке.

2. По меридиану вдоль одного берега уровень повышается с юга на север. Например, в Белом море он на 24 см выше, чем в Балтийском. Основная причина изменения уровня заключается в переносе воды течениями, которые в средних широтах идут преимущественно с юго-запада на северо-восток (Гольфстрим, Куросио). Средние уровни морей, определяемые в отдельных точках на основе многолетних наблюдений, близки к поверхности абсолютно спокойной воды. Они принимаются за исходные при определении абсолютных высот поверхности суши и глубине морей.

9.7 Физико-химические свойства морской воды

Океанская вода - раствор, в котором содержатся все химические элементы. Минерализация воды называется ее соленостью. Она измеряется в тысячных долях, в промилле и обозначается ‰. Средняя соленость Мирового океана составляет 34,7‰ (округленно 35‰). В одной тонне океанской воды содержится 35 кг солей, а общее их количество так велико, что если бы извлечь все соли и равномерно распределить их по поверхности материков, то образовался бы слой мощностью в 135 м.

Океанская вода может рассматриваться в качестве жидкой многоэлементной руды. Из нее добываются поваренная соль, калийные соли, магний, бром и многие другие элементы и соединения.

Минерализация воды - непременное условие зарождения жизни в океане. Именно морские воды оказываются оптимальными для большинства форм живых организмов.

Вопрос о том, какой была соленость воды на заре жизни, в какой именно воде возникло органическое вещество, решается сравнительно однозначно. Вода, выделившись из мантии, захватывала и транспортировала подвижные компоненты магмы, и в первую очередь соли. Поэтому первичные океаны были достаточно минерализованы. С другой стороны, фотосинтезом разлагается и изымается только чистая вода. Следовательно, соленость океанов неуклонно повышается. Данные исторической геологии свидетельствуют о том, что водоемы архея были солоноватыми, то есть их соленость составляла около 10-25 ‰.

9.8 Проникновение света в воду. Прозрачность и цвет морской воды

Проникновение света в воду зависит от ее прозрачности. Прозрачность выражается числом метров, то есть глубиной, на которой еще виден белый диск диаметром 30 см. Наибольшая прозрачность (67 м) наблюдалась в 1971 г. в центральной части Тихого океана. Близка к ней прозрачность Саргассова моря - 62 м по диску диаметром 30 см. Другие акватории с чистой и прозрачной водой располагаются также в тропиках и субтропиках: в Средиземном море - 60 м, в Индийском океане - 50 м. Высокая прозрачность тропических акваторий объясняется особенностями циркуляции воды в них. В морях, где количество взвешенных частиц увеличивается, прозрачность уменьшается. В Северном море она равна 23 м, в Балтийском - 13 м, в Белом - 9 м, в Азовском - 3 м.

Прозрачность воды имеет высокое экологическое, биологическое и географическое значение: вегетация фитопланктона возможна только до глубин, на которые проникает солнечный свет. Для фотосинтеза требуется сравнительно много света, поэтому с глубин 100-150 м, редко 200 м растения исчезают. Нижняя граница фотосинтеза в Средиземном море находится на глубине находится на глубине 150 м 150 м, в Северном море - 45 м, в Балтийском море - всего 20 м.

9.9 Взаимодействие атмосферы и океаносферы

Атмосфера и океаносфера по динамике и структуре весьма близки и образуют единую систему. Однако масса воды в океане в 300 раз больше, чем масса воздуха в атмосфере. Если бы атмосфера имела плотность воды, то толщи ее равнялись бы всего 10 м. В тепловом отношении активнее океан, а в динамическом атмосфера. Относительная высокая плотность и повышенная динамическая устойчивость воды (по сравнению с воздухом) обусловливают и более медленный по сравнению с атмосферой обмен веществами и энергией. Все это способствует стабильности общепланетарных гидрометеорологических процессов.

Взаимодействие воздушной и водной оболочек начинается с тончайшего, в несколько молекулярных диаметров, но не больше 1 мм слоя. Именно с этого слоя происходит испарение, этот слой воспринимает удары и трение воздуха, на него падают лучи. При волнении ветром срываются капли воды с растворенной в них солью. Так происходит механическое испарении. Воздушные пузырьки воды лопаются и в воздухе оказываются водяной пар и кристаллы соли. Под воздействием солнечного тепла происходит физическое испарение. От поверхности моря отрываются молекулы воды, а с ними и соль. Так в атмосферу проникают пар и аэрозоли. При солевом обмене между океаносферой и атмосферой, образно называемом солевым дыханием океана, соли не только переходят из воды в воздух, но меняется их механический состав. Речной сток восполняет убыток сульфатов в океане в процессе обмена солями в системе «океаносфера-атмосфера-суша».

