WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |

«Предисловие редактора перевода... будет завершено после окончания работы над проектом. Перевод главы 1 — Николай Колдунов, главы 2 — Николай Колдунов, главы 3 — ...»

-- [ Страница 1 ] --

Предисловие редактора

перевода

... будет завершено после окончания работы над проектом.

Перевод главы 1 — Николай Колдунов, главы 2 — Николай Колдунов,

главы 3 — Николай Колдунов, главы 4 — Галина Суркова, Дмитрий Чечин,

главы 5 — редактор перевода, главы 6 — Николай Колдунов, главы 7 —

Николай Колдунов, главы 8 — Николай Колдунов, главы 9 — Настя К.,

редактор перевода, главы 10 — Тронь Александр Анатольевич, главы 11 —

редактор перевода, главы 12 — Павел Файман, главы 13 — редактор перевода, главы 14 — Таня Алексеева, редактор перевода, главы 15 — Анна Акимова, главы 16 — редактор перевода, главы 17 — Виктор Колдунов, редактор перевода.

Переводчики искренне благодарны всем, кто внес свои предложения по улучшению качества перевода и сообщал о найденных в нем ошибках. Особо следует отметить решающий вклад участника форума oceanographers.ru под псевдонимом Jo.

Текущая версия перевода доступна по адресу:

http://itpo_ru.bitbucket.org/itpo_ru.pdf.

По техническим причинам, файл, полученный по данной ссылке, может оказаться поврежденным. В этом случае следует воспользоваться альтернативной ссылкой на архив сайта:

http://bitbucket.org/itpo_ru/itpo_ru.bitbucket.org/get/tip.zip.

Сообщить о найденных ошибках, а также внести любые другие предложения по улучшению качества учебника или принять участие в их обсуждении можно либо на странице форума oceanographers.ru, посвященной данному переводу:

http://www.oceanographers.ru/forum/viewtopic.php?f=2&t=897, либо непосредственно на сайте проекта:

https://bitbucket.org/itpo_ru/itpo_ru.bitbucket.org/issues?

status=new&status=open.

На данном этапе работы над переводом особо важна вычитка глав 14–17, которые пока еще не проверялись никем из специалистов. Также команда переводчиков будет рада любым предложениям по включению в текст сведений о научных результатах, полученных после выхода в свет последней версии оригинала.

Глава Исследовательское путешествие Влияние океана на погоду и климат часто обсуждается в новостях. Кто не слышал об Эль-Ниньо, изменении погоды, Атлантическом сезоне ураганов и штормовых нагонах? Однако, какую именно роль в этих процессах играет океан, и почему нас заботит подобный вопрос?





1.1 Зачем изучать физику океана?

Ответ зависит от наших интересов, которые, в свою очередь, определяются тем, как мы используем океан. Следующие три аспекта имеют особую важность:

• Океан — источник пищи. Поэтому мы интересуемся влияющими на него процессами так же, как фермеры — погодой и климатом. Океану не просто присущи некоторые погодные условия, такие как изменения температуры и течения; важность этих характеристик в том, что они определяют биологическую продуктивность моря. С другой стороны, атмосферные условия редко затрагивают плодородие почвы, за исключением разве что небольшого количества азота, фиксируемого молниями.

• Океан используется человеком. Мы строим различные сооружения на побережье или просто в море, транспортируем грузы, добываем нефть и газ, а также отдыхаем: купаемся, катаемся на лодках, рыбачим, занимаемся серфингом и подводным плаванием. Таким образом, нам интересны процессы, которые влияют на эту деятельность, особенно волны, ветры, течения и температура.

• Океан влияет на погоду и климат: распределение дождей, засух, наводнений, региональный климат и развитие штормов, ураганов и тайфунов. Следовательно, нам интересно взаимодействие океана с атмосферой, особенно потоки тепла и воды, проходящие через поверхность моря, транспорт тепла океанами, а также их влияние на климат и синоптическую ситуацию.

4 Глава 1. Исследовательское путешествие Эти темы влияют на выбор объектов изучения. Объекты определяют, что мы меряем, как производим измерения и где. Некоторые процессы локальны, такие как разрушение волн на пляже, некоторые — региональны, такие как влияние севера Тихого океана на погоду Аляски, а некоторые — глобальны, такие как влияние океанов на изменение климата и глобальное потепление.

Если эти причины для изучения океана действительно важны, давайте начнём наше исследовательское путешествие. Любому путешествию необходим пункт назначения. Какой же следует избрать нам?

1.2 Цели В целом, я надеюсь, что студенты почерпнут из этого учебника представление о главных концептуальных схемах (или теориях) физической океанографии, лежащих в её основе, о том, какой путь в процессе их построения довелось пройти науке, а также о причинах их широкого признания. Помимо этого мы познакомимся с методами, которыми океанографы извлекают закономерности из океана случайностей, и рассмотрим роль эксперимента в океанографии (перефразируя [301, стр. 89]).

В частности, я ожидаю, что читательская аудитория будет в итоге способна описать физические процессы, происходящие в океанах и прибрежных зонах, взаимодействие океана и атмосферы, распределение океанских ветров, течений, потоков тепла и водных масс. В тексте общим идеям уделено большее внимание, чем математическим выкладкам. Мы постараемся ответить на следующие вопросы:

1. Какова основа нашего понимания физики океана?

• Что такое физические свойства морской воды?

• Каковы важные термодинамические и динамические процессы, влияющие на океан?





• Какие уравнения описывают эти процессы, и как они выведены?

• Какие допущения мы использовали для их вывода?

• Имеют ли эти уравнения полезные решения?

• Насколько хорошо эти решения описывают процесс? То есть, каковы экспериментальные основания теорий?

• Какие процессы плохо понятны? Какие — хорошо?

2. Каковы источники информации о физических переменных?

• Какие инструменты используются для измерения каждой переменной?

• Каковы их точность и ограничения?

• Какие данные существуют за длительный период времени?

• Какая платформа используется: cпутники, корабли, буи, буйковые станции?

3. Какие процессы важны? Некоторые важные процессы, которые мы будем изучать, включают:

• накопление и транспорт тепла в океанах;

• обмен теплом с атмосферой и роль океана в климате;

• ветровое и температурное воздействие на поверхностный слой перемешивания;

• ветровую циркуляцию (включая экмановский перенос, экмановскую подкачку глубинной циркуляции, а также апвеллинг).

• динамику океанических течений (в частности, геострофические течения и роль завихренности);

• формирование типов воды и водных масс;

• глубинную циркуляцию океана;

• экваториальную динамику, Эль-Ниньо и влияние океана на погоду;

• математические модели циркуляции;

• волны в океане (в том числе поверхностные волны, инерционные колебания, приливы и цунами);

• волны в мелкой воде, прибрежные процессы и предсказание приливов.

4. Каковы основные течения и водные массы в океане, что определяет их распределение?

1.3 Организация (структура) Перед тем, как начать путешествие, мы обычно стараемся узнать о тех местах, которые собираемся посетить, для чего изучаем карты и путеводители. В нашей книге путеводителями будут статьи и книги, написанные океанографами. Мы начнем с краткого обзора того, что известно об океанах. Затем продолжим описанием океанских бассейнов, чтобы понять, как форма морей влияет на физические процессы в воде. Далее мы рассмотрим внешние силы, ветер и тепло, действующие на океан, и его отклик на них.

Во время изучения будут изложены необходимые теоретические сведения и представлены натурные данные.

К тому времени, когда мы достигнем главы 7, нам необходимо будет понять уравнения, описывающие динамическую реакцию океана. Так, мы рассмотрим уравнения движения, влияние вращения Земли и вязкости. Это приведёт к изучению ветровых океанических течений, геострофического приближения и важности постоянства вихря.

В дальнейшем мы обсудим некоторые частные примеры: глубинную циркуляцию, экваториальный океан и Эль-Ниньо, а также циркуляцию отдельных частей океана. Затем рассмотрим роль математического моделирования в описании океана. В завершение мы изучим прибрежные процессы, волны, приливы, предсказание волн и приливов, цунами и штормовые нагоны.

1.4 Общая картина Океан представляет собой одну из частей географической оболочки. Он оказывает влияние на атмосферные процессы путем переноса массы, момента и энергии через водную поверхность. Речной сток, вместе с растворёнными в нем минеральными веществами, тоже в конечном итоге оказывается в океане. Накопленные осадочные материалы со временем становятся скальной породой на суше. Следовательно, понимание океана важно для получения картины всей Земли как системы в целом, так и вопросов глобальной смены климата и глобального потепления в частности. На более общем уровне, физическая океанография и метеорология сближаются. Океан обеспечивает обратную связь, замедляющую изменения в состоянии атмосферы.

Я надеюсь, вы обратите внимание на то, что при описании динамики океана мы будем использовать теорию, натурные (эмпирические) данные и численные модели. Их необходимо рассматривать вместе, по отдельности они не самодостаточны.

1. Процессы в океане нелинейны и турбулентны, а теория нелинейных, турбулентных потоков в сложных бассейнах не очень хорошо развита. Теории, используемые для описания океана — сильно упрощённые приближения реальности.

2. Натурные измерения разбросаны в пространстве и во времени. Они обеспечивают грубое описание усреднённого по времени потока, но большинство процессов во многих регионах ещё мало исследованы.

3. Численные модели включают наиболее реалистичные теоретические идеи, они могут помочь интерполировать натурные исследования во времени и пространстве и используются для предсказания климатических изменений, течений и волн. Однако, численные равенства являются приближениями непрерывных аналитических уравнений, описывающих жидкий поток; они не содержат никакой информации о потоке между узловыми точками, в силу чего пока не могут использоваться для полного описания турбулентного потока, наблюдающегося Соединяя теорию и натурные измерения в численных моделях, мы избегаем сложностей, связанных с их использованием по отдельности (рис. 1.1).

Способы комбинирования этих подходов непрерывно совершенствуются, что ведёт к гораздо более точному описанию океана. Конечная цель — узнать океан так хорошо, чтобы можно было предсказывать будущие перемены в окружающей среде, включая изменения климата или реакцию рыбных ресурсов на перелов.

Объединение теории, натурных исследований и компьютерных моделей относительно молодо. Четыре десятилетия экспоненциального роста вычислительной мощности привели к появлению массово доступных настольных компьютеров, способных моделировать важные физические процессы и динамику океана.

Все мы, люди науки, знаем, что компьютер стал важнейшим исследовательским инструментом... научные расчёты достигли Рис. 1.1. Данные, численные модели и теория — все это необходимо для понимания океана. В конечном итоге, понимание устройства системы «океанатмосфера-суша» должно привести к возможности предсказывать ее будущее состояние.

того уровня, на котором они становятся инструментом научных и инженерных изысканий наравне с лабораторным экспериментом и математической теорией. [163] Объединение теории, натурных исследований и компьютерных моделей предполагает новый путь развития океанологии. В прошлом океанограф должен был бы сформулировать теорию, собрать данные для её проверки, а затем опубликовать результаты. Теперь задачи стали настолько специализированными, что мало кто может всё это проделать в одиночку. Немногие преуспели одновременно в построении теорий, сборе данных и разработке численных моделей. Вместо этого всё больше и больше работы делается командами учёных и инженеров.

1.5 Дополнительная литература Если вы знаете об океанах и океанографии не слишком много, я предлагаю вам начать с книги Маклениша, особенно её четвёртой главы, посвящённой «чтению океана». По моему мнению, в ней даётся наиболее полное нетехническое описание того, как океанографы идут к пониманию океана.

Вы также можете извлечь немало полезных сведений из соответствующих глав любой океанографической книги начального уровня. Особый интерес представляют работы таких авторов, как Gross, Pinet, или Segar. Три публикации Открытого Университета, включенные в список литературы, ориентированы на более подготовленного читателя.

• Gross, M. Grant and Elizabeth Gross (1996) Oceanography, A View of Earth. 7th edition. Prentice Hall.

