Страница:
Так вот, предвосхищать изменения климата в некотором смысле проще, чем предсказывать изменения погоды. Все явления, происходящие в воздухе, в воде и на земной поверхности, строго подчиняются законам природы, многие из которых нам хорошо известны. А следовательно, если составленный прогноз не войдет в противоречие ни с одним из таких законов, у него очень хорошие шансы реализоваться. Обратите внимание, в отличие от прогноза погоды, в данном случае речь не идет о реализации прогноза к какой-то конкретной дате. Предсказываемое может произойти несколькими годами раньше или, наоборот, запоздать, но оно произойдет обязательно!Поясним этот тезис на простом примере. Мальчики пустили по реке два кораблика (рис. 4). Первый из них, оказавшись на середине реки, беспрепятственно проследовал вниз по течению до условного пункта «А», второй же прибился к заводи, далее попал в водоворот и лишь затем, много позже первого, достиг того же пункта «А». Но достиг!
Говоря о прогнозах изменения климата, необходимо упомянуть о двух важных аспектах. Во-первых, существуют предельные сроки, на которые в принципе возможно давать такие прогнозы, исходя из сведений о состоянии климата на сегодняшний день и в прошлом (климатологи в этом случае говорят о предсказуемости климата). Понятно, что несколько десятилетий вполне укладываются в такие временны´е пределы, а вот оценить, каким будет климат в IV тысячелетии, едва ли реально. Предсказуемость климата, совершенно очевидно, зависит от того, насколько точно нам известно его начальное состояние (предсказуемость I рода)[2], и от внешних воздействий на него в период, охватываемый прогнозом (предсказуемость II рода).
Для иллюстрации сказанного сравним предсказуемость климата с изменением состояния финансов некоего бизнесмена в течение ближайших трех месяцев. Размер его банковского счета через три месяца будет определяться суммой, находившейся на его счете сегодня, т. е. в начальный момент времени (аналог предсказуемости I рода), а также доходами и расходами в эти три месяца, как плановыми, так и, возможно, неожиданными. Произвести калькуляцию плановых операций, как правило, не трудно, хуже, когда возникают незапланированные («внешние») обстоятельства (аналог предсказуемости II рода). Последствия таких внешних обстоятельств могут быть как незначительными и кратковременными, так и существенными, приводящими к банкротству.
При реальном прогнозировании изменений климата мы всегда знаем лишь его приближенное начальное состояние, а о многих будущих внешних воздействиях нам ничего не известно. Например, невозможно предвидеть где, когда и какой силы будут извержения вулканов в 2020 г. Здесь мы подходим ко второму важному аспекту: прогноз представляет собой оценку изменений климата под действием «неслучайных» процессов («калькуляцию плановых операций» в вышеприведенном примере). Однако случайные процессы могут весьма заметно исказить эту оценку! И тут на помощь приходит математическая статистика. В частности, продолжая пример с вулканическими извержениями, отметим наличие баз данных, содержащих информацию об их ежегодном количестве, месте, размере и химическом составе вулканических выбросов, а также оценки воздействия этих выбросов на климат, в первую очередь на температуру воздуха. Тогда предположив, что вулканическая активность в 2020 г. будет близка к средней за последние десятилетия, мы можем внести коррективы в оценку будущего изменения климата. Однако в реалиях вулканическая активность 2020 г., вероятно, окажется несколько отличной от такой средней величины.
А потому любой климатический прогноз представляет собой оценку наиболее вероятного изменения климата. Чтобы дать представление о менее вероятных, но вполне возможных отклонениях от такой оценки, одновременно указываются пределы погрешностей климатического прогноза.Разумеется, рано бить в литавры – вероятность ошибочности климатического прогноза достаточно велика. Во-первых, человеку, как известно, свойственно ошибаться. Он может недооценить или переоценить масштабы какого-либо явления или его интенсивность или банально «потерять» нолик в расчетах. Во-вторых, еще замечательный французский математик Пьер Лаплас однажды сказал: «То, что мы знаем, – ограничено, а то, чего не знаем, – бесконечно». Поэтому незнание каких-то законов природы на современном этапе развития науки может временно привести нас к неверным умозаключениям. При всем при этом необходимо понимать, что успешное прогнозирование изменений климата имеет исключительную важность, так как с оглядкой на предполагаемое его состояние уже сегодня принимаются многие хозяйственные и политические решения.
