Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 6.1.12 Взаємодія океану та атмосфери

За сучасними уявленнями, гідросфера — це переривчаста волна оболонка Землі, яка знаходиться між атмосферою і твердою земною корою — літосферою. Вона являє собою сукупність океанів, морів, озер, рік, боліт, а також підземних вод. Гідросфера вкриває близько 71% земної поверхні; її об'єм становить приблизно 1370 мли км3 (1/800 загального об'єму планети); маса 1,4-1018 кг, з яких 98,3% зосереджено в океанах і морях. Хімічний склад гідросфери приблизно такий же, як і склад морської води. Крім того, вода є складовою частиною атмосфери, у якій вона знаходиться у вигляді пари, водяних крапельок і крижаних кристалів. Вола також є основною складовою частиною рослин і тварин.

Вода (Н2O) є продуктом поєднання найлегшого елемента — водню — з киснем. На поверхні Землі вода існує в трьох станах — твердому (лід), рідкому (вода) і газоподібному (водяна пара). Тиск і температура визначають стан, у якому перебуває вода. Точка на діаграмі температура — тиск, у якій вода співіснує в трьох станах, — рідкому, твердому й газоподібному — називається потрійною точкою. Це явище можна спостерігати при температурі 0,01 С и тиску 105 Паскаль. Вода має велику теплоємність, тобто потрібна велика кількість тепла для того, щоб перетворити її на водяну пару або щоб розтопити лід.

При вертикальному переміщенні води в озерах і морях її питомий об'єм змінюється залежно від температури й тиску. Лід має меншу щільність, ніж рідка вода. У результаті лід плаває на поверхні води. Коли вода замерзає, проникаючи в тріщини гірських порід, то об'єм води збільшується і породи із часом руйнуються. Лід, плава* юч и на воді, захищає життя в озерах і морях. Шар льоду ізолює воду від холодного повітря над нею і тим самим сповільнює подальше замерзання. Якби лід був щільнішим за воду, то, утворившись на поверхні водойми, він опускався б на дно, сприяючи утворенню нових порцій льоду на поверхні. У кінцевому підсумку озеро промерзло б до дна. Для життя в озерах та інших водоймах дуже важливим є те, що прісна вода з температурою 4 °С при тиску 1 атм. має мінімальний питомий об'єм, отже, максимальну щільність. Як тільки температура верхніх шарів на поверхні озера знизиться, холодна вода стане більш щільною, ніж шари, що лежать нижче, і вона опускається вниз, на дно. Однак, якщо температура в озері становитиме 4 °С, подальше охолодження не призведе до опускання води. Температура води на дні водойми взимку буде близько 4 С, хоч на поверхні озера може бути більш холодна вода і навіть лід.

Іншою важливою властивістю води є те, що вона — прекрасний розчинник. Більшість речовин якоюсь мірою розчиняються у воді, а багато речовин розчиняються дуже добре.

Морська вода є розчином складної суміші солей у воді. У морській воді відкритого океану незалежно від абсолютної концентрації кількісні співвідношення основних солей завжди приблизно однакові. Коли вміст солей збільшується, щільність води зростає, а температура замерзання й максимальна щільність знижуються. Солоність морської води визначається за вмістом хлоридів або за її електропровідністю. Наявність солей завжди трохи знижує теплоємність води. Тому зростання вмісту солей сприяє швидшому нагріванню води.

Коли морська вода замерзає, більша частина солей виділяється з льоду й переходить у рідину. Кількаразовим заморожуванням морську воду можна очистити й одержати прісну.

6.1.12 Взаємодія океану та атмосфери

Поверхня океану являє собою арену взаємодії гідросфери та атмосфери. Межа розділу між океаном та атмосферою не є різкою границею між рідкою і газоподібною оболонками Землі. Океанічна поверхня являє собою транзитну зону, де здійснюється взаємодія та обмін речовиною й енергією між оболонками планети. Це своєрідна сполучна ланка в ланцюгу взаємодії океану й атмосфери.

Повітря й верхній шар води в океані перебувають у постійному контакті. Якщо повітря тепліше від води, то тепло переноситися з атмосфери у воду; якщо теплішою виявиться вода, перенесення тепла відбуватиметься в протилежному напрямку. Тенденція перенесення завжди спрямована до вирівнювання температури. Перенесення тепла з океану в атмосферу здійснюється через поверхню океану шляхом турбулентного обміну. Якщо вода тепліша за повітря, то повітря, яке перебуває в контакті з водною поверхнею, нагрівається доти, поки температура не вирівняється. Чим більша різниця температур, тим більша швидкість перенесення тепла. Однак для встановлення рівноваги між повітрям і водою недостатньо однієї рівності їх температур. Крім перенесення явного тепла, яке нагріває повітря, існує ще й перенесення тепла випаровування. Тільки за умови одночасного дотримання рівності температур повітря й води та насиченні повітря водяною парою вода й повітря перебувають у стані рівноваги. Контактуючи з більш теплою водою, повітря потребує більшого вмісту водяної пари, щоб залишатися насиченим.

Щоб перетворити рідку воду на водяну пару, необхідно затратити певну кількість енергії — йдеться про так звану теплоту випаровування. Це приховане тепло, яке надходить у повітря, реалізується в атмосфері, коли волога знову конденсується й випадає назад в океан у вигляді дощу або снігу.

Таким чином, тепло, яке надходить з водної поверхні в атмосферу, складається з двох частин — явного й прихованого тепла. Оскільки теплоємність повітря майже не залежить від температури, явне тепло, необхідне для відновлення рівноваги за існування даної різниці в температурах, також не залежить від температури. Навпаки, вміст вологи в насиченому повітрі збільшується із зростанням температури. У результаті кількість прихованого тепла збільшується в міру нагрівання повітря. Таким чином, для того, щоб підвищити температуру повітря на один градус, потрібно затратити набагато більше тепла в тропіках, ніж у полярних районах. Якщо над океаном повітря завжди близьке до стану насичення, то над суходолом це не так. Оскільки волога, яка насичує повітря над сушею, надходить із ґрунту або з поверхні рослинності, приповерхневий шар повітря, особливо в посушливих районах, буде мати низьку відносну вологість. Тому повітря переноситиме незначну кількість прихованого тепла. Таке повітря нагріватиметься швидше, і тому літні температури над суходолом вищі, ніж над океаном. Витрати тепла на випаровування й швидке збільшення вмісту водяної пари із зростанням температури визначають межі нагрівання повітря над океаном. Наявність водної поверхні обмежує максимум температури повітря.

Перенос прихованого тепла спричинює зміну температури води, а саме випаровування водяної пари — збільшення солоності моря. Необхідність збереження глобального балансу між випаровуванням та опадами зумовлює на локальному рівні виникнення потоку вологи в атмосфері між різними широтами. Між екватором і 23" пн.ш. загальний потік спрямований на південь, північніше цієї широти існує тенденція переміщення водяної пари до полюса.

Оскільки щільніші шари води опускаються на глибину, витісняючи більш теплі й легкі шари нагору, придонна частина океанів заповнена холодними антарктичними водами, а більш теплі екваторіальні води підстилають холодні води з підвищеною солоністю, сформовані близько максимуму солоності. Таким чином, обмін теплом і солями на поверхні океану, контролюючи зміну щільності поверхневих вод, визначає і глибинну циркуляцію океанічних вод. Після опускання водної маси на глибину її характеристики можуть змінюватися тільки шляхом змішування з іншими водами. Тому характеристики морських вод залежать винятково від взаємодії моря з атмосферою.