• MacLeish, William (1989) The Gulf Stream: Encounters With the Blue God. Houghton Mifflin Company.

• Pinet, Paul R. (2006) Invitation to Oceanography. 4nd edition. Jones and Bartlett Publishers.

• Open University (2001) Ocean Circulation. 2nd edition. Pergamon Press.

• Open University (1995) Seawater: Its Composition, Properties and Behavior.

2nd edition. Pergamon Press.

• Open University (1989) Waves, Tides and Shallow-Water Processes. Pergamon • Segar, Douglas A. (2007) Introduction to Ocean Sciences. 2nd edition. W.

Глава Немного истории Наши знания о существовании океанских течений, ветров и приливов насчитывают тысячи лет. Полинезийские мореплаватели совершали торговые путешествия на большие расстояния в Тихом океане уже в 4000 до н. э. [299].

Пифей в 325 до н. э. исследовал Атлантику от Италии до Норвегии. Арабские торговцы в Средние века использовали свои знания о ветрах и течениях в Индийском океане для того, чтобы установить торговые отношения с Китаем, а позже — с Занзибаром на побережье Африки. Связь между Солнцем, Луной и приливами была описана в Сама-веде, одном из священных писаний индуизма ведического периода (2000–1400 до н. э.) [262].

Некоторые океанографы, доверяющие только инструментальным измерениям, могли бы многому поучиться у тех, кто зарабатывал себе на жизнь в океане.

Современные европейские знания об океане начинаются с исследовательских экспедиций Бартоломеу Диаша (1487–1488), Христофора Колумба (1492–1494), Васко да Гама (1497–1499), Фернана Магеллана (1519–1522) и многих других. Они заложили основы для появления в начале XVI века глобальных торговых маршрутов, протянувшихся от Испании до Филиппин. Эти маршруты были основаны на хороших знаниях о пассатах, западных ветрах и западных прибрежных течениях в Атлантическом и Тихом океанах [46, стр. 192–193].

За первыми европейскими исследовательским экспедициями вскоре последовали научные, которыми руководили, в частности, Джеймс Кук (1728– 1779) на кораблях «Индевор», «Резольюшен» и «Эдвенчур», Чарльз Дарвин (1809–1882) на «Бигле», сэр Джеймс Кларк Росс и сэр Джон Росс, которые проводили исследования в Арктике и Антарктике с кораблей «Виктори», «Изабелла» и «Эребус», а также Эдвард Форбс (1815–1854), изучавший вертикальное распределение жизни в океанах. Другие обобщали наблюдения и строили на их основе различные карты, так, Эдмунд Галлей картировал пассаты и муссоны, а Бенджамин Франклин нанёс на карту Гольфстрим.

Медленные корабли XIX и XX веков уступили в конце XX века дорогу спутникам, дрейфующим буям и другим автоматическим приборам. Сейчас спутники исследуют океаны, атмосферу и сушу. Тысячи дрейфующих буев ведут наблюдения на глубинах до двух километров. Полученные с их помощью данные обрабатываются при помощи численных моделей и позволяют изучать Землю как единую систему. Впервые в истории науки мы получили возможность узнать, как биологические, химические и физические системы взаимодействуют между собой и влияют на окружающую среду.

2.1 Определения Долгая история изучения океана привела к появлению различных специализированных дисциплин, каждая из которых обладает своими собственными интересами и терминологией. Среди этих дисциплин наиболее важны следующие:

Океанография занимается изучением океана как среды. Целью этой науки является получение количественного описания океана, достаточного для того, чтобы с некоторой достоверностью предсказывать его будущее состояние.

Геофизика изучает физику Земли.

Физическая океанография изучает физические характеристики и динамику океанов. Основными интересами этой науки являются взаимодействие океана с атмосферой, тепловой баланс океана, формирование водных масс, течения и процессы в прибрежных областях. Многими физическая океанография рассматривается как раздел геофизики.

Геофизическая гидродинамика изучает динамику движения жидкости в масштабах, в которых ощущается влияние вращения Земли. Метеорология и океанография используют геофизическую гидродинамику для расчёта полей планетарных течений.

Гидрография занимается составлением морских карт, таких как карты глубины океана, течений, полей плотности в океане и приливов.

Науки о Земле изучают Землю как единую систему, в состав которой входит множество взаимодействующих подсистем, таких как океан, атмосфера, криосфера и биосфера.1 Отдельным важным объектом исследований служат изменения, происходящие в этих подсистемах под влиянием деятельности человечества.

2.2 Периоды исследований океана Исследование океана можно условно разделить на различные периоды [391].

Рассмотрим эту классификацию, расширив её до конца XX века:

1. Период поверхностной океанографии: с древнейших времён до 1873.

Систематизация наблюдений за ветрами, течениями, волнами, температурой и другими явлениями, поддающимися наблюдению с палубы корабля. Известными примерами достижений той эпохи служат карты пассатов, составленные Галлеем, карта Гольфстрима Франклина и книга Мэтью Фонтейна Мори «Физическая география моря».

1 Научная дисциплина «Earth-system Science» пока не имеет точного аналога в русскоязычной номенклатуре; как следствие, общепринятый перевод её названия также отсутствует. — Прим. перев.

2. Период глубоководных исследований: 1873–1914. Различные по значимости океанографические экспедиции, цель которых — выяснение поверхностных и глубинных характеристик океана возле колониальных земель. Важнейший пример — экспедиция «Челленджера» (рис. 2.1), но можно назвать также экспедиции «Газели» и «Фрама».

-20 o -40 o -60 o Рис. 2.1. Пример экспедиции периода глубоководных исследований. Путь «Челленджера» (Великобритания) в ходе экспедиции 1872–1876 гг. Wust (1964).

3. Период национальных систематических исследований: 1925–1940. Как примеры можно привести изучение Атлантики «Метеором» (рис. 2.2) и экспедицию «Дискавери».

4. Период новых методов: 1947–1956. Долговременные исследования с использованием новых инструментов (рис. 2.3). Как пример можно привести сейсмическое изучение Атлантики с судна «Вема», в результате которого Б. Хейзеном были составлены карты морского дна.

5. Период международной кооперации: 1957–1978. Многонациональные исследования океана и происходящих в нем процессов. Примеры: Программа Атлантический Полярный Фронт (Atlantic Polar Front Program), рейсы NORPAC, рейсы в ходе Международного геофизического года и Международной декады изучения океана (рис. 2.4), исследования с одновременным участием нескольких десятков кораблей — эксперименты MODE, POLYMODE, NORPAX и JASIN.

6. Эра спутников: 1978–1995. Глобальное изучение океанических процессов из космоса. Примеры: Seasat, NOAA 6–10, NIMBUS-7, Geosat, Topex/Poseidon, ERS-1 и ERS-2.

7. Эра изучения Земли как системы: 1995–. Изучение в глобальных масштабах взаимодействия биологических, химических и физических процессов в океане, атмосфере и на суше с использованием численных моделей и входных данных для них, полученных как in situ (то есть, непосредственно в океане), так и из космоса. В случае океана это World Рис. 2.2. Пример экспедиции периода национальных систематических исследований. Путь НИС «Метеор» (Германия) [391].

Ocean Circulation Experiment (WOCE) (рис. 2.5) и Topex/Poseidon (рис. 2.6), Join Global Ocean Flux Study (JGOFS), Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE), а также спутники SeaWiFS, Aqua и Terra.

Что же удалось узнать об океане в ходе исследовательских программ и экспедиций, упомянутых в предыдущем разделе? Перечислим некоторые -20 o -40 o Рис. 2.3. Пример экспедиции периода новых методов: путь НИС «Атлантис»

(Океанографический институт в Вудсхоле) [391].

ленным. Первые простые, но очень важные в перспективе наблюдения были сделаны учёными, которые не считали себя океанографами, если такой термин в те времена вообще существовал. В дальнейшем пришла пора более детальных описаний и океанографических экспериментов, проделанных учёными, специализирующимися именно на изучении океана.

1685 Эдмунд Галлей опубликовал результаты проведенного изучения океанской системы ветров и течений в работе «Историческая оценка пассатов и муссонов, наблюдаемых в морях между и вблизи тропиков, и попытка установить физическую причину возникновения названных ветров» («An Historical Account of the Trade Winds, and Monsoons, observable in the Seas between and near the Tropicks, with an attempt to assign the Physical cause of the said Winds», Philosophical Transactions, 16: 153–168).

1735 Джордж Гадлей изложил свою теорию возникновения пассатов, основанную на сохранении углового момента, в статье «О причинах возникновения пассатов» («Concerning the Cause of the General TradeWinds», Philosophical Transactions, 39: 58–62).

-20 o -40 o -60 o Рис. 2.4. Пример экспедиций периода международной кооперации: измерения, проведённые в ходе Атлантической программы Международного геофизического года 1957–1959 гг. [391].

1751 Генри Эллис провёл в районе тропиков первое измерение температуры на глубине и обнаружил под тёплым поверхностным слоем холодные воды, что указывало на их полярное происхождение.

1769 Бенджамин Франклин во время работы почтмейстером создал первую карту Гольфстрима на основе информации о маршрутах кораблей, курсирующих между Англией и Новой Англией, собранной его кузеном Тимоти Фолгером (рис. 2.7).

1775 Лаплас публикует свою теорию приливов.

Рис. 2.5. Эксперимент по исследованию циркуляции мирового океана (WOCE): пути НИС, осуществлявших одновременное глобальное исследование мирового океана (по данным World Ocean Circulation Experiment).

1800 Граф Румфорд предлагает вариант меридиональной циркуляции океана, в которой вода опускается на глубину возле полюсов и поднимается на поверхность возле экватора.

1847 Мэтью Фонтейн Мори публикует первую карту ветров и течений, основанную на судовых записях. Мори стал первопроходцем практики международного обмена данными об окружающей среде; он предлаo -20 o -40 o -60 o Рис. 2.6. Пример периода изучения Земли, как системы: трассы спутника Topex/Poseidon над Тихим океаном за период 10 дней (по данным Topex/Poseidon Project).

Рис. 2.7. Карта Гольфстрима Франклина и Фолгера (1786 г.).

гал за сведения из судовых журналов карты и таблицы, составленные 1872–1876 Экспедиция «Челленджера», которая ознаменовала начало систематического изучения биологии, химии и физики океанов.

1885 Пильсбери произвёл прямые измерения Флоридского течения с заякоренного корабля.

1903 Основание Морской биологической ассоциации Сан-Диего. Позднее она стала Институтом океанографии имени Скриппса в составе Калифорнийского университета.

1910–1913 Вильгельм Бьеркнес опубликовал книгу «Динамическая метеорология и гидрография» (Dynamic Meteorology and Hydrography), заложившую основы геофизической гидродинамики. В ней он развивает понятия фронтов, динамического метра, геострофических течений, взаимодействия океана и атмосферы, циклонов.

1930 Основание Океанографического Института в Вудсхоле.

1942 Публикация Свердрупом, Джонсоном и Флемингом труда «Океаны»

(«The Oceans»), первого всеобъемлющего обзора океанографических знаний.

После 2-й Мировой Войны Потребность в средствах обнаружения подводных лодок привела к тому, что военно-морские силы многих государств существенно расширили свои программы по изучению моря.

В связи с этим были открыты кафедры океанографии в различных университетах, включая Орегонский и Техасский университеты, университет Майами, университет Род-Айленда, а также созданы океанографические институты и лаборатории в других странах.

1947–1950 Свердруп, Стоммел и Манк публикуют свои теории ветровой циркуляции океана. Вместе эти три работы заложили основы нашего понимания океанской циркуляции.

1949 Начало изучения Калифорнийского течения в рамках программы California Cooperative Fisheries Investigation of the California Current, которая стала самым детальным исследованием прибрежного течения из когдалибо проводившихся.

1952 Кромвелл и Монтгомери открывают экваториальное противотечение в Тихом океане.