Итак, надеемся, вы почувствовали разницу между понятиями «погода» и «климат». Оставим заботы о состоянии погоды Гидрометцентру и продолжим наш рассказ о климате.
Глава вторая
Система, без которой нам не жить
Природа во всем действует постепенно, и больше тайно, чем открыто. Отношения и влияния здесь глубже и проще, чем кажутся при своем разнообразии, простираются удивительно далеко и чреваты последствиями.
К. Риттер
Климатическая система земли
По состоянию какой части природной среды люди судят о климате? Попробуйте с таким вопросом обратиться к случайному (расположенному к диалогу) прохожему. Почти наверняка его ответ будет кратким и безапелляционным: «Конечно, атмосферы!» Аргументы? – «Они очевидны. Температура, влажность, давление какой субстанции характеризуют климат? Атмосферного воздуха. Ветер – результат движения атмосферных воздушных масс. Ареал носителей осадков – облаков – снова атмосфера!» А температура воды в ближайшем водоеме, например в озере? – «Что ж, в купальный сезон это тоже немаловажно: озеро – не бассейн с подогревом, вода в нем нагревается опять же через атмосферу…». Если подходить с позиций обывателя (в изначальном, не уничижительном смысле этого слова), так оно и есть. Он, обыватель, имеет полное право не вникать в «климатологическую кухню», а пользоваться информацией, «приготовленной» специалистами. Но наш-то с вами путь лежит прямо на эту самую «кухню».
Достаточно очевидно, что климат тесно связан с особенностями границы атмосферы и поверхности Земли – подстилающей поверхности (суши с различными видами растительности и рельефа, океанами, морями и реками). Будет климат «сырым» или «сухим» зависит от близости водоемов или пустынь, свою специфику имеет горный климат и т. д. Климат – продукт целой системы. Природную среду, в которой мы живем и в которой формируется климат нашей планеты, обычно называют климатической системой Земли.
Рис. 5. Составляющие климатической системы Земли и их взаимосвязи
Составляющие климатической системы существенно различаются по массе: масса атмосферы, оцениваемая примерно в 5,3·1015 т, меньше в 5 раз массы слоя грунта толщиной 10 м, в 15 раз уступает массе поверхностного слоя океана толщиной 240 м. Еще разительнее соотношение их суммарных теплоемкостей – 1(атмосфера): 11(грунт): 70(океан). Теплоемкость, как известно, есть мера тепловой инерции вещества. Каждому из нас случалось наблюдать, как летним вечером после захода Солнца раскаленный воздух довольно быстро становится прохладным, в то время как вода в небольшом водоеме вплоть до следующего восхода остается почти такой же теплой. Сказывается то обстоятельство, что вода сохраняет тепло в 4–5 раз эффективнее, чем воздух, т. е. обладает большей, чем воздух, теплоемкостью. Поэтому нет оснований удивляться тому, что 240-метровый поверхностный слой океана, превосходя в 15 раз по массе атмосферу, приблизительно в 70 раз лучше сохраняет тепло. Грунт также обладает большей теплоемкостью, чем воздух, хотя здесь разница заметно меньше.
