Физическая океанография — это изучение физических условий и физических процессов в океане , особенно движений и физических свойств океанских вод.
Физическая океанография является одним из нескольких поддоменов, на которые делится океанография . Другие включают биологическую , химическую и геологическую океанографию.
Физическую океанографию можно разделить на описательную и динамическую физическую океанографию. [1]
Описательная физическая океанография стремится исследовать океан посредством наблюдений и сложных численных моделей, которые описывают движения жидкости с максимально возможной точностью.
Динамическая физическая океанография фокусируется в первую очередь на процессах, которые управляют движением жидкостей, с упором на теоретические исследования и численные модели. Они являются частью большой области геофизической гидродинамики (GFD), которая является общей с метеорологией . GFD является подобластью гидродинамики, описывающей потоки, происходящие в пространственных и временных масштабах, на которые сильно влияет сила Кориолиса .
Примерно 97% воды планеты находится в ее океанах, и океаны являются источником подавляющего большинства водяного пара , который конденсируется в атмосфере и выпадает в виде дождя или снега на континентах. [3] [4] Огромная теплоемкость океанов смягчает климат планеты , а поглощение им различных газов влияет на состав атмосферы . [ 4] Влияние океана распространяется даже на состав вулканических пород через метаморфизм морского дна , а также на состав вулканических газов и магм , созданных в зонах субдукции . [4]
От уровня моря океаны намного глубже, чем континенты ; изучение гипсографической кривой Земли показывает, что средняя высота суши Земли составляет всего 840 метров (2760 футов), в то время как средняя глубина океана составляет 3800 метров (12500 футов). Хотя это кажущееся несоответствие велико, как для суши, так и для моря соответствующие крайности, такие как горы и впадины , редки. [3]
Поскольку подавляющее большинство объема мирового океана составляет глубокая вода, средняя температура морской воды низкая; примерно 75% объема океана имеет температуру от 0° до 5 °C (Pinet 1996). Тот же процент приходится на диапазон солености от 34 до 35 ppt (3,4–3,5%) (Pinet 1996). Однако все еще есть довольно много вариаций. Температура поверхности может варьироваться от ниже нуля вблизи полюсов до 35 °C в ограниченных тропических морях, в то время как соленость может варьироваться от 10 до 41 ppt (1,0–4,1%). [5]
Вертикальную структуру температуры можно разделить на три основных слоя: поверхностный смешанный слой , где градиенты низкие, термоклин , где градиенты высокие, и слабо стратифицированную бездну.
С точки зрения температуры слои океана сильно зависят от широты ; термоклин выражен в тропиках, но отсутствует в полярных водах (Маршак 2001). Галоклин обычно лежит вблизи поверхности, где испарение повышает соленость в тропиках, или талая вода разбавляет ее в полярных регионах. [5] Эти изменения солености и температуры с глубиной изменяют плотность морской воды, создавая пикноклин . [3]
Энергия для циркуляции океана (и для атмосферной циркуляции) поступает из солнечной радиации и гравитационной энергии солнца и луны. [6] Количество солнечного света, поглощаемого поверхностью, сильно варьируется в зависимости от широты, будучи больше на экваторе, чем на полюсах, и это порождает движение жидкости как в атмосфере, так и в океане, которое перераспределяет тепло от экватора к полюсам, тем самым уменьшая температурные градиенты, которые существовали бы при отсутствии движения жидкости. Возможно, три четверти этого тепла переносится в атмосфере; остальное переносится в океане.
Атмосфера нагревается снизу, что приводит к конвекции, самым большим проявлением которой является циркуляция Хэдли . Напротив, океан нагревается сверху, что имеет тенденцию подавлять конвекцию. Вместо этого в полярных регионах образуются глубинные воды океана, где холодные соленые воды опускаются в довольно ограниченных областях. Это начало термохалинной циркуляции .
Океанические течения в значительной степени обусловлены поверхностным ветровым напряжением; поэтому крупномасштабная атмосферная циркуляция важна для понимания циркуляции океана. Циркуляция Хэдли приводит к восточным ветрам в тропиках и западным ветрам в средних широтах. Это приводит к медленному экваториальному потоку на протяжении большей части субтропического океанического бассейна ( баланс Свердрупа ). Обратный поток происходит в интенсивном, узком, полюсном западном пограничном течении . Как и атмосфера, океан намного шире, чем глубок, и поэтому горизонтальное движение в целом намного быстрее вертикального. В южном полушарии существует непрерывный пояс океана, и поэтому западные ветры средних широт вызывают сильное Антарктическое циркумполярное течение . В северном полушарии массы суши препятствуют этому, и циркуляция океана разбивается на более мелкие круговороты в Атлантическом и Тихом бассейнах.