1955 Брюс Хамон и Нейл Браун разрабатывают зонд CTD, предназначенный для измерения электропроводности и температуры как функции глубины.

1958 Стоммел публикует свою теорию глубинной циркуляции океана.

1963 Корпорация «Сиппикан» (Тим Фрэнсис, Вильям Ван Аллен Кларк, Грэхем Кемпбелл и Сэм Фрэнсис) изобретает отрывной батитермограф XBT (Expendable BathyThermograph), который в настоящее время является, наверное, самым широко используемым океанографическим прибором в мире.

1969 Кирк Брайен и Майкл Кокс разрабатывают первую численную модель океанской циркуляции.

1978 NASA запускает первый океанографический спутник Seasat. Технологии, разработанные в ходе этого проекта, использовались последующими поколениями спутников дистанционного зондирования.

1979–1981 Терри Джойс, Роб Пинкель, Ллойд Ригер, F. Rowe и J. W.

Young занимаются разработками, которые в итоге привели к созданию акустического доплеровского профилографа течений — популярного среди океанографов инструмента, предназначенного для измерения скорости поверхностных течений с движущихся судов.

1988 NASA Earth System Science Committee, возглавляемый Фрэнсисом Брезертоном, показал в общих чертах взаимосвязь всех систем Земли.

Тем самым были разрушены барьеры, разделяющие традиционную астрофизику, экологию, геологию, метеорологию и океанографию.

1991 Уолли Брокер предполагает, что изменения в глубинной циркуляции океанов регулируют наступление ледниковых периодов, и что глубинная циркуляция в Атлантике может быть нарушена, в результате чего северное полушарие погрузится в новый ледниковый период.

Рис. 2.8. Осреднённая по времени поверхностная циркуляция океана в северном полушарии в зимний период, построенная на основе данных, полученных за столетие океанографических экспедиций [350].

1992 Рас Дэвис и Даг Вебб изобретают автономный погружающийся буй, способный постоянно измерять течения на глубине до 2 км.

1992 NASA и CNES разрабатывают и запускают спутник Topex/Poseidon, который картирует океанские поверхностные течения, волны и приливы каждые 10 дней. Полученные при этом данные совершили революцию в нашем понимании океанской динамики и приливов.

1993 Команда учёных проекта Topex/Poseidon публикует первые точные глобальные карты приливов.

Более полная информация об истории физической океанографии доступна в Приложении А работы фон Аркса (W.S. von Arx) «An Introduction to Physical Oceanography» [365].

Данные, накопленные в течении веков океанских экспедиций, были использованы для составления исчерпывающего описания океана. В большинстве работ рассматривалось его устойчивое состояние, течения, как поверхностные так и глубинные, а также его взаимодействие с атмосферой. Система научных знаний на данном уровне сложилась в целом к началу 1970-х.

Рис. 2.8 демонстрирует пример достижений того времени; он изображает поверхностную циркуляцию океана. В более поздних работах делается попытка описать динамические процессы в океане для того, чтобы научиться предсказывать его годовую и межгодовую изменчивость, а также понять роль океана в глобальных процессах.

2.4. Эволюция некоторых теоретических представлений 2.4 Эволюция некоторых теоретических представлений Теоретическое понимание океанических процессов основано на классической физике, объединённой со всё более развивающимися представлениями о хаотических системах в математике и их применением к теории турбулентности. Даты, приведенные ниже, приблизительны.

XIX век Становление аналитической гидродинамики. Кульминацией этого процесса считается труд Ламба «Гидродинамика». Бьеркнес предлагает геострофический метод, широко используемый в метеорологии и океанографии.

1925–40 Разработка теорий турбулентности на основе аэродинамики и понятия длины смешения турбулентного потока. Работы Прандтля и фон Кармана.

1940–1970 Развитие теорий турбулентности на базе статистических корреляций и понятия однородной изотропной турбулентности. Книги Бэтчелора [11], Хинце [115] и других.

1970– Численные исследования турбулентной геофизической гидродинамики при помощи выскопроизводительных компьютеров.

1985– Механика хаотических процессов. Её применение к гидродинамике лишь начинается. Большинство процессов движения в атмосфере и океане могут быть непредсказуемыми по своей природе.

2.5 Роль наблюдений в океанографии На основе приведенного выше небольшого обзора теоретических основ океанологии можно предположить, что наблюдения очень важны для понимания океана. В самом деле, теория поведения жидкости во вращающейся системе координат с учётом конвекции, ветрового воздействия и турбулентности никогда не была развитой настолько, чтобы предсказать важные свойства процессов циркуляции в океане до их обнаружения на практике.

Почти всегда для понимания океанических процессов учёные обращаются к наблюдениям.

Может создаться впечатление, что многочисленные экспедиции, проведённые с 1873 г., должны дать хорошее описание мирового океана. Их результаты действительно впечатляют: cотни экспедиций были проведены во всех океанах. Но, несмотря на это, большая часть океана исследована слабо.

К 2000 г. большинство районов океана исследовалось от поверхности до дна только один раз. Некоторые районы, такие как Атлантика, исследовались выборочно трижды: в течение Международного геофизического года (1959), во время Geochemical Sections cruises в начале 1970-х и в ходе World Ocean Circulation Experiment с 1991 по 1996 гг. К сожалению, выборки по всем районам не являются репрезентативными (подробнее об ошибках выборочного обследования см. врезку). Наших измерений океана недостаточно для того, чтобы предсказывать его изменчивость и реакцию на различные внешние воздействия. Отсутствие репрезентативных наблюдений — наибольший источник ошибок в нашем понимании океана.

Нехватка эмпирических данных служит весьма частой причиной существенных концептуальных ошибок:

«Отсутствие фактического подтверждения трактовалось как подтверждение отсутствия.» Высокая сложность наблюдений за происходящими в океане явлениями вела к тому, что феномен, который не удалось наблюдать, считался несуществующим вообще. По мере увеличения возможностей, нашему взгляду всё отчетливее открывается сложность и тонкость происходящего. [389] Как следствие, наше понимание океанических процессов зачастую слишком упрощено, чтобы быть верным.

Ошибки выборочного обследования считаются в геонауках самым большим источником проблем. Причиной их служит использование наборов данных, не репрезентативных по отношению к генеральной совокупности измеряемой переменной. Генеральная совокупность — это набор всех возможных измерений, а наши измерения — выборка из генеральной совокупности соответственно. Мы предполагаем, что каждое измерение сделано с абсолютной точностью.

Чтобы понять, допущена ли ошибка выборочного обследования, требуется прежде всего точно сформулировать проблему, которую предполагается исследовать. Тем самым задаётся генеральная совокупность. Затем следует выяснить, представляют ли измерения данную совокупность. Оба эти шага необходимы.

Допустим, нам требуется измерить среднегодовую температуру поверхности океана, чтобы определить, идёт ли глобальное потепление. Для этой проблемы генеральной совокупностью являются всевозможные измерения поверхностной температуры во всех регионах и во все месяцы. Для того, чтобы выборочное и реальное среднее совпадали, измерения должны быть однородно распределены на протяжении года и по всей площади океана;

также они должны быть достаточно плотными для того, чтобы включать в себя все важные процессы изменчивости в пространстве и во времени. Это невозможно. Корабли обходят районы штормов, такие как высокие широты зимой, в силу чего корабельные измерения не могут представлять генеральную совокупность поверхностных температур. Спутники не в состоянии однородно измерять поверхностную температуру на протяжении дневного цикла, а спутниковым наблюдениям за температурой в высоких широтах зимой мешают постоянные облака; тем не менее в большинстве регионов они обеспечивают измерения, однородные по пространству на протяжении года. Если дневная изменчивость мала, спутниковые данные будут более репрезентативными, чем данные с судов.

Исходя из вышесказанного ясно, что океанологические наблюдения редко представляют собой генеральную совокупность переменной, которую мы хотим изучать, и ошибка выборочного обследования неминуема.

Определяя ошибку выборочного обследования, мы должны чётко для себя разделять ошибку выборочного обследования и инструментальную. В самом деле, инструментальная ошибка происходит вследствие неточности инструмента, а ошибка выборочного обследования обусловлена невозможностью провести измерения. Рассмотрим пример, приведённый выше: определение средней температуры на поверхности. Если измерения производятся с судов при помощи термометров, каждое измерение обладает небольшой ошибкой, поскольку термометры не идеальны. Это инструментальная ошибка. С другой стороны, если судно зимой не заходит в высокие широты, то отсутствие измерений в высоких широтах зимой — ошибка выборочного обследования.

Участники метеорологического проекта Tropical Rainfall Mapping Mission исследовали ошибку выборочного обследования на примере измерений количества осадков. Их результаты являются общими и могут быть применены к другим переменным. Интересующимся этой проблемой можно посоветовать обратиться к [233].

Выбор массива океанологических данных. Большинство существующих океанологических данных организовано в большие массивы. Например, спутниковые данные обрабатываются и распространяются группами учёных, сотрудничающими с NASA. Данные с судов и собираются, и классифицируются другими коллективами. В настоящее время океанографы в своей деятельности всё больше и больше полагаются на данные, собранные другими.

Каждый, кто собирается работать как с публичными, так и с закрытыми наборами данных, полученными другими исследователями, должен предварительно выяснить следующее:

1. Насколько точны эти данные?

2. Каковы ограничения этого набора данных?

3. Как он согласуется с другими?

Далее будут изложены несколько основополагающих принципов, которыми следует руководствоваться при работе с такими данными.

1. Используйте хорошо документированные наборы данных. Полностью ли документация описывает источники измерений, шаги, проведенные при обработке данных, и критерии, согласно которым отбрасывались неверные значения? Включает ли набор данных номер версии, позволяющий прослеживать изменения?

2. Пользуйтесь проверенными (валидированными) данными. Хорошо ли задокументирована точность данных? Определялась ли точность, исходя из сравнения с другими измерениями той же переменной? Была валидация глобальной или региональной?

3. Используйте данные, которые уже применялись другими, и на которые ссылаются в научных статьях. Широкая популярность некоторых наборов данных вполне обоснованна. Те, кто получил эти данные, использовали их в своих публикациях, и другие учёные им доверяют.

4. И наоборот, не следует пользоваться данными только потому, что они легко доступны. Известен ли источник данных? Например, сейчас доступно много версий электронных карт морского дна на 5-мильной сетке. Некоторые из них основаны на первых данных, полученных U.S.

Defense Mapping Agency, а другие — на данных со спутника ETOPOНе полагайтесь на мнение коллег об источнике данных. Найдите документацию. Если документации нет, ищите другие данные.

Планирование эксперимента. Наблюдения очень важны для океанографии, но они дороги, так как корабельное время дорого и спутники тоже удовольствие не из дешёвых. Поэтому океанографический эксперимент должен быть тщательно спланирован. Рассказ о планировании эксперимента не совсем уместен в главе об истории, но, возможно, эта тема заслуживает нескольких коротких замечаний, так как она нечасто упоминается в книгах по океанографии, хотя ей уделяется много внимания в текстах, посвящённым другим наукам. Планирование эксперимента чрезвычайно важно, поскольку неправильно спланированный эксперимент приводит к сомнительным результатам, в ходе него могут измеряться не те переменные или вообще получаться бесполезные данные.

Первый и наиболее важный аспект в планировании любого эксперимента: перед тем, как будет принято решение, что и как будет измеряться, следует понять, зачем требуется проводить данные измерения.

1. Какова цель наблюдений: проверка гипотезы или описание процесса?

2. С какой точностью следует проводить измерения?

3. Какое пространственное и временное разрешение необходимо? Какова продолжительность измерений?

Рассмотрим, например, как цель измерений будет определять способ, которым следует проводить измерения температуры и солёности как функции глубины.

1. Если, например, в нашу задачу входит описание водных масс в какомнибудь океанском бассейне, тогда раз в 20–50 лет требуется проводить измерения с вертикальным разрешением 20–50 м и горизонтальным — 2. Если же целью является описание вертикального перемешивания в open equatorial Pacific, тогда необходимо проводить измерения с вертикальным разрешением 0.5–1.0 мм и расстоянием между станциями наблюдений 50–1000 км каждый час в течение многих дней.

