Океан и атмосфера - Слава Кан

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.

Дольше всего живут волны зыби, вызванные не ураганами, а сильными, продолжительными штормами. Ветровые волны высотой 11 м могут быть возбуждены штормами со скоростями ветра примерно 25 м/с в течение суток, длина волн может превысить 200 м. О том, как далеко распространяются волны зыби, можно судить по такому примеру. Экспедиционное судно «Седов» осенью 1967 г. около 30° с. ш. встретило зыбь высотой 8 м и длиной 200 м. Она пришла с 55° с. ш.

Исследования показали, что при урагане средней мощности, с наибольшей скоростью ветра 70 м/с и скорости поступательного движения 6 м/с, высота волн стремительно нарастает до 11,8 м, а длина — до 130 м.

Масштабы взаимодействия

Ранее упоминалось о различных масштабах взаимодействия океана и атмосферы. Сюда входят процессы как глобального порядка — продолжительностью в десятилетия, так и протекающие секунды. Уже один этот факт предопределяет подход (его масштабность) к исследованиям. Но и сами процессы взаимодействия связаны друг с другом. Так, мелкомасштабные процессы обмена энергией и веществом в системе «океан — атмосфера» в свою очередь влияют на среднемасштабные и крупномасштабные.

Начинать изучение, по-видимому, нужно с мелкомасштабных, а также среднемасштабных процессов. Немалая роль здесь принадлежит созданию специальной аппаратуры, дающей возможность уловить в природе изменчивость мелкого масштаба. Мелкомасштабные процессы взаимодействия океана и атмосферы лежат в пределах пограничных слоев, распространяющихся на высоту и глубину в интервале 10–20 м, в горизонтальной плоскости до 10—100 м2 и во времени на несколько минут. В этих рамках осуществляется обмен энергией и веществом через пограничные поверхности. Сюда входят поверхностные и внутренние волны в океане, их взаимодействие со слоем воздуха над океаном, локальный теплообмен с атмосферой, турбулентное перемешивание ветрового происхождения и другие процессы.

В последние десятилетия сформулировано основное положение о том, что главными физическими характеристиками мелкомасштабного взаимодействия являются величина и направление горизонтального вектора напряжения турбулентного трения и турбулентные потоки тепла и влаги в приводном слое атмосферы.

Теоретические исследования взаимодействия основываются на теории подобия А. С. Монина и А. М. Обухова [1954]. В последующих работах ряду специалистов удалось получить данные, позволяющие рассчитать основные энергетические характеристики, необходимые для перехода к процессам более крупного масштаба.

В конце 60-х годов в ходе экспедиции на научно-исследовательских судах «Академик Вавилов», «Михаил Ломоносов» и др. непосредственно измерялось воздействие ветра на волны с целью определить закономерности микромасштабного обмена энергией.

К среднемасштабным (их еще называют мезомасштабными) относят процессы взаимодействия с пространственными масштабами от десятков метров до нескольких километров и временными — от часов до суток. Сюда относятся волновые процессы в пограничных слоях приливного и инерционного происхождения и суточные колебания температуры (бризовая циркуляция над морскими побережьями).