Понятно, что для описания и количественных оценок взаимодействий между всеми этими сегментами климатической системы необходимо значительное число соответствующих характеристик. Поэтому физических величин, характеризующих текущее состояние климатической системы, насчитывается несколько десятков. Лишь немногие из них (температура воздуха и водоемов, скорость и направление ветра, давление воздуха и осадки) представляют повседневный интерес для обычного человека. Но для специалистов – и синоптиков, и климатологов – не менее важны: положение областей низкого и высокого давления воздуха, наличие или отсутствие облачности, типы и толщина облаков, отражательная способность (альбедо) поверхности, уровни солености и кислотности морской воды, ее температура и многие другие показатели.
С тех пор как получение значений таких показателей посредством спутникового мониторинга стало рутинной процедурой, на головы специалистов регулярно сваливаются мегабайты необходимой им информации. С одной стороны, еще пару десятилетий назад об этом можно было только мечтать, но, с другой, в таком потоке чисел трудно не «утонуть». К счастью, в климатических исследованиях каждое число – результат замера высокочувствительного датчика – не имеет большой самостоятельной ценности, но важно в ряду себе подобных.
Поясним эту несколько заумную фразу на простом примере. Допустим, на метеостанции в течение часа произведено 10 замеров скорости ветра, которые дали следующие результаты:
В какие-то моменты ветер усиливался, в какие-то даже менял направление на противоположное, а общий разброс значений достигал 10,3 м/с. Однако если в нашу задачу не входит анализ его флуктуаций, а интересна лишь общая характеристика за весь час, то резонно использовать в качестве таковой среднее арифметическое всех приведенных замеров. В нашем примере оно равно 2,9 м/с. Два отрицательных значения, несомненно, не отражают превалировавших в этот час тенденций, но дают свой вклад в среднее значение за час (без них среднее из восьми положительных скоростей составляло бы 3,16 м/с, т. е. возросло на 9 %).
В отличие от рассмотренного примера, длина ряда спутниковых измерений выражается числом со многими нулями, так что возможность осреднять данные оказывается «спасательным кругом», который позволяет климатологам «держаться на плаву» в этом океане чисел. Разумеется, вычислением среднего арифметического обработка поступающей информации не ограничивается – используется весь арсенал методов математической статистики.
К сожалению, далеко не все климатические параметры можно непосредственно измерить, и для их получения приходится применять специальные методы (так называемое решение обратных задач), основанные на знании газовых законов, законов оптики атмосферы и др. При этом неизбежны погрешности в значениях таких параметров, устранить или хотя бы уменьшить которые также помогает математическая статистика.
В климатической системе Земли существуют две основные периодичности: суточная (вращение Земли вокруг своей оси) и сезонная (вращение Земли вокруг Солнца), и эти периодичности формируют распределение основных климатических характеристик в пространстве и времени (см. рис. 2 цв. вклейки). Для упорядочения и систематизации этих характеристик часто прибегают к уже знакомому нам усреднению по однородным регионам и интервалам времени, обычно связанным либо с указанными периодичностями (среднесуточные, среднегодовые значения), либо с частями этих периодов (средние часовые, среднемесячные и среднесезонные величины). Среди перечисленных особо выделим месячные осреднения как в некотором смысле естественные: в природе существуют колебания, период которых близок к 30 дням. (Отчасти такие колебания могут быть обусловлены лунными периодами – «лунными месяцами».)[3] Этот факт «узаконивает» широко распространенные месячные осреднения почти всех климатических величин в публикациях и архивах данных измерений. Анализ периодичности флуктуаций температуры нижней атмосферы показал, что их довольно четко можно разделить на флуктуации с периодами меньше месяца (синоптические) и больше месяца (до полугода) соответственно.