Точность, прецизионность и линейность. Поскольку зашла речь об экспериментах, будет уместным представить три концепции, которые понадобятся нам на протяжении всей книги, когда мы будем касаться экспериментирования: точность, прецизионность и линейность измерений.

Точность — это разница между измеренным и истинным значением.

Прецизионность — это разница между повторяющимися измерениями. Разницу между точностью и прецизионностью обычно иллюстрируют на простом примере стрельбы из винтовки по мишени. Точностью в данном случае будет среднее расстояние между центром мишени и местом попадания, а прецизионностью — среднее расстояние между попаданиями. Таким образом, десять попаданий могут быть сгруппированы внутри круга с диаметром 10 см с центром, отстоящим от центра мишени на 20 см. Тогда точность будет равняться 20 см, а прецизионность — 5 см.

Линейность — линейная зависимость результата измерений от измеряемой величины. Нелинейные инструменты могут реагировать на изменчивость входного сигнала добавлением ложной постоянной компоненты в результат измерений, что, в свою очередь, приводит к неверным средним 2 Термин «прецизионность» появился в русскоязычной научной литературе сравнительно недавно, после принятия в 2002 г. ГОСТ Р ИСО 5725 «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений». Следует также отметить, что автор использует термин «точность» там, где согласно стандарту следует употреблять термин «правильность». — Прим. перев.

значениям. Нелинейность может быть так же важна, как и точность. Например, пусть Тогда Обратите внимание на то что среднее значение входа — нуль, в то время как выход этого нелинейного инструмента имеет среднее значение 0.05a2 плюс такой же член, умноженный на косинус с удвоенной частотой. В целом, если вход обладает частотами 1 и 2, то выход нелинейного инструмента имеет частоты 1 ± 2. Линейность особенно важна в случае, когда инструмент должен измерять среднее значение турбулентной переменной. Например, когда мы измеряем течения на небольшой глубине у поверхности, где ветры и волны вызывают большую изменчивость течений, нам необходимы «линейные» измерители течения.

Чувствительность к другим переменным. Ошибки могут быть связаны с влиянием других переменных. Например, результаты измерения электропроводности чувствительны к температуре. Таким образом, ошибки при измерении температуры в солемере приводят к ошибкам в измеренных значениях электропроводности и солёности.

2.6 Важные концепции Автор надеется, что из сказанного выше читатели сделали следующие выводы:

1. Океан изучен не очень хорошо. Всё, что мы о нём знаем, основано на информации, собранной за период океанографических экспедиций, насчитывающий чуть больше века и дополненной данными спутников, накопленными с 1978 г.

2. Базовых знаний об океане, накопленных ранее, достаточно для того, чтобы описать его циркуляцию, осреднённую по времени, в то время как более современные работы уже начинают затрагивать также его 3. Наблюдения важны для понимания океана. Немногие процессы были предсказаны теоретически до того, как наблюдались.

4. Нехватка эмпирических данных ведёт к представлениям об океанических процессах, которые зачастую слишком упрощены и даже неверны.

5. Океанографы всё больше и больше полагаются на наборы данных, полученные другими. Эти данные обладают ошибками и ограничениями, которые требуется знать и понимать перед их использованием.

6. Планирование эксперимента по меньшей мере так же важно, как его проведение.

7. Ошибки выборочного обследования появляются тогда, когда наблюдения не отображают изучаемый процесс. Эти ошибки — наибольший источник проблем в океанографии.

8. На данном этапе почти все наблюдения производятся при помощи спутников, дрейфующих буев и других автоматических инструментов. Роль судовых наблюдений неуклонно снижается.

26 Глава 2. Немного истории Глава Физические параметры океана Земля имеет форму сжатого у полюсов эллипсоида вращения с экваториальным радиусом который немного больше полярного радиуса Эта разница образуется за счёт вращения Земли.

Расстояния на земной поверхности измеряются в различных единицах;

наиболее распространёнными являются градусы широты и долготы, метры, мили и морские мили. Широта — это угол между вертикалью на местности и экваториальной плоскостью. Меридиан — это линия пересечения земной поверхности с плоскостью, перпендикулярной экваториальной плоскости и проходящей через ось вращения Земли. Долгота — это угол между нулевым меридианом и любым другим, где нулевым является меридиан, проходящий через Королевскую Гринвичскую обсерваторию в Англии. Таким образом, долгота измеряется на восток и запад от Гринвича.

За исключением экватора, градус широты на земной поверхности по длине отличается от градуса долготы. Широта измеряется вдоль большого круга с радиусом R, где R — средний радиус Земли. Долгота измеряется на окружностях с радиусом R cos(), где — широта. Таким образом, 1 широты = 111 км, а 1 долготы = 111 cos() км.

Так как расстояние в градусах долготы не постоянно, океанографы измеряют расстояние на картах, используя градусы широты.

И морские мили, и метры исторически связаны с размерами Земли. В 1670 г. Габриэль Мутон предложил десятичную систему измерений, основанную на одной минуте дуги большого круга Земли. Длина этой дуги позднее вошла в определение морской мили, а предложение Мутона привело к созданию метрической системы, основанной на другой единице длины — метре, который первоначально предполагался равным одной десятимиллионной расстояния от экватора до полюса вдоль Парижского меридиана.

Хотя от взаимосвязи морских миль и метров с размерами Земли вскоре отказались, ввиду её непрактичности, погрешность приближённых значений, вычисленных таким образом, достаточно мала. В самом деле, пусть длина меридиана1 приближенно равна 40 008 км. Отсюда одна десятимиллионная длины квадранта (дуги, составляющей четверть окружности) равна 1.0002 м. В случае морской мили поступаем аналогично: поделив длину меридиана на 360 60 = 21600 угловых минут, получаем 1.8522 км. Данное значение очень близко к официальному определению международной морской мили: 1 миля 1.852 км.

3.1 Океаны и моря Будем полагать, что существует единый мировой океан, условно поделенный на три именованные части, также называемые «океанами»: Атлантический, Тихий и Индийский. Границы океанов задаются соглашениями, принятыми Международной гидрографической организацией [129]. Моря, которые считаются частью океанов, определяются различными способами; мы рассмотрим два из них.

Атлантический Океан (рис. 3.1) расположен к северу от Антарктиды и включает Арктическое море2, европейское Средиземноморье и американское Средиземноморье (Карибское море). Границей между Атлантическим и Индийским океанами является меридиан мыса Игольный (20 в. д.). Граница между Атлантическим и Тихим океанами на юге — линия между мысом Горн и Южными Шетландскими островами, а на севере — Берингов пролив, отделяющий Тихий океан от Арктического моря, входящего в состав Атлантического океана.

Тихий Oкеан (рис. 3.2) простирается к северу от Антарктиды до Берингова пролива. Граница между Тихим и Индийским океаном лежит на линии, проходящей от Малайского полуострова через Суматру, Яву, Тимор, австралийский мыс Лондондерри и Тасманию, а от Тасмании до Антарктиды — на меридиане мыса Северо-Восточный (147 в. д.).

Индийский Океан (рис. 3.3) простирается от Антарктиды до Евразийского континента, включая в себя Красное море и Персидский залив.

Некоторые авторы используют название Южный океан для вод вокруг Антарктиды. Существуют различные типы морей. Мы ограничимся двумя:

Средиземные моря большей частью окружены сушей. Согласно этому определению, Арктическое и Карибское моря — средиземные, Арктическое cредиземное и Карибское cредиземное.

1 Найденная как периметр эллипса с большой и малой полуосями, равными R и R соответственно. — Прим. перев.

2 Существуют различные мнения о том, следует ли считать Северный Ледовитый океан морем в составе Атлантического океана (как это делает автор), либо отдельным океаном (согласно действующей в настоящий момент 3-й редакции стандарта Международной гидрографической организации Limits of oceans and seas, http://www.iho.shom.fr/publicat/free/files/S23_1953.pdf). — Прим. перев.

3 Южный океан включен в проект очередной, 4-й редакции стандарта (http://www.iho-ohi.net/mtg_docs/com_wg/S-23WG/S-23WG_Misc/Draft_2002/Draft_2002.htm).

— Прим. перев.

Рис. 3.1. Атлантический океан в равновеликой проекции Эккерта VI. Глубины (в метрах) приведены согласно набору данных ETOPO 30. Изобата 200 м показывает границу континентального шельфа.

Окраинные моря определяются только изрезанностью побережья. Примерами окраинных морей являются Аравийское и Южно-Китайское 3.2 Размеры океанов Океаны и моря покрывают 70.8% земной поверхности, что составляет 361 254 000 км2.

Площади океанов значительно различаются (табл. 3.1):

Тихий Океан Атлантический Океан 106.57 106 км Индийский Океан Горизонтальные размеры океанов изменяются от 1500 км — минимальной ширины Атлантического океана, до 13000 км — его протяженности с севера на юг либо ширины Тихого океана. При этом типичные глубины составляют 3–4 км. Таким образом, горизонтальные размеры океанских Рис. 3.2. Тихий океан в равновеликой проекции Эккерта VI. Глубины (в метрах) приведены согласно набору данных ETOPO 30. Изобата 200 м показывает границу континентального шельфа.

бассейнов в 1000 раз больше, чем вертикальные. Масштабы Тихого океана можно представить себе с помощью обычного листа бумаги 8.511 дюймов:

задав коэффициент масштабирования 10 дюймов = 10 000 км, получим, что ширина океана сравнима с размерами листа, а глубина в 3 км, которая в выбранном масштабе равна 0.003 дюйма, соответствует типичной толщине листа.

Таким образом, графики поперечного сечения океана для удобства использования должны иметь сильно преувеличенный вертикальный масштаб.

Как правило, его выбирают в 200 раз большим, чем горизонтальный (рис. 3.4).

Это преувеличение искажает наши представления об океане. Края океанических бассейнов (континентальные склоны), которые на рис. 3.4 выглядят крутыми обрывами (41 з. д., 12 в. д.), на самом деле представляют собой пологие склоны, понижающиеся на 1 м по вертикали на каждые 20 м по горизонтали.

Малое отношение глубин океанических бассейнов к их ширине также играет важную роль в теории океанских течений. Так, вертикальные скорости Рис. 3.3. Индийский океан в равновеликой проекции Эккерта VI. Глубины (в метрах) приведены согласно набору данных ETOPO 30. Изобата 200 м показывает границу континентального шельфа.

должны быть гораздо меньше, чем горизонтальные. Даже на расстояниях порядка нескольких сотен километров вертикальные скорости должны составлять менее 1% горизонтальных. Мы используем эту информацию позже для того, чтобы упростить уравнение движения.

В то же время, относительно малые вертикальные скорости существенно влияют на турбулентность. Трёхмерная турбулентность по своей природе сильно отличается от двумерной. В двумерной турбулентности вихревые линии всегда должны быть вертикальны, так что растяжение вихря невелико. С другой стороны, в трёхмерном случае растяжение вихря играет фундаментальную роль.

3.3 Элементы рельефа Земная кора делится на два типа: сравнительно тонкая (около 10 км), но более плотная океаническая и более толстая (около 40 км), но менее плотная континентальная. Участки коры континентального типа погружаются в более плотное вещество мантии не так глубоко, как участки океанического типа, так что средняя высота их поверхности относительно уровня моря имеет два различных значения: континенты в среднем возвышаются на 1100 м, а дно океанов погружено на 3400 м (рис. 3.5).