Горизонтальный и вертикальный переносы масс воды в океане осуществляется циркуляционными системами различных размеров. Эти системы принято делить на микро-, мезо- и макроциркуляционные. Обращение воды обычно происходит в форме системы вихрей, которые могут быть циклоническими (масса воды движется против хода часовой стрелки и поднимается) и антициклональными (с движением воды по ходу часовой стрелки и вниз). Движения обоих родов соответствуют атмосферным и порождаются волновыми фронтальными возмущениями. Цикло-антициклоническая деятельность в тропосфере продолжается вниз, в океаносферу. Локализована же она в соответствии с атмосферными фронтами и центрами действия атмосферы.

При постоянном перемещении водных масс в одних местах они сходятся, в других расходятся. Сходимость называется конвергенцией, расходимость - дивергенцией. При конвергенции вода накапливается, уровень океана повышается, увеличивается давление и плотность воды и она опускается. При дивергенции (например, при расхождении течений) происходит понижение уровня и подъем глубинных вод.

Схождение и расхождение может быть между движущейся водной массой (например, течением) и берегом. Если в результате действия силы Кориолиса течение подходит к берегу, то возникает конвергенция и вода опускается. При удалении же течения от берега наблюдается дивергенция, в результате которой поднимается глубинная вода. Наконец, и вертикальная и горизонтальная циркуляция вызывается разностью плотностей воды.

Микроциркуляционные системы в океане имеют форму вихрей циклонического и антициклонического характера диаметром от 200 м до 30 км. Образуются они обычно вдоль волновых возмущений фронта, в глубину проникают на 30-40 м, местами до 150 м и существуют несколько суток.

Мезоциркуляционные системы представляет собой круговороты воды также циклонического и антициклонического характера диаметром от 50 до 200 км и глубиной обычно 200-300 км, иногда до 1 км. Они возникают на изгибах фронтов. Замкнутые круговороты воды формируются и вне связи с фронтами. Их могут вызвать ветер, неровности океанического дна или конфигурация берегов.

Макроциркуляционные системы - это квазистационарные системы планетарного обмена вод, обычно называемые океанскими течениями.

9.10 Структура Мирового океана

Структурой Мирового океана называется его строение - вертикальная стратификация вод, горизонтальная (географическая) поясность, характер водных масс и океанических фронтов.

Вертикальная стратификация Мирового океана

В вертикальном разрезе толща воды распадается на большие слои, аналогичны слоям атмосферы. Их также называют сферами. Выделяются следующие четыре сферы (слоя):

Верхняя сфера формируется непосредственным обменом энергией и веществом с тропосферой в форме микроциркуляционных систем. Она охватывает слой в 200-300 м мощности. Эта верхняя сфера характеризуется интенсивным перемешиванием, проникновением света и значительными колебаниями температуры.

Верхняя сфера распадается на следующие частные слои:

а) самый верхний слой толщиной в несколько десятков сантиметров;

б) слой воздействия ветра глубиной 10-40 см; он участвует в волнении, реагирует на погоду;

в) слой скачка температур, в котором она резко падает от верхнего нагретого к нижнему, не затронутому волнением и не прогретому слою;

г) слой проникновения сезонной циркуляции и изменчивости температур.

Океанские течения обычно захватывают водные массы только верхней сферы.

Промежуточная сфера простирается до глубин 1 500 - 2000 м; ее воды образуются из поверхностных вод при их опускании. При этом они охлаждаются и уплотняются, а затем перемешиваются в горизонтальных направлениях, преимущественно с зональной составляющей. Преобладают горизонтальные переносы водных масс.

Глубинная сфера не доходит до дна примерно на 1 000 м. Этой сфере свойственна определенная однородность. ЕЕ мощность составляет около 2 000 м и она концентрирует более 50% всей воды Мирового океана.

Придонная сфера занимает самый нижний слой толщи океана и простирается на расстояние примерно 1 000 м от дна. Воды этой сферы образуются в холодных поясах, в Арктике и Антарктике и перемещаются на огромных пространствах по глубоким котловинам и желобам. Они воспринимают тепло из недр Земли и взаимодействуют с дном океана. Поэтому при своем движении они значительно трансформируются.