Не секрет, что всеобщий интерес вызывают в первую очередь события и явления, суть которых до конца неясна, а развитие проистекает у всех на глазах. Именно таковы климатические явления. Если бы климат не изменялся, едва ли он интересовал бы нас больше, чем упоминавшийся прогноз погоды жителей Мальдивов. Да и неразгаданных загадок у климатической системы осталось великое множество. (В данном случае под изменениями климата подразумевается устойчивая тенденция к изменению какой-либо из его характеристик за длительный промежуток времени.) Как мы уже знаем, увеличение среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха на 0,7 °C с начала ХХ века до настоящего времени дало основание говорить о глобальном потеплении, повлекшем попутно изменения и других климатических характеристик. Существующие же относительно кратковременные изменения будем рассматривать как колебания климата. К этой категории можно отнести и сезонные изменения климатических характеристик, и происходящую раз в два-три года (квазидвухлетнюю) смену направления переноса воздуха в экваториальной стратосфере (на высотах 15–50 км) с запада на восток или обратно, и периодическую перестройку температуры поверхности океана и циркуляции нижней тропосферы (на высотах до 15–17 км) в тропической зоне Тихого и Индийского океанов (явление Эль-Ниньо).
Влияние на текущее состояние климата могут оказывать и некоторые непериодические явления природы, в частности крупные извержения вулканов, сопровождающиеся забросом значительной массы газов и аэрозолей (пепла) в стратосферу. Как показывают измерения, продолжительность их воздействия составляет от одного года до трех лет.
Достаточно очевидно, что климат тесно связан с особенностями границы атмосферы и поверхности Земли – подстилающей поверхности (суши с различными видами растительности и рельефа, океанами, морями и реками). Будет климат «сырым» или «сухим» зависит от близости водоемов или пустынь, свою специфику имеет горный климат и т. д. Климат – продукт целой системы. Природную среду, в которой мы живем и в которой формируется климат нашей планеты, обычно называют климатической системой Земли.
Климатическая система включает в себя не только атмосферу, но и гидросферу (все океаны, моря, озера, реки), и литосферу (сушу), и криосферу (снег, морской и горный лед, а также лед, содержащийся в материковых щитах Гренландии, Антарктиды и полярных островов, и, кроме того, «вечную мерзлоту», захватывающую, представьте, 2/3 российской территории), и, наконец, биосферу, объединяющую все виды живого. Все эти составляющие климатической системы находятся в тесной связи друг с другом, обмениваясь энергией и массой.Классическим примером такого обмена служит круговорот воды в природе. Благодаря способности к фазовым переходам, вода присутствует в климатической системе в разных ипостасях. Водяной пар и мельчайшие облачные частицы являются «полномочными представителями» воды в атмосфере, снег и лед выполняют ту же роль в криосфере, гидросфера по самой своей сути – царство воды, даже тела многих живых организмов в значительной степени (человека – на 70–80 %) состоят из воды. Каждый фазовый переход сопровождается потреблением или выделением тепла (энергии); при этом общая масса воды во всей системе сохраняется, но происходит перераспределение масс в ее составляющих (рис. 5 и рис. 1 цветной вклейки).
Составляющие климатической системы существенно различаются по массе: масса атмосферы, оцениваемая примерно в 5,3·1015 т, меньше в 5 раз массы слоя грунта толщиной 10 м, в 15 раз уступает массе поверхностного слоя океана толщиной 240 м. Еще разительнее соотношение их суммарных теплоемкостей – 1(атмосфера): 11(грунт): 70(океан). Теплоемкость, как известно, есть мера тепловой инерции вещества. Каждому из нас случалось наблюдать, как летним вечером после захода Солнца раскаленный воздух довольно быстро становится прохладным, в то время как вода в небольшом водоеме вплоть до следующего восхода остается почти такой же теплой. Сказывается то обстоятельство, что вода сохраняет тепло в 4–5 раз эффективнее, чем воздух, т. е. обладает большей, чем воздух, теплоемкостью. Поэтому нет оснований удивляться тому, что 240-метровый поверхностный слой океана, превосходя в 15 раз по массе атмосферу, приблизительно в 70 раз лучше сохраняет тепло. Грунт также обладает большей теплоемкостью, чем воздух, хотя здесь разница заметно меньше.