Объём воды в океанах превышает объём океанических бассейнов, так что её часть покрывает низменные окраины континентов. ОбразующиеГлава 3. Физические параметры океана Depth (km) Рис. 3.4. Профиль дна в южной Атлантике вдоль 25 ю. ш., демонстрирующий континентальный шельф Южной Америки, подводную гору (35 з. д.), Срединнo-Атлантический хребет (14 з. д.), хребет Вальвис (6 в. д.) и узкий континентальный шельф Южной Африки. Вверху: масштаб по вертикали увеличен в соотношении 180:1. Внизу: масштаб по вертикали увеличен в соотношении 30:1. Если нарисовать график в действительных пропорциях, то он будет тоньше, чем линия, обозначающая поверхность моря на нижнем графике.

ся при этом мелководные моря называются континентальным шельфом.

Ширина некоторых из них (например, Южно-Китайского моря) превосходит 1100 км, а типичная глубина большинства сравнительно невелика: 50– 100 м. Наиболее важными участками шельфа считаются Восточно-Китайское море, Берингово море, Северное море, Большая Ньюфаундлендская банка, Патагонский шельф, Арафурское море и залив Карпентария, а также Сибирский шельф. Мелководные моря помогают рассеиванию (диссипации) приливов, они часто являются зонами высокой биологической продуктивности и, как правило, входят в исключительные экономические зоны близлежащих стран.

Земная кора разделена на большие плиты, которые движутся относительно друг друга. Новая кора создаётся в срединно-океанических хребтах, а старая исчезает в глубоководных желобах. Относительное движение литосферных плит порождает большое количество элементов морского дна. Эти элементы, изображённые на рис. 3.6, включают в себя срединноокеанические хребты, глубоководные желоба, котловины и островные дуги.

Названия элементов рельефа морского дна утверждены Международной гидрографической организацией, а определения, приведенные ниже, даются согласно работам [336], [304] и [62].

Котловина Понижение морского дна, напоминающее по своей форме круг или овал.

Elevation (meters) Рис. 3.5. Гистограмма превышений суши и глубины дна океана в процентном отношении к площади Земли in 100 m intervals. Видно явное различие между континентами и морским дном. Кривая кумулятивной плотности представляет собой интеграл, вычисленный по гистограмме. Обе кривые построены по набору данных ETOPO 2 George Sharman, Национальный центр геофизических данных НУОА.

CONTINENT

ISLAND ARC

TRENCH

SEAMOUNT

DEEP SEA

Рис. 3.6. Схематический разрез океана, демонстрирующий основные элементы рельефа океанского дна. Отметим, что уклоны изображены в утрированном масштабе.

Континентальный шельф Зона, смежная с континентом (или окружающая остров), простирающаяся от линии малой воды до глубины (как правило, порядка 120 м), на которой обнаруживается резкое или хотя бы достаточно ярко выраженное увеличение крутизны склона в направлении больших глубин (рис. 3.7).

Континентальный склон Уклон в сторону моря от границы шельфа к большим глубинам.

Равнина Плоская поверхность океанского дна, обнаруженная во многих глубоких бассейнах.

Хребет Вытянутое узкое поднятие морского дна с крутыми склонами и неравномерной (нерегулярной) топографией.

Подводная гора Изолированное или относительно изолированное поднятие, возвышающееся на 1000 м и более над дном океана, со сравнительно небольшой площадью вершины (рис. 3.8).

Рис. 3.7. Пример континентального шельфа — шельф у побережья Монтерея в Калифорнии; здесь можно видеть каньон Монтерей и другие. Каньоны часто встречаются на шельфе и обычно простираются через весь шельф и континентальный склон. Права на рисунок принадлежат Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI).

Рис. 3.8. Пример подводной горы — гайот Вилд. Гайот — это морская гора с плоской вершиной. Такая форма объясняется волновым воздействием в то время, когда вершина горы еще находилась над уровнем моря. Поскольку подводная гора перемещается вместе с литосферными плитами, она постепенно движется в сторону увеличивающихся глубин. Для построения изобат использованы данные эхолотирования, полученные по курсу движения судна (тонкие прямые линии), дополненные показаниями гидролокатора бокового обзора. Глубины приведены в сотнях метров. (По данным William Sager, Texas A&M University.) Порог Наиболее глубокий участок хребта, отделяющего океанические котловины друг от друга или от близлежащего морского дна. Глубоководный желоб (впадина) Протяжённое, узкое и глубокое понижение морского дна с относительно крутыми склонами (рис. 3.9).

Элементы подводного рельефа оказывают важное влияние на циркуляцию океанов. Хребты разделяют глубинные воды океанов на отдельные котловины. Вода, находящаяся глубже порога, не может перемещаться из одной котловины в другую. Десятки тысяч изолированных пиков, подводных гор, разбросаны по дну океана. Они преграждают путь течениям и вызывают турбулентность, которая приводит к вертикальному перемешиванию вод.

4 Существуют различные мнения относительно целесообразности трактовки порогов как отдельного класса элементов рельефа дна. — Прим. перев.

Latitude (North) Рис. 3.9. Пример глубоководного жёлоба — Алеутский желоб; островная дуга, п-ов Аляска и континентальный шельф, Берингово море. Островная дуга состоит из вулканов, образовавшихся тогда, когда океаническая кора, погружаясь в желоб, плавилась и поднималась к поверхности. Вверху:

карта региона Алеутских островов в северной части Тихого океана. Внизу:

профиль через регион.

Глубина океана может быть измерена двумя способами: 1) эхолотом, установленным на судне, или 2) спутниковым альтиметром.

Эхолоты. Большинство карт океана созданы на основе измерений, сделанных при помощи эхолотов. Этот прибор посылает звуковой импульс частотой 10–30 кГц и принимает сигнал, отражённый от морского дна. Временной интервал между посылкой импульса и приходом эха, умноженный на скорость звука, даёт удвоенную глубину океана (рис. 3.10).

Впервые трансатлантическое эхолотирование было выполнено в 1922 г.

Receiver transducer sound pulse Рис. 3.10. Слева: Эхолокаторы измеряют глубину океана, посылая звуковой импульс и измеряя время, которое требуется для получения ответного сигнала, отраженного от дна. Справа: время регистрируется при помощи искры, прожигающей отметку на медленно движущейся бумажной ленте [62, стр. 124].

американским эсминцем «Стюарт», а первые систематические промеры производились немецким исследовательским судном «Метеор» в ходе экспедиции в южную Атлантику в 1925–1927 гг. В настоящее время океанографические и военные суда во время плавания ведут эхолотирование практически непрерывно. Миллионы миль профилей глубины, записанных на бумагу, были оцифрованы и занесены в базы данных, на основе которых и составляются батиметрические карты. Распределение судовых маршрутов по поверхности океана неравномерно. В южном полушарии они пролегают довольно далеко друг от друга даже возле Австралии (рис. 3.11), а в уже хорошо картированных районах, таких как Северная Атлантика, достаточно близко.

Использование эхолотов дает наиболее точные данные о глубине океана:

их погрешность составляет ±1%.

Спутниковая альтиметрия. Пробелы в наших знаниях о глубинах океана между маршрутами судов теперь заполнены данными спутниковой альтиметрии. Альтиметры измеряют (профилируют) форму морской поверхности, которая некоторым образом связана с рельефом дна. Чтобы понять, почему это происходит, мы вначале должны обсудить то, как гравитация влияет на уровень моря.

Взаимосвязь уровня моря и рельефа дна. Избыток массы на дне океана, например подводная гора, увеличивает местную гравитацию. ПлотГлава 3. Физические параметры океана -10 o -20 o -30 o -40 o Walter H. F. Smith and David T. Sandwell, Ship Tracks, Version 4.0, SIO, September 26, 1996 Copyright 1996, Walter H. F. Smith and David T. Sandwell Рис. 3.11. Расположение данных эхолотирования, использованных для картирования океана около Австралии. Отметим наличие обширных пространств, в которых не проводились измерения с судов. (David Sandwell, Scripps Institution of Oceanography.) ность скальных пород, образующих гору, в три раза превышает плотность воды, поэтому масса горы соответственно больше массы воды, которую она замещает. В свою очередь, увеличение силы тяжести притягивает к горе воду, изменяя форму морской поверхности (рис. 3.12).

Рассмотрим это явление более подробно. С достаточной точностью можно считать, что поверхность моря — частный случай уровенной поверхности, называемой геоидом (см. врезку). По определению, уровенная поверхность представляет собой множество точек с одинаковым гравитационным потенциалом и в каждой своей точке перпендикулярна силе тяжести. В частности, она должна быть перепендикулярна локальной вертикали, определяемой при помощи отвеса, то есть «небольшого груза, свободно подвешенного на нити, по которой определяют вертикальное направление» (Толковый словарь русского языка Ушакова5 ).

Избыток массы подводной горы притягивает грузик отвеса, тем самым немного отклоняя его нить от направления к центру масс Земли в сторону горы. Так как поверхность моря должна быть перепендикулярна вектору силы тяжести, над подводной горой образуется небольшая вспученность, как показано на рис. 3.12. Обычные подводные горы вызывают вспученности высотой 1–20 м на расстоянии 100–200 км. Конечно, такое изменение высоты слишком мало, чтобы быть обнаруженным с корабля, однако спутниковым альтиметром это сделать довольно просто. Глубоководные желоба вызывают дефицит масс и создают понижения морской поверхности.

http://slovari.yandex.ru/dict/ushakov/article/ushakov/15-2/us290207.htm Прим. перев.

Рис. 3.12. Плотность пород, из которых состоят подводные горы, гораздо выше, чем плотность морской воды, поэтому их присутствие увеличивает локальную силу тяжести, так что локальные вертикали, определенные с помощью отвеса и показанные на рисунке стрелками, будут отклоняться в сторону горы. Поскольку поверхность океана в спокойном состоянии должна быть перпендикулярна силе тяжести, то поверхность моря и геоид в этом месте должны иметь небольшую выпуклость, как показано на рисунке. Такие выпуклости легко измеряются спутниковыми альтиметрами.

Следовательно, данные альтиметров могут использоваться для картирования морского дна. Отметим, что выпуклость поверхности моря на рисунке сильно преувеличена: подводная гора высотой 2 км порождает выпуклость высотой приблизительно 10 м.

Взаимосвязь между формой морской поверхности и глубиной не очень строга. Она зависит от плотности подстилающей коры, возраста элементов рельефа, толщины слоя осадочных пород. Если подводная гора «плавает»

на поверхности дна, словно лёд на воде, то гравитационный сигнал будет слабее, чем если бы она покоилась на дне, как лёд, лежащий на столе. В результате взаимосвязь силы тяжести и рельефа дна изменяется от места к месту.

Глубина, измеряемая эхолотами, используется для того, чтобы определить эту взаимосвязь. Затем с помощью альтиметрии проводится интерполяция между измерениями эхолотов [313].

Системы спутниковой альтиметрии. Рассмотрим, каким образом альтиметры измеряют форму земной поверхности. Системы спутниковой альтиметрии включают в себя радар для измерения высоты спутника над земной поверхностью и систему слежения для определения высоты спутника в геоцентрической системе координат. Система измеряет превышение уровня моря относительно центра масс Земли (рис. 3.13) и, тем самым, определяет форму морской поверхности.

В околоземное космическое пространство выведено большое количество альтиметрических спутников, предназначенных для изучения морского геоида и влияния на него элементов подводного рельефа. Наиболее важные альтиметрические данные были получены спутниками Seasat (1978), GEOSAT (1985– 1988), ERS-1 (1991–1996), ERS-2 (1995–), Topex/Poseidon (1992–2006), Jason (2002– ) и Envisat (2002). Спутники Topex/Poseidon и Jason специально предназначены для измерения высоты морской поверхности с высокой точностью, Рис. 3.13. Спутниковый альтиметр измеряет высоту спутника над уровнем моря. При вычитании этого значения из высоты r орбиты спутника, получим уровень моря относительно центра Земли. Форма поверхности изменяется под воздействием вариаций силы тяжести, которые вызывают ундуляции геоида, и под воздействием океанских течений, которые приводят к образованию океанической топографии (отклонениям поверхности моря от геоида). Референц-эллипсоид — наиболее близкая сглаженная аппроксимация геоида. Показанные на рисунке вариации формы геоида сильно преувеличены. [323] достигающей ±0.05 м.