Эффект Кориолиса приводит к отклонению потоков жидкости (вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии). Это оказывает глубокое воздействие на течение океанов. В частности, это означает, что поток идет вокруг систем высокого и низкого давления, позволяя им сохраняться в течение длительных периодов времени. В результате крошечные изменения давления могут создавать измеримые течения. Например, наклон в одну часть на миллион в высоте поверхности моря приведет к течению 10 см/с в средних широтах. Тот факт, что эффект Кориолиса является наибольшим на полюсах и слабым на экваторе, приводит к резким, относительно устойчивым течениям на западной границе, которые отсутствуют на восточных границах. Также см. эффекты вторичной циркуляции .
Перенос Экмана приводит к чистому переносу поверхностной воды на 90 градусов вправо от ветра в Северном полушарии и на 90 градусов влево от ветра в Южном полушарии. Когда ветер дует по поверхности океана, он «захватывает» тонкий слой поверхностной воды. В свою очередь, этот тонкий слой воды передает энергию движения тонкому слою воды под ним и так далее. Однако из-за эффекта Кориолиса направление движения слоев воды медленно смещается все дальше и дальше вправо по мере того, как они становятся глубже в Северном полушарии, и влево в Южном полушарии. В большинстве случаев самый нижний слой воды, на который воздействует ветер, находится на глубине 100 м – 150 м и перемещается примерно на 180 градусов, полностью противоположно направлению, в котором дует ветер. В целом чистый перенос воды будет составлять 90 градусов от первоначального направления ветра.
Циркуляция Ленгмюра приводит к появлению тонких, видимых полос, называемых ветровыми рядами , на поверхности океана, параллельных направлению, в котором дует ветер. Если ветер дует со скоростью более 3 м с −1 , он может создавать параллельные ветровые ряды, чередующиеся восходящие и нисходящие на расстоянии около 5–300 м друг от друга. Эти ветровые ряды создаются соседними овулярными водными ячейками (простирающимися до глубины около 6 м (20 футов)), попеременно вращающимися по часовой стрелке и против часовой стрелки. В зонах конвергенции скапливаются мусор, пена и водоросли, в то время как в зонах дивергенции планктон улавливается и выносится на поверхность. Если в зоне дивергенции много планктона, рыба часто привлекается им питаться.
На границе раздела океан-атмосфера океан и атмосфера обмениваются потоками тепла, влаги и импульса.
Важными тепловыми терминами на поверхности являются явный поток тепла , скрытый поток тепла, приходящая солнечная радиация и баланс длинноволнового ( инфракрасного ) излучения . В целом, тропические океаны будут иметь тенденцию показывать чистый прирост тепла, а полярные океаны — чистую потерю, что является результатом чистого переноса энергии к полюсам в океанах.
Большая теплоемкость океанов смягчает климат прилегающих к океанам территорий, что приводит к морскому климату в таких местах. Это может быть результатом накопления тепла летом и его высвобождения зимой; или переноса тепла из более теплых мест: особенно ярким примером этого является Западная Европа , которая нагревается, по крайней мере частично, североатлантическим дрейфом .
Поверхностные ветры имеют тенденцию быть порядка метров в секунду; океанские течения порядка сантиметров в секунду. Таким образом, с точки зрения атмосферы, океан можно считать фактически неподвижным; с точки зрения океана, атмосфера накладывает значительное ветровое напряжение на его поверхность, и это вызывает крупномасштабные течения в океане.
Через ветровое напряжение ветер генерирует волны на поверхности океана ; более длинные волны имеют фазовую скорость , стремящуюся к скорости ветра . Импульс поверхностных ветров преобразуется в поток энергии поверхностными волнами океана. Повышенная шероховатость поверхности океана из-за присутствия волн изменяет ветер вблизи поверхности.
Океан может получать влагу из осадков или терять ее через испарение . Испарительные потери делают океан более соленым; например, Средиземное море и Персидский залив имеют сильные испаряющие потери; полученный шлейф плотной соленой воды можно проследить через Гибралтарский пролив в Атлантический океан . Когда-то считалось, что испарение / осадки являются основным фактором океанских течений; теперь известно, что это лишь очень незначительный фактор.
Волна Кельвина — это любая прогрессивная волна , которая направлена между двумя границами или противостоящими силами (обычно между силой Кориолиса и береговой линией или экватором ). Существует два типа: прибрежные и экваториальные. Волны Кельвина являются гравитационными и недисперсионными . Это означает, что волны Кельвина могут сохранять свою форму и направление в течение длительных периодов времени. Обычно они создаются внезапным изменением ветра, например, изменением пассатов в начале Эль-Ниньо-Южного колебания .