9.10 Водные массы и океанские фронты верхней сферы океана

Водной массой называется сравнительно большой объем воды, формирующийся в определенной акватории Мирового океана и обладающий в течение длительного времени почти постоянными физическими (температура, свет), химическими (газы) и биологическими (планктон) свойствами. Водная масса перемещается как единое целое. Одна масса от другой отделяется океанским фронтом.

Выделяются следующие типы водных масс:

1. Экваториальные водные массы ограничены экваториальным и субэкваториальным фронтами. Они характеризуются самой высокой в открытом океане температурой, пониженной соленостью (до 34-32‰) соленостью, минимальной плотностью, большим содержанием кислорода и фосфатов.

2. Тропические и субтропические водные массы создаются в областях тропических атмосферных антициклонов и ограничены со стороны умеренных поясов тропическим северным и тропическим южным фронтами, а субтропические - северным умеренным и северным южным фронтами. Они характеризуются повышенной соленостью (до 37‰ и более) и большой прозрачностью, бедностью питательными солями и планктоном. В экологическом отношении тропические водные массы представляет собой океанские пустыни.

3. Умеренные водные массы располагаются в умеренных широтах и ограничены со стороны полюсов арктическим и антарктическим фронтами. Они отличаются большой изменчивостью свойств как по географическим широтам, так и по сезонам года. Для умеренных водных масс характерен интенсивный обмен теплом и влагой с атмосферой.

4. Полярные водные массы Арктики и Антарктики характеризуются самой низкой температурой, наибольшей плотностью, повышенным содержанием кислорода. Воды Антарктики интенсивно погружаются в придонную сферу и снабжают ее кислородом.

9.11 Планетарная циркуляция верхней сферы океана. Океанские течения

В соответствии с зональным распределением солнечной энергии по поверхности планеты как в океане, так и в атмосфере создаются однотипные и генетически связанные циркуляционные системы. Старое положение о том, что океанские течения вызываются исключительно ветрами, не подтверждается новейшими научными исследованиями. Перемещение и водных, и воздушных масс определяется общей для атмосферы и гидросферы зональностью: неравномерным нагреванием и охлаждением поверхности Земли. От этого в одних районах возникают восходящие токи и убыль массы, в других - нисходящие токи и увеличение массы (воздуха или воды). Таким образом рождается импульс движения. Перенос масс - приспособление их к полю силы тяжести, стремление к равномерному распределению.

Большинство макроциркуляционных систем держится весь год. Только в северной части Индийского океана течения меняются вслед за муссонами.

Всего на Земле имеется 10 крупных циркуляционных систем:

1) Североатлантическая (Азорская) система;

2) Северотихоокеанская (Гавайская) система;

3) Южноатлантическая система;

4) Южнотихоокеанская система;

5) Июноиндийская система;

6) Экватриальная система;

7) Атлантическая (исландская) система;

8) Тихоокеанская (Алеутская) система;

9) Индийская муссонная система;

10) Антарктическая и Арктическая система.

Главные циркуляционные системы совпадают с центрами действия атмосферы. Эта общность носит генетический характер.

Поверхностное течение отклоняется от направления ветра на угол до 45⁰ вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии. Так, пассатные течения идут с востока на запад, пассаты же дуют с северо-востока в северном полушарии и с юго-востока в южном полушарии. Верхний слой может следовать за ветром. Однако каждый нижележащий слой продолжает отклоняться вправо (влево) от направления движения вышележащего слоя. Скорость течения при этом уменьшается. На некоторой глубине течение принимает противоположное направление, что практически означает его прекращение. Многочисленные измерения показали, что течения оканчиваются на глубинах не более 300 м.

В географической оболочке как системе более высокого, чем океаносфера, уровня - океанские течения - это не только потоки воды, но и полосы переноса воздушных масс, направления обмена веществом и энергией, пути миграции животных и растений.

Тропические антициклонические системы океанских течений самые крупные. Они простираются от одного берега океана до другого на 6-7 тыс. км в Атлантическом океане и 14-15 тыс. км в Тихом океане, а по меридиану от экватора до 40 0 широты, на 4-5 тыс. км. Устойчивые и мощные течения, особенно в северном полушарии, в основном замкнутые.