Выбор 10-метрового слоя грунта и 240-метрового слоя океана не случаен – именно такие слои участвуют в сезонном энергообмене (летний нагрев и зимнее их охлаждение) с атмосферой.Самые «тяжелые» сегменты климатической системы – глубинный океан с массой в 240 масс атмосферы и теплоемкостью, превышающей атмосферную в тысячу раз, и материковые льды, которые в 5,4 раза тяжелее атмосферы и обладают теплоемкостью в 11 раз выше атмосферной.
Прямым следствием сказанного является то, что океаны, моря и материковые льды образуют медленно меняющиеся составляющие климатической системы, а атмосфера, поверхность суши и морские льды с относительно малой массой и низкой теплоемкостью находятся в ряду быстро меняющихся сегментов системы. Характеристикой таких изменений служит так называемое время релаксации, т. е. время перехода и установления нового климатического режима при изменении внешних условий. Меньше всего оно у атмосферы – недели и месяцы, а также у поверхностного слоя океана – годы и десятилетия. У материковых льдов из-за больших затрат тепла на таяние время релаксации составляет тысячелетия, но в настоящий период потепления климата наблюдается заметное ускорение этого процесса в ледниках Гренландии и отчасти Антарктиды, что чревато сокращением времени релаксации (исчезновения) до нескольких столетий.Изменения климатических режимов с периодами в несколько десятилетий происходят в атмосфере, биосфере, на поверхности суши и океана, отчасти «тревожа» материковые льды, однако они не захватывают глубинный океан. Только ледниковые периоды прошлого отражались на всех составляющих климатической системы и даже на верхнем слое земной коры – астеносфере, которая «проседала» под тяжестью больших ледниковых щитов Евразии и Северной Америки.
Понятно, что для описания и количественных оценок взаимодействий между всеми этими сегментами климатической системы необходимо значительное число соответствующих характеристик. Поэтому физических величин, характеризующих текущее состояние климатической системы, насчитывается несколько десятков. Лишь немногие из них (температура воздуха и водоемов, скорость и направление ветра, давление воздуха и осадки) представляют повседневный интерес для обычного человека. Но для специалистов – и синоптиков, и климатологов – не менее важны: положение областей низкого и высокого давления воздуха, наличие или отсутствие облачности, типы и толщина облаков, отражательная способность (альбедо) поверхности, уровни солености и кислотности морской воды, ее температура и многие другие показатели.
С тех пор как получение значений таких показателей посредством спутникового мониторинга стало рутинной процедурой, на головы специалистов регулярно сваливаются мегабайты необходимой им информации. С одной стороны, еще пару десятилетий назад об этом можно было только мечтать, но, с другой, в таком потоке чисел трудно не «утонуть». К счастью, в климатических исследованиях каждое число – результат замера высокочувствительного датчика – не имеет большой самостоятельной ценности, но важно в ряду себе подобных.
Поясним эту несколько заумную фразу на простом примере. Допустим, на метеостанции в течение часа произведено 10 замеров скорости ветра, которые дали следующие результаты:
В отличие от рассмотренного примера, длина ряда спутниковых измерений выражается числом со многими нулями, так что возможность осреднять данные оказывается «спасательным кругом», который позволяет климатологам «держаться на плаву» в этом океане чисел. Разумеется, вычислением среднего арифметического обработка поступающей информации не ограничивается – используется весь арсенал методов математической статистики.
К сожалению, далеко не все климатические параметры можно непосредственно измерить, и для их получения приходится применять специальные методы (так называемое решение обратных задач), основанные на знании газовых законов, законов оптики атмосферы и др. При этом неизбежны погрешности в значениях таких параметров, устранить или хотя бы уменьшить которые также помогает математическая статистика.