Спутниковые альтиметрические карты дна. Орбиты спутников Seasat, Geosat, ERS-1 и ERS-2 располагались таким образом, что расстояние между маршрутами измерений на поверхности, равное 3–10 км, оказалось достаточным для картирования геоида. На основе показаний альтиметров спутников GEOSAT и ERS-1, объединенных с данными эхолотирования, были построены карты морского дна с пространственным разрешением 5– 10 км и средней погрешностью по глубине, равной ±100 м [314].

Уровенная поверхность, соответствующая невозмущённому уровню моря, называется геоидом. В первом приближении, геоид — это эллипсоид, соответствующий поверхности однородной (не имеющей внутренних течений) жидкости, совершающей твердотельное вращение. Во втором приближении, геоид отличается от элипсоида из-за локальных неоднородностей силы тяжести. Эти отклонения называются ундуляциями геоида. Максимальная их амплитуда ориентировочно равна ±60 м. В третьем приближении, геоид отличается от поверхности моря, поскольку океаны далеко не спокойны.

Отклонения уровня моря от геоида называют топографией. Обозначают её так же, как наземную топографию, например, высотой, нанесённой на топографическую карту.

Топография океана определяется приливами и океанскими поверхностными течениями, которые будут рассмотрены подробнее в гл. 10 и 17. МакБатиметрические карты и базы данных симальная амплитуда топографии составляет приблизительно ±1 м, таким образом, она мало сравнима с ундуляциями геоида.

Ундуляции геоида вызываются локальными вариациями силы тяжести вследствие неравномерного распределения массы на дне океана. В местах расположения подводных гор наблюдается избыток массы благодаря их плотности, что ведет к образованию на геоиде выпуклости (см. ниже). В районах глубоководных желобов наблюдается дефицит масс и, соответственно, прогиб геоида. Таким образом, геоид взаимосвязан с рельефом дна, и карты морского геоида имеют заметное сходство с батиметрическими.

3.5 Батиметрические карты и базы данных Почти все доступные результаты эхолотирования были оцифрованы и собраны вместе, чтобы на их основе построить батиметрические карты. В результате дальнейшей обработки эти данных были созданы цифровые базы данных, которые получили широкое распространение на CD-ROM. Эти данные были дополнены данными альтиметрических спутников для того, чтобы создать карты морского дна с пространственным разрешением около 3 км.

Британский центр океанографических данных, действуя по поручению Межправительственной океанографической комиссии ЮНЕСКО и Международной гидрографической организации, публикует электронный атлас «Общая батиметрическая карта океанов» (также известный как GEBCO, то есть, General Bathymetric Chart of the Oceans). Этот атлас содержит, в основном, изобаты, линию берега и путевые линии, построенные на основе 5-й редакции Общей батиметрической карты океанов, изданной в масштабе 1 : 10 000 000. Исходные изолинии были нарисованы от руки согласно оцифрованным данным эхолотирования.

Национальный центр геофизических данных США выпустил CD-ROM ETOPO-2, содержащий значения как глубин океана, измеренных при помощи эхолотов и спутниковых альтиметров, так и высот на суше. Интерполяция данных осуществлялась на сетке с шагом 2 (2 морские мили). Данные по океану в области от 64 с. ш. до 72 ю. ш. взяты из работы [314], в которой результаты эхолотирования объединены с показаниями альтиметров, установленных на спутниках GEOSAT и ERS-1; в области к северу от 64 с. ш. — согласно Международной батиметрической карте Северного Ледовитого океана, а в области южнее 72 ю. ш. — в соответствии с Цифровой базой батиметрических данных переменного разрешения US Naval Oceanographic Office. Данные по рельефу суши основаны на результатах проекта GLOBE, в ходе которого по сведениям, предоставленным многими государствами, были построены цифровые модели рельефа суши с шагом сетки 0.5 (0.5 морской мили).

Правительства разных стран публикуют карты побережья и гаваней. В США за эту деятельность отвечает NOAA National Ocean Service, которая выпускает навигационные карты гаваней и вод материковой отмели.

-30 o -60 o Walter H. F. Smith and David T. Sandwell Seafloor Topography Version 4.0 SIO September 26, 1996 © 1996 Walter H. F. Smith and David T. Sandwell Рис. 3.14. Карта глубин океана с разрешением 3 км, созданная по данным спутниковых альтиметрических наблюдений поверхности моря (Smith and Sandwell).

Звук обеспечивает единственный приемлемый способ передачи информации на большие расстояния в океане. При помощи звука измеряются характеристики дна океана и его глубина, а также температура и параметры течений. Киты и другие животные, обитающие в океане, используют звук для навигации, общения друг с другом на больших расстояниях и поиска пищи.

Скорость звука в воде зависит от температуры, солёности и давления [184], [224, стр. 33]:

C = 1448.96 + 4.591 t 0.05304 t2 + 0.0002374 t3 + 0.01630 Z где C — скорость в м/с, t — температура в градусах Цельсия, S — солёность (см. определение в гл. 6) в промилле и Z — глубина в метрах. Точность этой формулы примерно 0.1 м/c [69]. Существуют и другие популярные формулы скорости звука, например, формула Вильсона [383], которую широко использовал военно-морской флот США.

В обычных условиях скорость звука C составляет от 1450 до 1550 м/c (рис. 3.15). Используя формулу (3.1), мы можем оценить влияние на скорость звука небольших изменений температуры, глубины и солёности, часто происходящих в океане. Так, скорость звука изменяется на 40 м/c при увеличении температуры на 10 Цельсия, на 16 м/c при увеличении глубины на 1000 м и на 1.5 м/c при увеличении солёности на 1 промилле. Таким образом, основные причины изменения скорости звука — это температура и глубина (давление). Изменения солёности слишком малы, чтобы оказывать Depth (km) Рис. 3.15. Процессы, приводящие к возникновению в океане подводного звукового канала. Слева: температура T и солёность S, измеренные НИС Hakuho Maru в северной части Тихого Океана (рейс KH-87-1, станция JT (33 52.90 с. ш., 141 55.80 в. д.), 28 января 1987 г.). В центре: изменение скорости звука в зависимости от изменений температуры, солёности и глубины. Справа: график зависимости скорости звука от глубины; подводный звуковой канал образуется в точке минимума, приходящейся на глубину около 1 км. [146] существенное влияние.

Если изобразить на графике скорость звука как функцию глубины, то мы увидим, что её минимум приходится примерно на 1000 м (рис. 3.16). Водный слой, расположенный на этой глубине, получил за свои особые свойства название подводного звукового канала. Он присутствует во всех океанах, а в высоких широтах обычно выходит на поверхность.

Важность подводного звукового канала в том, что звук в нем может распространяться очень далеко, иногда проходя половину пути вокруг Земли.

Кратко, принцип действия подводного звукового канала состоит в следующем: звуковые лучи, которые начинают выходить из канала, отражаются обратно к его центру. Лучи, распространяющиеся вверх под небольшими углами к горизонтали, отражаются книзу, а лучи, распространяющиеся вниз, отклоняются кверху соответственно (рис. 3.16). Глубина канала изменяется от 10 до 1200 м в зависимости от местоположения.

Поглощение звука водной средой. Поглощение звука (абсорбция) на единицу расстояния зависит от интенсивности звука I:

Depth (km) Рис. 3.16. Распространение в океане звука от источника, расположенного вблизи оси подводного звукового канала [224].

где I0 — интенсивность до поглощения, а k — коэффициент поглощения, зависящий от частоты звука. Решение данного уравнения:

Типичные значения k (в децибелах на километр) составляют: 0.08 дБ/км при 1000 Гц и 50 дБ/км при 100 000 Гц. Децибелы считаются таким образом: дБ = 10 lg(I/I0 ), где I0 — первоначальная мощность звука, I — мощность звука после поглощения. Например, пройдя расстояние 1 км, сигнал с частотой 1000 Гц ослабнет всего на 1.8%: I = 0.982I0. На том же расстоянии сигнал с частотой 100 000 Гц уменьшится до I = 105 I0. Частота сигнала, обычно используемого при эхолотировании морского дна, составляет 30 000 Гц, и его затухание при прохождении от поверхности до дна и обратно незначительно.

Сигналы очень низкой, менее 500 Гц, частоты были зафиксированы в подводном звуковом канале на расстоянии мегаметров. В 1960 г. звук частотой 15 Гц от взрывов в подводном звуковом канале у австралийского города Перт был слышен около Бермудских островов; он прошёл почти полмира.

Дальнейшие эксперименты показали, что сигнал частотой 57 Гц, посланный в подводный звуковой канал около острова Херд (75 в. д., 53 ю. ш.), может быть зафиксирован на Бермудах в Атлантике и в Монтерее (Калифорния) на побережье Тихого океана [223].

Использование звука. Поскольку низкочастотные звуки распространяются на большие расстояния, военно-морской флот США в 1950-х разместил на дне океана систему микрофонов как в глубоких, так и в мелких водах, подключив их к наземным станциям. Эта система акустической разведки SOSUS (Sound Surveillance System), первоначально предназначенная 6 Строго говоря, в качестве параметра k соотношения 3.3 применимо не само значение в децибелах, рассчитанное по указанному определению, а его абсолютная величина, преобразованная из десятичного логарифма в натуральный. — Прим. перев.

для слежения за подводными лодками, нашла немало и других применений.

Так, она использовалась для поиска и слежения за китами на расстоянии до 1 700 км, а также для обнаружения подводных вулканических извержений.

3.7 Основные концепции 1. Если уменьшить ширину океана до 8 дюймов, то его глубина в том же масштабе будет соответствовать толщине листа бумаги. Благодаря этому, поля скорости в океане близки к двумерным, а вертикальные скорости гораздо меньше горизонтальных.

2. Количество океанов равно трём. 3. Объём воды превышает вместительность океанических бассейнов, так что океаны затапливают побережье континентов, образуя континентальный шельф.

4. Измерение глубины океанов и составление карт морского дна производится на основе информации, полученной при помощи установленных на судах эхолотов. Принцип действия эхолота состоит в измерении времени, требуемого звуковому импульсу для прохождения от поверхности до дна и в обратном направлении. Карты глубин имеют в некоторых регионах малое пространственное разрешение, поскольку эти регионы редко посещатся кораблями, так что маршруты измерений расположены далеко друг от друга.

5. Еще одним способом измерения глубин служат спутниковые альтиметрические системы, которые профилируют форму поверхности моря. Элементы подводного рельефа вызывают изменение гравитации в месте своего расположения, что, в свою очередь, влияет на форму морской поверхности в этом районе. У современных карт, основанных на спутниковых альтиметрических измерениях и данных эхолотирования, ошибка по глубине составляет ±100 м, а пространственное разрешение — ±3 км.

6. Скорость звука в океане составляет обычно 1480 м/c и определяется, в основном, температурой, меньше — давлением, и совсем мало — солёностью. Зависимость скорости звука от температуры и глубины создаёт в океане подводный звуковой канал, в котором звук может путешествовать на огромные расстояния. Так, сигнал частотой менее 500 Гц может обойти полмира при условии, что на его пути не встретится суша.

7О различных точках зрения на этот вопрос см. примечание на стр. 28. — Прим. перев.

46 Глава 3. Физические параметры океана Глава Влияние атмосферы на океан Солнце и земная атмосфера прямо и косвенно оказывают определяющее влияние на все динамические процессы в океане. Основные внешние по отношению к океану источники и стоки энергии: солнечный свет, испарение, инфракрасное излучение с поверхности океана и, наконец, изменение температуры океана под действием холодных и теплых ветров. Влияние ветра на циркуляцию поверхностных вод распространяется на глубины до 1 км, а ветровое и приливное перемешивание управляют глубинными океаническими течениями.