Как и в тропических атмосферных антициклонах, движение воды идет по часовой стрелке в северном и против часовой стрелки в южном полушарии. От восточных берегов океанов (западных берегов материка) поверхностная вода относится к экватору, на ее место поднимается из глубины (дивергенция) и компенсационно поступает из умеренных широт холодная. Так образуются холодные течения:

Канарское холодное течение;

Калифорнийское холодное течение;

Перуанское холодное течение;

Бенгельское холодное течение;

Западноавстралийское холодное течение и др.

Скорость течений относительно небольшая и составляет около 10 см/сек.

Струи компенсационных течений вливаются в Северное и Южное Пассатные (Экваториальные) теплые течения. Скорость этих течений достаточно большая: 25-50 см/сек на тропической периферии и до 150-200 см/сек близ экватора. Устойчивость соответственно составляет 50 и 75%.

Подходя к берегам материков, пассатные течения, естественно, отклоняются. Образуются крупные сточные течения:

Бразильское течение;

Гвианское течение;

Антильское течение;

Восточноавстралийское течение;

Мадагаскарское течение и др.

Скорость этих течений составляет около 75-100 см/сек.

Благодаря отклоняющему действию вращения Земли центр антициклонической системы течений смещен к западу относительно центра атмосферного антициклона. Поэтому перенос водных масс в умеренные широты сосредоточен в узких полосах у западных берегов океанов.

Гвианское и Антильское течения омывают Антильские острова и большая часть воды заходит в Мексиканский залив. Из него начинается стоковое течение Гольфстрим. Начальный его участок во Флоридском проливе называется Флоридским течением, глубина которого аномальна - до 700 м, ширина 75 км, мощность 25 млн. м³/сек. Температура воды здесь достигает 26⁰С. Достигнув средних широт, водные массы частично возвращаются в эту же систему у западных берегов материков, частично вовлекаются в циклонические системы умеренного пояса.

Экваториальная система представлена Экваториальным противотечением.

Экваториальное противотечение образуется как компенсационное между Пассатными течениями.

Циклонические системы умеренных широт различны в северном и южном полушариях и зависят от расположения материков. Северные циклонические системы - Исландская и Алеутская - весьма обширны: с запада на восток они протягиваются на 5-6 тыс. км и с севера на юг около 2 тыс. км. Система циркуляции в Северной Атлантике начинается теплым Североатлантическим течением. За ним нередко сохраняется название начального Гольфстрима. Однако собственно Гольфстрим как стоковое течение продолжается не далее Нью-Фаундлендской банки. Начиная от 40⁰ с.ш. водные массы вовлекаются в циркуляцию умеренных широт и под действием западного переноса и кориолисовой силы от Берегов Америки направляются к Европе. Благодаря активному водообмену с Северным Ледовитым океаном Североатлантическое течение проникает в полярные широты, где циклоническая деятельность формирует несколько круговоротов - течений Ирмингера, Норвежское, Шпицбергенское, Нордкапское.

Гольфстримом в узком смысле называется стоковое течение от Мексиканского залива до 40⁰ с.ш., в широком смысле - система течений в северной Атлантике и западной части Северного Ледовитого океана.

Второй круговоротнаходится у северо-восточных берегов Америки и включает течения Восточногренландское и Лабрадорское. Они выносят основную массу арктических вод и льдов.

Циркуляция северной части Тихого океана аналогична северо-атлантической, но отличается от нее меньшим водообменном с Северным Ледовитым океаном. Стоковое течение Куросио переходит в Северотихоокеанское, идущее к Северо-Западной Америке. Очень часто эта система течений называется Куросио.

В Северный Ледовитый океан проникает относительно небольшая (36 тыс. км³) масса воды. Холодные течения Алеутское, Камчатское и Ойясио образуются из холодных вод Тихого океана вне связи с Ледовитым.

Циркумполярная антарктическая система Южного океана соответственно океаничности южного полушария представлена одним течением Западных ветров. Это самое мощное течение в Мировом окане. Оно охватывает Землю сплошным кольцом в поясе от 35-40 до 50-60⁰ ю.ш. Ширина его около 2 000 км, мощность 185-215 км3/сек, скорость 25-30 см/сек. В значительной степени это течение определяет самостоятельность Южного океана. Циркумполярное течение Западных ветров незамкнутое: от него отходят ветви, вливающиеся в Перуанское, Бенгельское, Западноавстралийское течения, а с юга, от Антарктиды, в него впадают прибрежные антарктические течения - из морей Уэдделла и Росса.