В климатической системе Земли существуют две основные периодичности: суточная (вращение Земли вокруг своей оси) и сезонная (вращение Земли вокруг Солнца), и эти периодичности формируют распределение основных климатических характеристик в пространстве и времени (см. рис. 2 цв. вклейки). Для упорядочения и систематизации этих характеристик часто прибегают к уже знакомому нам усреднению по однородным регионам и интервалам времени, обычно связанным либо с указанными периодичностями (среднесуточные, среднегодовые значения), либо с частями этих периодов (средние часовые, среднемесячные и среднесезонные величины). Среди перечисленных особо выделим месячные осреднения как в некотором смысле естественные: в природе существуют колебания, период которых близок к 30 дням. (Отчасти такие колебания могут быть обусловлены лунными периодами – «лунными месяцами».)[3] Этот факт «узаконивает» широко распространенные месячные осреднения почти всех климатических величин в публикациях и архивах данных измерений. Анализ периодичности флуктуаций температуры нижней атмосферы показал, что их довольно четко можно разделить на флуктуации с периодами меньше месяца (синоптические) и больше месяца (до полугода) соответственно.
Не секрет, что всеобщий интерес вызывают в первую очередь события и явления, суть которых до конца неясна, а развитие проистекает у всех на глазах. Именно таковы климатические явления. Если бы климат не изменялся, едва ли он интересовал бы нас больше, чем упоминавшийся прогноз погоды жителей Мальдивов. Да и неразгаданных загадок у климатической системы осталось великое множество. (В данном случае под изменениями климата подразумевается устойчивая тенденция к изменению какой-либо из его характеристик за длительный промежуток времени.) Как мы уже знаем, увеличение среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха на 0,7 °C с начала ХХ века до настоящего времени дало основание говорить о глобальном потеплении, повлекшем попутно изменения и других климатических характеристик. Существующие же относительно кратковременные изменения будем рассматривать как колебания климата. К этой категории можно отнести и сезонные изменения климатических характеристик, и происходящую раз в два-три года (квазидвухлетнюю) смену направления переноса воздуха в экваториальной стратосфере (на высотах 15–50 км) с запада на восток или обратно, и периодическую перестройку температуры поверхности океана и циркуляции нижней тропосферы (на высотах до 15–17 км) в тропической зоне Тихого и Индийского океанов (явление Эль-Ниньо).
Влияние на текущее состояние климата могут оказывать и некоторые непериодические явления природы, в частности крупные извержения вулканов, сопровождающиеся забросом значительной массы газов и аэрозолей (пепла) в стратосферу. Как показывают измерения, продолжительность их воздействия составляет от одного года до трех лет.
Итак, отдельные части климатической системы Земли постоянно эволюционируют и взаимодействуют друг с другом.Давайте поговорим об этом подробнее.
Глава третья
На земле, в небесах и на море
Все течет. Все меняется.
Гераклит (предположительно)
Что происходит внутри климатической системы
Земля, воздух, вода – три стихии, от состояния которых зависит и качество нашей жизни, и само ее существование. Они же (в большей степени – воздух, т. е. атмосфера, в меньшей – остальные) воплощают в нашем сознании климат и его изменения. Это ли не основание приглядеться к ним повнимательнее!
Океан
«Земля» в русском языке не только название планеты, но и синоним суши, почвы, грунта. Тем самым как бы подчеркивается точный адрес «места жительства» человеческой цивилизации. Однако если бы имя нашей «голубой планете» давал астроном-инопланетянин, скорее всего он назвал бы ее «Океан»: как-никак 70,8 % поверхности Земли (60,6 % в Северном полушарии и 81 % в Южном) покрыто водой.
Как уже говорилось, океан лидирует в климатической системе по массе и теплоемкости, а значит, и по роли в долговременных изменениях всей системы. Океан является основным энергоаккумулятором климатической системы, забирающим дополнительную энергию Солнца в теплое полугодие (в каждом полушарии свое!) и отдающим энергию в атмосферу в холодное полугодие. В этом океан подобен аккумулятору автомашины: как она не заводится без аккумулятора, так и климатическая система «не работает» без постоянного участия океана.