Океан, в свою очередь, служит источником тепла, определяющим атмосферную циркуляцию. Отсутствие равновесия между притоком тепла в океан и его оттоком приводит к возникновению в атмосфере ветров. Солнечное излучение прогревает воды в тропиках. Испарение с прогретой поверхности океана приводит к переносу тепла из океана в атмосферу вместе с водяными парами. Это тепло высвобождается при конденсации, когда водяные пары выпадают в виде осадков. Ветры и океанические течения переносят тепло от экватора к полюсам, откуда оно передается в космос. Поскольку атмосфера влияет на динамику океана, а океан, в свою очередь, также влияет на атмосферную циркуляцию, мы должны рассматривать океан и атмосферу как единую динамическую систему. В этой главе мы затронем, в основном, обмен моментом движения между атмосферой и океаном, а в следующей — обмен теплом. Глава 14 будет посвящена взаимодействию атмосферы и мирового океана в районе Тихого океана, которое порождает явление Эль-Ниньо.

1 В низких широтах Земля получает больше тепла от Солнца, чем теряет его путём собственного излучения, в высоких широтах — наоборот. Междуширотный обмен воздухом приводит к переносу тепла из низких широт в высокие и холода из высоких широт в низкие, чем сохраняется тепловое равновесие на всех широтах Земли. (Ст. «Циркуляция атмосферы», БСЭ (http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00088/46000.

htm)) — Прим. перев.

Рис. 4.1. Взаимное положение Земли и Солнца. Эллиптичность земной орбиты и наклон земной оси вращения по отношению к плоскости орбиты приводит к неравномерному распределению тепла и смене времен года. Ближе всего к Солнцу Земля подходит в положении перигелия.

4.1 Земля в космическом пространстве Орбита Земли вокруг Солнца по своей форме близка к окружности со средним радиусом 1.5 108 км. Эксцентриситет орбиты невелик и составляет 0.0168. Таким образом, Земля на 3.4% дальше от Солнца в положении афелия, чем в перигелии. Положение перигелия, наиболее близкое к Солнцу, достигается ежегодно в январе, при этом точное время его наступления смещается примерно на 20 мин в год. В 1995 г. Земля находилась в перигелии 3 января. Ось вращения Земли наклонена к плоскости земной орбиты под углом 23.45 (рис. 4.1). Положение Земли при этом таково, что солнечные лучи падают на земной экватор под прямым углом в дни весеннего и осеннего равноденствий, которыми приближенно считаются 21 марта и 21 сентября соответственно2.

Широтные дуги 23.45 в северном и южном полушарии Земли называются тропиком Рака и тропиком Козерога, соответственно. Область, располагающаяся между этими широтными кругами, называется тропиками. В результате эллиптичности земной орбиты средняя солнечная инсоляция на земной поверхности в целом достигает своего максимума в январе. В результате наклона земной оси максимум солнечной инсоляции для внетропических районов приходится, приближенно, на 21 июня в северном полушарии и на 21 декабря — в южном.

Если бы приходящая солнечная радиация мгновенно распределялась по земной поверхности, то максимальные температуры наблюдались бы в январе3. Напротив, при медленном перераспределении получаемого от СолнТочные даты наступления равноденствия меняются из года в год, а также зависят от часового пояса. — Прим. перев.

3 В положении перигелия — Прим. перев.

ца тепла северное полушарие более всего должно прогреваться летом4. Из этого следует, что в реальности перераспределение тепла воздушными и океанскими течениями требует значительного времени.

На рис. 4.2 показано среднее годовое распределение приземного ветра и поля давления для 1989 г. На карте видны зона наиболее сильных западных ветров, характерных для широтного пояса 40 ю. ш. – 60 ю. ш. («ревущие сороковые» и «неистовые пятидесятые»), самые слабые ветры — в субтропическом поясе около 30 широты, пассаты с восточной составляющей в тропической зоне, и более слабые восточные ветры вдоль экватора. Скорость и направление ветров зависят от неравномерного пространственного распределения радиационного баланса и континентов по поверхности Земли, а также вертикальной циркуляции в атмосфере.

Простейшая схема распределения атмосферных ветров (рис. 4.3) показывает, что большое влияние оказывается экваториальной конвекцией и процессами в верхней атмосфере. Средняя скорость ветра над oкеанами [375] Карты приземного ветра демонстрируют сезонную изменчивость. Наибольшие изменения наблюдаются в Индийском и западной части Тихого океана (рис. 4.4). Оба эти района находятся под влиянием азиатского муссона. Зимой в нижней атмосфере в районе интенсивного выхолаживания над Сибирью формируется область высокого давления, по ее периферии 4 При наибольшем угле падения солнечных лучей — Прим. перев.

-90 o Рис. 4.2. Среднее годовое распределение приземного ветра согласно [355] и поля давления для 1989 г. по данным Goddard Space Flight Center’s Data Assimilation Office [297]. Скорость ветра в районе 140 з. д. в экваториальной зоне Тихого океана составляет примерно 8 м/c.

холодный воздух перемещается с северо-запада на юго-восток над Японией и далее, прогреваясь над теплым океанским течением Куросио. Летом формирование термической депрессии в поле атмосферного давления над Тибетом способствует притоку теплого влажного воздуха с Индийского океана, с приходом которого начинается «сезон дождей» в Индии.

Атмосферный слой высотой до 100 м над уровнем моря испытывает влияние турбулентного трения, возникающего при взаимодействии ветра с морской поверхностью, и потоков тепла через нее. Этот слой получил название атмосферного (планетарного) пограничного слоя. Его высота Zi изменяется от нескольких десятков метров для слабых ветров над водной поверхностью, температура которой ниже температуры воздуха, до километра для более сильных ветров над водами, более теплыми, чем воздух.

Height (km) Рис. 4.3. Упрощенная схема атмосферной циркуляции, управляемой нагреванием тропиков и выхолаживанием высоких широт. Вверху: меридиональные ячейки в атмосфере и влияние вращения Земли на направление ветра. Внизу: вертикальный меридиональный разрез, показывающий две основные ячейки меридиональной циркуляции [235, 14].

Нижняя часть атмосферного пограничного слоя называется поверхностным слоем. В границах этого слоя, толщина которого приближенно равна 0.1Zi, вертикальные потоки тепла и момента движения практически постоянны.

Скорость ветра в поверхностном слое при нейтральной устойчивости зависит от высоты по логарифмическому закону (см. врезку «Турбулентный пограничный слой над плоской поверхностью» в гл. 8). Следовательно, высота, на которой производятся наблюдения, играет важную роль. Как правило, скорость ветра для метеосводок измеряется на высоте 10 м над -30 o -60 o -90 o -30 o -60 o -90 o Рис. 4.4. Среднее распределение приземных ветров в июле и январе, построенное по комплекту данных [355], который основан на данных реанализа ЕЦСПП погодных данных за период 1980–1989 гг. Скорость ветра в районе 140 з. д. в экваториальной зоне Тихого океана составляет примерно 8 м/c.

уровнем моря и обозначается U10.

4.4 Наблюдения за ветром Измерение ветровых характеристик проводится уже не первое столетие.

Мори был первым, кто собрал и систематизировал данные по ветру и составил первые карты ветра [201]. В настоящее время Национальным управлением по исследованию океанов и атмосферы США собраны, отредактированы и переведены в цифровой формат миллионы данных наблюдений за ветром за период более 100 лет. Результатом этой работы стал Всеобъемлющий комплект данных по океану и атмосфере (КОАДС), который подробно рассматривается в разд. 5.5. Эта база данных широко используется для исследования атмосферного влияния на океан.

Современные сведения о характеристиках ветра у земной поверхности поступают из разных источников. Далее перечислены в порядке убывания относительной важности наиболее значимые сведения о методах получения характеристик ветра.

Шкала Бофорта. До 1991 г. наиболее распространенным источником сведений о ветре были данные измерений скорости ветра в соответствии со шкалой Бофорта. Эта шкала основана на наблюдаемых с борта судна характеристиках водной поверхности, в частности, на площади покрытия пеной и форме волн (табл. 4.1).

Шкала была предложена адмиралом сэром Ф. Бофортом в 1806 г. для определения силы воздействия ветра на паруса. Одобренная Британским Адмиралтейством в 1838 г., она быстро получила широкое практическое применение.

В 1874 г. Международный Метеорологический Комитет признал шкалу Бофорта в качестве международного стандарта. В 1926 г. было принято новое определение шкалы, в котором баллам Бофорта были поставлены в соответствие скорости ветра на высоте 6 м над поверхностью океана. В 1946 г. шкала была вновь пересмотрена: она была расширена для учета более сильных скоростей ветра, а высота, на которой следует проводить измерение скорости ветра, увеличена до 10 м. В основе шкалы 1946 г. лежит эмпирическое соотношение U10 = 0.836B 3/2, где B — баллы по шкале Бофорта а U10 — скорость ветра на высоте 10 м, выраженная в метрах в секунду [178]. В последнее время различные группы ученых пересматривали шкалу Бофорта, сравнивая скорость ветра, рассчитанную по шкале, с измерениями, выполненными с помощью судовых анемометров, установленных на известной высоте. Рекомендуемые по результатам этих работ соотношения представлены в табл. 4.1 [149].

Наблюдатели на борту обычно передают данные метеонаблюдений, в том числе силу ветра по шкале Бофорта, четыре раза в день: в полночь, в 6 часов утра, в полдень и в 6 часов вечера по Гринвичу. Сообщения кодируются и передаются по радио в национальные метеорологические службы.

Основным источником ошибок в сводках являются ошибки выборочного обследования. Корабли распределены по поверхности океана неравномерно, поскольку они стараются не заходить в высокие широты зимой, избегают ураганов летом и сравнительно редко посещают южное полушарие Таблица 4.1. Шкала Бофорта и состояние моря Балл Словесная харак- м/с Видимое состояние моря Бофорта теристика ветра 2 Легкий ветер 2.8 Небольшие волны; гребни волн гладкие, не 3 Слабый ветер 4.9 Различимые волны; гребни начинают опрокидываться; редкие барашки.

4 Умеренный ветер 7.7 Волны становятся удлиненными; барашки 5 Свежий ветер 10.5 Средние волны; многочисленные барашки;

6 Сильный ветер 13.1 Образуются крупные волны; барашки повсеместно; больше брызг.

7 Крепкий ветер 15.8 Волны громоздятся; гребни срываются; пена 8 Очень крепкий 18.8 Длинные, умеренно высокие волны; по краветер ям гребней взлетают брызги; отчетливые полосы пены, сносимой ветром.

9 Шторм 22.1 Волны высокие; качка; пена широкими плотными полосами ложится по ветру; брызги 10 Сильный шторм 25.9 Очень высокие волны с нависающими гребнями; поверхность моря белая от пены, которую ветер выдувает крупными хлопьями;

11 Жестокий шторм 30.2 Исключительно высокие волны; море покрыто белыми хлопьями пены; видимость 12 Ураган 35.2 Воздух наполнен брызгами и пеной; море полностью белое, покрытое пеной; видимость сильно ухудшена.

-10 o -30 o -50 o -70 o Рис. 4.5. Местоположение приземных наблюдений, произведенных судамиучастниками программы добровольных наблюдений, которые были представлены в национальные метеослужбы (по данным NOAA, National Ocean Service).

(рис. 4.5). В целом, точность метода составляет примерно 10%.

Скаттерометры. Наблюдения ветра над океаном осуществляются, в основном, при помощи спутниковых скаттерометров [179]. Скаттерометр — это прибор, действующий по принципу радара, который измеряет рассеивание радиоволн сантиметрового диапазона волнами на поверхности океана с длиной волны также порядка сантиметров. Площадь, покрытая такими мелкими волнами, их амплитуда и ориентация зависят от скорости и направления ветра. Скаттерометр измеряет рассеивание по 2–4 направлениям; далее по этим данным рассчитывается скорость и направление ветра.