Арктическая система в циркуляции вод Мирового океана занимает особое место из-за конфигурации Северного Ледовитого океана. Генетически она соответствует Арктическому барическому максимуму и ложбине Исландского минимума. Главное течение здесь - Западное арктическое. Оно перемещает воды и льды с востока на запад по всему Северному Ледовитому океану к проливу Нансена между Шпицбергеном и Гренландией. Дальше оно продолжается Восточногренландским и Лабрадорским. На востоке в Чукотском море от Западного арктического течения отделяется Полярное течение, идущее через полюс к Гренландии и далее - в пролив Нансена.

Циркуляция вод Мирового океана диссимметрична относительно экватора. Диссимметрия течений пока не получила должного научного объяснения. Причина ее, вероятно, заключается в том, что к северу от экватора господствует меридиональный перенос, а в южном полушарии - зональный. Объясняется это также положением и формой материков.

Во внутренних морях циркуляция воды всегда индивидуальна.

9.12 Приливы и отливы

Уровень поверхности океанов и окраинных морей периодически изменяется. Колебание уровня Ады называется приливами и отливами. При приливе уровень воды постепенно повышается и достигает наивысшего положения, которое называется полной водой. Затем происходят отливы, при котором уровень также постепенно падает до минимального, называемого малой водой. На пологих берегах между уровнями полной и малой воды остается полоса осушки.

Теоретически полный цикл (два прилива и два отлива) должен завершиться за 24 часа 50 минут, а каждый прилив и отлив по 6 часов 12 минут и 30 секунд. Действительная же картина осложняется многими причинами.

1. Приливы образуются не только под действием притяжения Луны, но также и Солнца. Приливообразующая сила Солнца в связи с его удаленностью меньше лунной.

2. В течение 27 1/3 суток Луна делает полный оборот вокруг Земли. За это время ее склонение дважды меняется от 23⁰ до 23⁰ южного. Это вызывает суточное неравенство приливов по высоте и продолжительности.

3. Сложность еще больше увеличивается от разнообразного влияния на приливную волну расположения материков и их береговой линии.

Теоретически лунный прилив должен быть высотой 0,53 м, солнечный 0, 24 м, суммарный 0, 77 м. В открытом океане у островов величина прилива довольно близка к теоретической: на Гавайских островах - 1,0 м, Святой Елены - 1,1 м, Фиджи - 1,7 м. У материков со слабо расчлененными берегами высота приливов колеблется около 1,5-2,0 м. С усложнением контуров береговой линии она резко возрастает. Это объясняется нагоном оканской воды в узкие заливы и проливы.

Самый большой на Земле прилив (до 18 м) бывает в бухте Ноэль в заливе Фанди (у Новой Шотландии). Высокие приливы фиксируются также на севере Охотского моря, в Пенжинской губе (до 12 м). Во внутренних морях приливы незначительны: в Черном море - 13 см, в Балтийском море - 4,8 см, в Средиземном море (Венеция) - 1 м.

Общепланетарное значение океанских приливов заключается в создании приливного трения. Приливы и отливы играют определенную роль и в развитии географической оболочки. Они участвуют в перемешивании воды, в формировании берегов, в создании особых экологических условий в прибрежной полосе моря. Весьма значительна роль приливов в морском судоходстве, строительстве портовых сооружений, защите их от разрушений моря и заноса мелкими песками. Каждая приливная волна несет огромную энергию. Там где приливы достаточно высоки, эта энергия может быть успешно использована.



9.12 Волнение водной поверхности

Волнение водной поверхности - частный случай ритмических колебательных движений в природе. При движении одной жидкой массы по другой на плоскости их соприкосновения неизбежно возникают волны.

Волнение водоемов вызывается движением над ними воздушной массы - ветром. При малых скоростях ветра (около 0,25 м/сек) от трения воздуха о воду возникает рябь - система мелких равномерных волн. Они появляются при каждом порыве ветра и мгновенно затухают. При усилении ветра вода испытывает не только трение, но и удары, и при скорости ветра больше 1,0 м/сек устанавливаются волны.

Правильная волна, то есть такая, вершина которой не сорвана ветром, имеет трохоидальную форму. Все водные частицs? Равномерно двигаясь, описывают круговые орбиты около уровня равновесия. Движутся частицы в одну сторону.

В каждый отрезок времени они находятся в разных точках орбиты, это и есть система волн.

Следовательно, волнение представляет собой колебание водной поверхности вверх и вниз около среднего уровня.