Таблица 1. Сравнительные характеристики океанов
* Средняя глубина Мирового океана – ~3700 м.
** Средняя приповерхностная температура вод Мирового океана – 17,5 °C
Ежегодно с поверхности океанов испаряется пласт воды толщиной около одного метра и примерно столько же воды возвращается в океан в виде осадков и стока с поверхности суши.
Океаны – сосуды сообщающиеся, и при их обмене водами происходит обмен теплом, который определяет региональный и глобальный климат.
Все океаны имеют свою специфику, поэтому кратко остановимся на их особенностях (см. рис. 3 цв. вклейки).
Начнем с Северного Ледовитого океана – по размерам самого маленького, но самого близкого и важного для нас, для России. Он имеет, по существу, один канал связи с Мировым (Атлантическим) океаном – через пролив Фрама и Гренландское море. Узкий и мелкий Берингов пролив не в счет: он не обеспечивает заметного водообмена между Северным Ледовитым и Тихим океанами. Части Северного Ледовитого океана, находящиеся в западном и восточном полушариях, различны: в восточном – более мелкая его часть от Норвежского моря до Берингова с цепочкой морей, разделяемых известными островами: от Шпицбергена до острова Врангеля. В моря между этими островами северные реки России выносят много относительно теплой пресной воды. На западное полушарие приходится север Гренландии и значительные по площади острова Канадского архипелага, продвинутые на север дальше островов Восточного сектора Северного Ледовитого океана. Здесь глубины океана больше и нет значительных рек, «согревающих» данный сектор.
Основная особенность Северного Ледовитого океана – морские льды, постоянно образующиеся, переносимые ветрами и морскими течениями и постепенно тающие. Общая площадь льдов Северного Ледовитого океана сильно меняется по сезонам с максимумом в марте (в холодное время года льдами покрыто около 9/10 его площади) и минимумом в сентябре. Амплитуда этого сезонного изменения значительно больше в Восточном секторе и имеет тенденцию к росту в последние десятилетия.
Как уже говорилось, океан лидирует в климатической системе по массе и теплоемкости, а значит, и по роли в долговременных изменениях всей системы. Океан является основным энергоаккумулятором климатической системы, забирающим дополнительную энергию Солнца в теплое полугодие (в каждом полушарии свое!) и отдающим энергию в атмосферу в холодное полугодие. В этом океан подобен аккумулятору автомашины: как она не заводится без аккумулятора, так и климатическая система «не работает» без постоянного участия океана.
Подсчитано, что не будь на Земле океана, средняя температура ее поверхности была бы -21 °C, т. е. на 36 °C ниже существующей.В отличие от атмосферы – единого слоя на земном шаре, Мировой океан состоит из четырех крупных сосудов – океанов: Тихого, Индийского, Атлантического и Северного Ледовитого. Иногда еще выделяют Южный океан – южные части Тихого, Индийского и Атлантического океанов, примыкающие к Антарктиде. Он соединяет все эти «сосуды» в одну систему – Мировой океан. Основные характеристики каждого из океанов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительные характеристики океанов
** Средняя приповерхностная температура вод Мирового океана – 17,5 °C
Ежегодно с поверхности океанов испаряется пласт воды толщиной около одного метра и примерно столько же воды возвращается в океан в виде осадков и стока с поверхности суши.
Морская вода представляет собой раствор 44 химических элементов; если всю морскую соль распределить в сухом виде по поверхности суши, образуется слой толщиной почти 150 м!Средняя соленость воды Мирового океана составляет 35 г/кг (т. е. в 1 кг воды содержится около 35 г солей), в тропических морях она доходит до 42 г/кг, а наименьшие ее значения – в устьях крупных рек.
Океаны – сосуды сообщающиеся, и при их обмене водами происходит обмен теплом, который определяет региональный и глобальный климат.