Скаттерометры на спутниках ERS-1 и ERS-2 осуществляют глобальное измерение ветровых характеристик из космоса с 1991 г. Скаттерометр NASA, установленный на японском спутнике ADEOS, проводил измерения ветра в течение полугода, начиная с ноября 1996 г. и вплоть до преждевременного падения спутника. Его сменил QuikSCAT, запущенный 19 июня 1999 г., который собирает в течение 24 часов информацию о состоянии 93% поверхности океана с разрешением 25 км.

Фрейлих и Данбар сообщают, что, в целом, скаттерометр NASA на спутнике ADEOS измерял скорость ветра с точностью до ±1.3 м/c [80]. Ошибка в измерении направления ветра составляла ±17, а пространственное разрешение — 25 км. Калиброванные данные QuikSCAT имеют точность ±1 м/c.

Так как скаттерометры «видят» определенную площадь поверхности океана один раз в день, то собранные данные требуют дальнейшей обработки при помощи численных метеорологических моделей, что позволяет построить на их основе 6-часовые карты ветра, требуемые для некоторых исследований.

Windsat. Windsat — это экспериментальный поляриметрический микроволновой радиометр, разработанный ВМФ США, предназначенный для измерения величины и поляризации микроволнового излучения океана, испускаемого под углом 50 –55 к вертикали на пяти различных частотах.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
Похожие работы:

«ОАО СтанкоМашКомплекс Наривончик М.Н. Основы работы и эксплуатации станков с ЧПУ Fanuc 0i-D. Тверь 2013 Ver 0.2с от 29.07.2013 1 Настоящее издание является собственностью ОАО СтанкоМашКомплекс. Любое копирование и распространение разрешается только с согласия правообладателя. Ни автор, ни ОАО СтанкоМашКомплекс не несет ответственности за возможные последствия использования информации, изложенной в данном руководстве. Советы по расширению методических указаний и указания об ошибках направляйте...»

«ВЕСТНИК НОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ – 2013 – N 1 Электронное издание УДК 517.958:57 ПОСТРОЕНИЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ АЛГЕБРАИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОНСТРУКТИВНОЙ ЛОГИКИ НА ПРИМЕРЕ ГЕСТОЗОВ В.А. ХРОМУШИН*, М.В. ПАНЬШИНА**, В.И. ДАИЛЬНЕВ***, К.Ю. КИТАНИНА*, О.В. ХРОМУШИН**** * Тульский государственный университет, e-mail: vik@khromushin.com ** Тульский областной родильный дом *** Департамент здравоохранения Тульской области **** Тульское отделение Академии медико-технических наук Аннотация:...»

«ББК 84 А 14 Составление: Анна Голубкова Рисунки Вячеслава Крыжановского Художественное оформление: Асия Момбекова Техническая поддержка: Сергей Шук Верстка: Елена Иванова Права на опубликованные тексты принадлежат их авторам. Абзац: альманах. Вып. 8. – М.: Проект Абзац; СПб.: Свое издательство, 2013. – 186 с. Восьмой выпуск альманаха является в некотором роде пробным. Это касается не столько содержания, сколько формы существования издания. Если раньше альманах выходил небольшим тиражом, который...»

«Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Л. Е. МИХАИЛОВ ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ К он сп ек т лекц и й ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ПОЛИТЕХНИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ ЛЕНИ НГРАД имени М. и; КАЛИНИНА - 1982 УДК 551.49 М ихайлов Л.’ Е, Грунтовые, воды.— Л., изд. ЛПИ, 1982.—40 с. (ЛГМИ) В работе кратко изложены особенности, условия залегания, питания и раз­ грузки грунтовых вод, их связь с поверхностными и напорными водами. Приве­ дена...»

«СТАНДАРТ ПРЕДПРИЯТИЯ Образовательный стандарт высшего профессионального образования АлтГТУ. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 090104 (075400) КОМПЛЕКСНАЯ ЗАЩИТА ОБЪЕКТОВ ИНФОРМАТИЗАЦИИ Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова 2004 СТП 075400-04 ПРЕДИСЛОВИЕ 1) РАЗРАБОТАН кафедрой Защита информационных ресурсов и систем связи наименование кафедры, разработавшей стандарт 2) В стандарте использованы следующие нормативные документы: -письмо Минобразования России от...»

«Центр стандартизации и сертификации лесоматериалов ООО ЛЕСЭКСПЕРТ Тел. +7 499 717-55-25, +7 916 150-05-32 E-mail: mail@lesexpert.ru Web-page: www.lesexpert.org Почтовый адрес: 124617, Москва, К-617, Зеленоград, корп. 1451, кв. 36 Член технического комитета по стандартизации ТК-78 Лесоматериалы 15.10.2012 № 33 Проект 2012-08-05 ПОСОБИЕ ПО УЧЁТУ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ Анатолий Курицын, Алексей Курицын ООО Лесэксперт Пособие по учту круглых лесоматериалов Проект 2012-08- Содержание Введение УЧЁТ...»

«Ученые СибАДИ СибАДИ Пономаренко Юрий Евгеньевич Биобиблиографический указатель Омск 2012 Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО Сибирская автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) БИБЛИОТЕКА Ученые СибАДИ Пономаренко Юрий Евгеньевич Биобиблиографический указатель Составитель ведущий библиограф Астахова Л. П. Омск 2012 2 Пономаренко Юрий Евгеньевич : биобиблиографический указатель / сост. Л. П. Астахова. – Омск, 2012. – 24 с.: ил. – (Ученые СибАДИ). Биобиблиографический...»

«Указывающие устройства и клавиатура Руководство пользователя © Hewlett-Packard Development Company, L.P., 2008 г. Windows — зарегистрированный в США товарный знак Microsoft Corporation. Информация, содержащаяся в настоящем документе, может быть изменена без предварительного уведомления. Все виды гарантий на продукты и услуги компании HP указываются исключительно в заявлениях о гарантии, прилагаемых к указанным продуктам и услугам. Никакие сведения, содержащиеся в данном документе, не должны...»

«Материалы секции 16 9 Секция 16 Использование результатов космической деятельности в интересах социальноэкономического развития Российской Федерации ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫМИ ПРИРОДНЫМИ ТЕРРИТОРИЯМИ В.В. Маклаков, В.Р.Хохряков (ОАО НПК РЕКОД) vmaklakov@rekod.ru Открытое акционерное общество Научно-производственная корпорация РЕКОД в рамках Федеральной космической программы на 2006-2015 годы с 2009 года реализует пилотный проект...»

«А. А. Коршак, А. М. Шаммазов Основы нефтегазового дела Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений по направлению Нефтегазовое дело Издание третье, исправленное и дополненное ДизайнПолиграфСервис Уфа 2005 УДК 622 ББК 26.341.1 К11 Рецензенты: доктор технических наук, профессор Валеев М. Д., зам. директора БашНИПИнефть; кафедра Проектирование и эксплуатация нефтегазопроводов и хранилищ Тюменского государственного...»

«Вы воспользовались услугами Электронный-Каталог-Биб Научно-техническая библиотека АС Данный раздел ЭКБ Введение позволят получить полное представление о про Данный каталог ЭКБ построен в Microsoft Office Excel 2003 для персона на базе алфавитного указателя + поиск по спецификации и позволяе издание в Научно-технической библиотеке АСМС. В этой книге всего 5-ть листов: Введение - Инструкция - Шифры - от А д На Рис.1 представленно Меню программы (описание значений с Рис.1 Что есть что: 1 Поле...»

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ в г. ТАГАНРОГЕ В.В. БОГДАНОВ И.В. ЛЫСАК ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ НАУКИ ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНИКИ И ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК ИСТОРИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК Учебно-методический комплекс по дисциплине Таганрог 2012 1 ББК 87я73 Богданов В.В., Лысак И.В. История и философия науки. Философские проблемы техники и технических наук. История...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКАЯ ПРАВОВАЯ АКАДЕМИЯ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОСТОВСКИЙ (Г. РОСТОВ-НА-ДОНУ) ЮРИДИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) УТВЕРЖДАЮ Директор Ростовского (г. Ростов-на-Дону) юридического института (филиала) В.Н. Зырянов СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 030912 – ПРАВО И ОРГАНИЗАЦИЯ СОЦИАЛЬНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИЯ – ЮРИСТ КАФЕДРА ГУМАНИТАРНЫХ И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ НАУК ГЕОГРАФИЯ...»

«Схема теплоснабжения города Иркутска до 2027 г. ОБОСНОВЫВАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ ТОМ 1. КНИГА 1 Глава 1 Существующее положение в сфере производства, передачи и потребления тепловой энергии для целей теплоснабжения г. Иркутска Часть 1 Функциональная структура г. Иркутск 2013 г. 3 Книга 5. Глава 1 Часть 6 Балансы тепловой мощности и тепловой нагрузки в зонах воздействия источников 3412БЭ-Д-01-ПЗ-05 тепловой энергии Часть 7 Балансы теплоносителя Часть 8 Топливные балансы источников тепловой энергии и...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова Кафедра экономики отраслевых производств ЭКОНОМИКА ЛЕСОПОЛЬЗОВАНИЯ Учебно-методический комплекс по дисциплине для студентов по направлению 080000 Экономика и управление специальности 080502 – Экономика и управление...»

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР КАМНИ БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОЬЕТОННЫЕ БОРТОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГОСТ 6665-91 Издание официальное УДК 625.823.2:006.354 Группа Ж18 Г О С У Д А Р С Т В Е Н НЫ Й С Т А Н Д А Р Т С О Ю ЗА С С Р КАМНИ БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ГОСТ БОРТОВЫЕ Технические условия 6665- Concrete and reinforced concrete curbs. Specifications ОКП 57 4612; с 01.01. Настоящий стандарт распространяется на бетонные и железобетонные бортовые камни (далее — камни), изготовляемые из...»

«Ю Н Е СК О - UNEVO C | Бюлл ет ень 1 7 | I S SN 1020-9913 | 8 а п р ел я 2 01 0 | b u llet in @ u n evo c. un es c o.o rg E n g lis h | F r an a is | E s pa o l Информационный бюллетень ЮНЕСКО- апрель 2010 UNEVOC 17 Колонка редактора Сеть UNEVOC Сотрудничество Интернет-форум UNEVOC Разработка систем ТПО № Обучение преподавателей для ТПО ТПО и обучение для устойчивого развития Обучение взрослых Новые публикации ЮНЕСКО-UNEVOC – взгляд изнутри Вакансии в ЮНЕСКО-UNEVOC Напишите статью в бюллетень...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.И.САТПАЕВА Институт Автоматики и управления УЧЕБНО–МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ СТУДЕНТА по дисциплине Современные методы проектирования АЛМАТЫ 2014 Учебно–методический комплекс по дисциплине Современные методы проектирования для студентов КазНТУ имени К.И.Сатпаева Составитель: Ширяева О.И., Алматы: КазНТУ, 2014. – 74 с. Составители Ширяева Ольга Ивановна доцент, кандидат технических...»

«АВТОРЫ: Кафедра ортопедической стоматологии ГОУ ДПО СПбМАПО: А.В. Цимбалистов - д.м.н., профессор, заведующий кафедрой; И.В. Войтяцкая - к.м.н., доцент кафедры; Т.А. Лопушанская - к.м.н., доцент кафедры; А.А. Симоненко – соискатель кафедры; Л.Б. Петросян - к.м.н., доцент кафедры. ФГОУ ДПО Национальный институт здоровья: А.А. Синицкий – к.м.н., профессор. ЗАО ОКБ РИТМ: С.С. Слива – заведующий отделом; Г.А. Переяслов – заведующий сектором программно-методического обеспечения; Б.И. Хлабустин –...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тихоокеанский государственный университет УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе С.В. Шалобанов “_” 2007 г. ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ по кафедре Вычислительной техники СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Утверждена научно-методическим советом университета для направлений подготовки (специальностей) в области Информатики и вычислительной техники Специальность 230101.65 Вычислительные машины,...»






 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.