Правильная волна характеризуется следующими элементами:

Подошва - наиболее низкая часть волны;

Гребень - самая высокая часть волны;

Крутизна волны - угол между ее профилем (склоном) и горизонтальной плоскостью;

Высота волны - расстояние по вертикали между подошвой и гребнем;

Длина волны - расстояние между двумя подошвами или двумя гребнями.

Быстрота продвижения волн характеризуется их скоростью и периодом.

Скорость волны - расстояние, пробегаемое гребнем (или подошвой) в единицe времени, обычно в секунду.

Период волны равен промежутку времени между прохождением через одну и ту же точку двух последовательных гребней или подошв.

Наибольшие ветровые волны образуются в южном полушарии, где океан непрерывен и где западные ветры постоянны и сильны. Здесь волны достигают 13 м высоты и 400 м длины. Скорость таких волн характеризуется величиной в 20 м/сек, период - 20 сек. В морях волн меньше, даже в Средиземном море они достигают только 5 м.

Под действием ветра волны деформируются. Прежде всего, от ударов ветра нарушается трохоидальная форма, гребень срывается, образуются «барашки». При этом поверхностные частицы получают некоторое поступательное движение. Предмет (например, лодка), находящийся на воде, перемещается благодаря эффекту парусности.

При приближении к берегу на мелководье в результате трения о дно скорость ветра убывает, но возрастает их высота и крутизна. У самого берега волны опрокидываются и образуют прибой. Ветровые волны несут огромную и неисчерпаемую энергию.

Огромные волны - цунами - возникают от землетрясений, моретрясений и извержений прибрежных или подводных вулканов. При взрыве вулкана Кракатау в 1883 году образовалась волна высотой 35 м и длиной 524 км. Она перемещалась со скоростью 189 м/сек. Через 23 часа 31 мин она достигла мыса Горн, конечно, уже сильно ослабленная и уменьшенная.

9.13 Тепловой режим океанов

Океаносфера получает тепло от солнечной радиации. Придонная сфера океана, по крайней мере, в срединных хребтах, воспринимает внутреннее тепло Земли. В рифтах Красного моря и Срединно-Атлантического хребта обнаружена горячая вода (рассол) с температурой 56,58 и даже 72⁰С, обогащенная растворенными металлами. Однако участие этого тепла в климате океана четко не прослеживается. Климат океана определяет, прежде всего, температура воздуха.

Границы климатических зон в океане из-за подвижности воды не столь отчетливы, как на суше. В настоящее время они проводятся по океаническим фронтам. В умеренном климате северного полушария выделяются все четыре времени года, причем зима приходится на январь-март, весна - на апрель-июнь, лето - на июль-сентябрь, осень - на октябрь-декабрь. В Арктике зима длится 6-7 месяцев, с ноября по май, лето только 4-6 недель, с августа по сентябрь.

Средняя температура Мирового океана составляет 17,54⁰С (это только на 3,54⁰С выше, чем на всей Земле: 14⁰С на высоте 2 м от земной поверхности). В Северном полушарии океан на 3⁰С теплее, чем в южном, что объясняется характером циркуляции водных масс: к северу от экватора преобладает меридиональный перенос, а в южном - зональный. Диссиметрия динамики создает диссимметрию поля температуры.

В северной части Атлантического и Тихого океанов меридиональной циркуляцией выносятся огромные массы хорошо прогретой воды жаркого пояса. У 40⁰с.ш. температура воды выше на 2⁰С, а у 60⁰ с.ш. - на 4⁰С температуры этих широт южного полушария. Переход через 0⁰С в южном полушарии наблюдается между 60 и 65⁰ ю.ш., а в северном - между 70 и 75 ⁰ с.ш.

Самый теплый - Тихий океан, его средняя температура составляет 19,3⁰С; затем следуют Индийский океан - 17,2⁰С, Атлантический океан - 16,5⁰С и Северный Ледовитый океан - около 0,7⁰С. Разница климатов объясняется их географическим положением.

На 53% поверхности Мирового океана температура воды выше 20⁰С, и только 17% его площади занято холодной водой.

Хотя максимальное количество солнечной радиации океан усваивает в тропических зонах, самая высокая годовая температура (27,4⁰С) свойственна зоне от 5 до 10⁰ с.ш.

За пределами узкой экваториальной зоны температура воды верхней сферы определяется течениями, так что ход гидроизотермы вполне соответствует циркуляционным системам.