Все океаны имеют свою специфику, поэтому кратко остановимся на их особенностях (см. рис. 3 цв. вклейки).
Начнем с Северного Ледовитого океана – по размерам самого маленького, но самого близкого и важного для нас, для России. Он имеет, по существу, один канал связи с Мировым (Атлантическим) океаном – через пролив Фрама и Гренландское море. Узкий и мелкий Берингов пролив не в счет: он не обеспечивает заметного водообмена между Северным Ледовитым и Тихим океанами. Части Северного Ледовитого океана, находящиеся в западном и восточном полушариях, различны: в восточном – более мелкая его часть от Норвежского моря до Берингова с цепочкой морей, разделяемых известными островами: от Шпицбергена до острова Врангеля. В моря между этими островами северные реки России выносят много относительно теплой пресной воды. На западное полушарие приходится север Гренландии и значительные по площади острова Канадского архипелага, продвинутые на север дальше островов Восточного сектора Северного Ледовитого океана. Здесь глубины океана больше и нет значительных рек, «согревающих» данный сектор.
Основная особенность Северного Ледовитого океана – морские льды, постоянно образующиеся, переносимые ветрами и морскими течениями и постепенно тающие. Общая площадь льдов Северного Ледовитого океана сильно меняется по сезонам с максимумом в марте (в холодное время года льдами покрыто около 9/10 его площади) и минимумом в сентябре. Амплитуда этого сезонного изменения значительно больше в Восточном секторе и имеет тенденцию к росту в последние десятилетия.
Морские льды – «одеяло», затрудняющее поступление тепла из океана в холодную полярную атмосферу. Основной поток этого тепла поступает через разрывы льдов – полыньи, быстро меняющиеся по форме и местоположению в зависимости от дрейфа (переноса) морских льдов ветрами. Уменьшение площади льдов в Восточном секторе Северного Ледовитого океана усиливает там прогрев атмосферы океаном и еще больше сокращает эту площадь, что и отмечается наблюдениями в последние годы.Атлантический океан связан с Северным Ледовитым океаном, он главный «организатор» глобального океанического конвейера (см. рис. 4 цв. вклейки) и формирователь погоды и климата Европы и большей части России. В его северной части образуется система дрейфовых течений, начинающаяся с экваториальных переносов поверхностных вод на Запад. Эта система производит переносящий 75 млн т воды в секунду Гольфстрим («поток из залива»). Гольфстрим – не единственный водный переносчик тепла из тропиков. Аналогичное течение Куросио (переносит 65 млн т воды в секунду) находится у берегов Японии, а холодные Камчатское и Лабрадорское течения охлаждают соседние регионы.
Системы дрейфовых течений поверхностных вод в Атлантике (и в других океанах) образуются под действием ветров постоянной силы и направления (пассатов, с ними мы еще встретимся). Такие течения служат главными переносчиками тепла и холода между тропиками и другими широтами и наблюдаются во всех океанах.Однако в Атлантике основное значение для климатической системы имеют так называемые термохалинные (теплосолевые) течения – основа глобального океанического конвейера. В северной части океана поверхностные воды охлаждаются, опускаются в его придонный слой и движутся вдоль дна на юг, давая начало главной ветви глобального океанического конвейера. В южной Атлантике эти воды поступают в систему глубинных потоков Южного океана и заносятся с ними в Тихий и Индийский океаны. В ряде мест, в основном в субтропических и тропических широтах, данные глубинные холодные воды поднимаются к поверхностному слою и образуют так называемые зоны апвеллинга (upwelling, от англ. well – колодец). Здесь холодные глубинные воды, богатые химическими элементами, служат питательной средой для морской биоты (живых существ), а потому именно в этих местах преимущественно ведутся морские промыслы. В меньшей степени опускание на дно холодных поверхностных вод происходит в Южном океане у берегов Антарктиды, и они также поступают в глобальный океанический конвейер.