Течения в зависимости от температуры воды бывают нейтральными, теплыми и холодными. Это деление основано не на абсолютной, а на относительной температуре воды. Теплыми называются течения, температура воды в которых выше, чем в окружающих акваториях. Вода холодных течений холоднее сопредельных с ними частей океанов. Теплые течения в полярных широтах несут воду более холодную, чем холодные течения в тропиках. Например, в августе теплое течение у берегов Шпицбергена имеет температуру около 8⁰С, а холодное у Канарских островов около 21⁰С. Но не участвующая в течениях вода у Шпицбергена покрыта льдом, а в районе Канарских островов нагрета до 25⁰С.

В умеренном поясе северного полушария, наоборот, холодными оказываются западные части океанов, где проходят Лабрадорское и Курильское течения. Восточные области океанов согреваются Североатлантическим и Северотихоокеанским течениями. Даже в зимние месяцы температура воды в них составляет от 0 до 0⁰С. Летом на 40⁰ с.ш. она достигает 20⁰С.

В Южном океане, где нет влияния материков, температура изменяется строго зонально: от 10⁰С на 40⁰С до 0⁰ на 60⁰ ю.ш. и далее понижается до границы морских льдов.

В западной части Северного Ледовитого океана вода Североатлантического течения создает положительную температурную аномалию, в остальной же части океана температура воды близка к точке замерзания и образуется лед.

По происхождению льды полярных морей могут быть:

1) собственно морские, образующиеся путем замерзания морской воды;

2) пресноводные, вынесенные реками;

3) материковые, или айсберги.

Вода с соленостью 35‰ замерзает при температуре - 1,9⁰С. Море дольше, чем пресные водоемы суши, остается открытым и согревает сушу.

В Северном Ледовитом океане лед дкержится весь год и постоянно дрейфует. Южная граница подвижных полярных льдов проходит от мыса Святой Нос к западным берегам Шпицбергена, к острову Ян-Майен, по середине Датского пролива, к юго-западной Гренландии и в Девисов пролив.

В северной части Тихого океана лед образуется только на севере Берингова моря и в Охотском море. Дрейфуя, он достигает острова Хоккайдо.

В южном полушарии морские льды идут в морские широты много дальше, чем в северном. Их граница проходит южнее мыса Горн, в Тихом и Индийском океанах достигает 60-55⁰, а в Атлантическом - даже 50⁰ ю.ш.

Особенностью теплового режима океанов (в сравнении с атмосферой) является незначительные годовые амплитуды температур. Наименьшие они в экваториальной зоне близ 5⁰ с.ш. - всего 1⁰С. В тропических широтах амплитуда остается еще небольшой - 3 и 4⁰С, и только в холодных течениях у западных берегов увеличивается до 6 и 8⁰С. С переходом в умеренные широты годовая амплитуда резко возрастает и достигает в среднем 9⁰С. Как и на суше, здесь происходит смена времен года. Особенно ярко она выражена близ восточных берегов Азии в муссонной циркуляции, где амплитуда достигает 20⁰ и 25⁰С.

Сезонные колебания температуры воды захватывают только верхнюю сферу, около 100 м. Ниже они затухают. Причем в акваториях с нисходящим движением воды гидроизотермы погружаются, с восходящими - поднимаются. Ниже 1 500 - 2 000 м температура остается всюду одинаковой - от 2 до 3⁰С и только в Арктике падает до 0,7 ⁰ и даже до -1,4⁰С.



9.14 Газовый режим океаносферы

В воде растворены азот, кислород, углекислый газ, то есть те же газы, которые образуют и атмосферу. Иногда в морях глубокие акватории заражены сероводородом (Черное море). Наибольшее значение имеет, естественно, кислород, так как он обеспечивает биохимические процессы океанической части биосферы и в планетарном газообмене между океаносферой и атмосферой участвует в регулировании газового состава всей воздушной оболочки Земли.

Кислород в океанскую воду поступает в результате фотосинтеза и в процессе газообмена с атмосферой. В результате этих процессов верхний 100-метровый освещенный слой оказывается близким к насыщению кислородом: содержание кислорода составляет 93-97% возможного.

Концентрация кислорода увеличивается с понижением температуры: на экваторе она равна 4,5-6,0 мл/л, в средних широтах 6,0-7,0 мл/л, в Арктике и Антарктике - до 7,5- 8,0 мл/л.

...