Прибрежные волны Кельвина следуют вдоль береговых линий и всегда распространяются против часовой стрелки в Северном полушарии ( береговая линия находится справа от направления движения) и по часовой стрелке в Южном полушарии .
Экваториальные волны Кельвина распространяются на восток в Северном и Южном полушариях , используя экватор в качестве ориентира .
Известно, что волны Кельвина имеют очень высокую скорость, обычно около 2–3 метров в секунду. Они имеют длину волны в тысячи километров и амплитуду в десятки метров.
Волны Россби , или планетарные волны, — это огромные, медленные волны, которые генерируются в тропосфере из-за разницы температур между океаном и континентами . Их основная восстанавливающая сила — это изменение силы Кориолиса с широтой . Амплитуды их волн обычно составляют десятки метров, а длины волн очень большие . Обычно они встречаются в низких или средних широтах.
Существует два типа волн Россби: баротропные и бароклинные . Баротропные волны Россби имеют самые высокие скорости и не изменяются по вертикали. Бароклинные волны Россби гораздо медленнее.
Отличительной особенностью волн Россби является то, что фазовая скорость каждой отдельной волны всегда имеет западную составляющую, но групповая скорость может быть в любом направлении. Обычно более короткие волны Россби имеют восточную групповую скорость, а более длинные — западную.
Взаимодействие океанической циркуляции, которая служит своего рода тепловым насосом , и биологических эффектов, таких как концентрация углекислого газа, может привести к глобальным изменениям климата в масштабе десятилетий. Известные климатические колебания, возникающие в результате этих взаимодействий, включают Тихоокеанскую декадную осцилляцию , Североатлантическую осцилляцию и Арктическую осцилляцию . Океанический процесс термохалинной циркуляции является важным компонентом перераспределения тепла по всему миру, и изменения в этой циркуляции могут иметь серьезные последствия для климата.
и
Это связанная волна океана / атмосферы , которая огибает Южный океан примерно каждые восемь лет. Поскольку это явление волны-2 (на широтном круге есть два пика и два провала ), в каждой фиксированной точке пространства виден сигнал с периодом в четыре года. Волна движется на восток в направлении Антарктического циркумполярного течения .
К наиболее важным океаническим течениям относятся:
Океаническое тело, окружающее Антарктику, в настоящее время является единственным непрерывным водоемом, где есть широкая широтная полоса открытой воды. Он соединяет Атлантический , Тихий и Индийский океаны и обеспечивает непрерывную протяженность для преобладающих западных ветров, что значительно увеличивает амплитуды волн. Общепризнано, что эти преобладающие ветры в первую очередь ответственны за циркумполярный перенос течения. В настоящее время считается, что это течение меняется со временем, возможно, колебательным образом.
В Норвежском море преобладает испарительное охлаждение, и опускающаяся масса воды, Североатлантическая глубинная вода (NADW), заполняет бассейн и разливается на юг через трещины в подводных порогах , которые соединяют Гренландию , Исландию и Великобританию . Затем она течет вдоль западной границы Атлантики, а некоторая часть потока движется на восток вдоль экватора, а затем к полюсу в океанические бассейны. NADW вовлекается в Циркумполярное течение и может быть прослежена в Индийском и Тихоокеанском бассейнах. Однако поток из бассейна Северного Ледовитого океана в Тихий океан блокируется узкими отмелями Берингова пролива .
Также ознакомьтесь с разделом «Морская геология» , который изучает геологию дна океана, включая тектонику плит , которая создает глубокие океанические впадины.
Идеализированный субтропический океанический бассейн, нагнетаемый ветрами, вращающимися вокруг систем высокого давления (антициклонических), таких как Азорско-Бермудский антициклон, развивает круговую циркуляцию с медленными устойчивыми потоками по направлению к экватору во внутренней части. Как обсуждал Генри Стоммел , эти потоки уравновешиваются в районе западной границы, где развивается тонкий быстрый поток к полюсу, называемый западным пограничным течением . Течение в реальном океане более сложное, но Гольфстрим , Агульяс и Куросио являются примерами таких течений. Они узкие (примерно 100 км в поперечнике) и быстрые (примерно 1,5 м/с).
Экваториально-западные пограничные течения встречаются в тропических и полярных районах, например, Восточно-Гренландское и Лабрадорское течения, в Атлантике и Ойясио . Они вызваны циркуляцией ветров вокруг низкого давления (циклонические).
Гольфстрим, вместе со своим северным продолжением, Северо-Атлантическим течением , представляет собой мощное, теплое и быстрое течение Атлантического океана, которое берет начало в Мексиканском заливе , выходит через Флоридский пролив и следует вдоль восточного побережья Соединенных Штатов и Ньюфаундленда на северо-восток, прежде чем пересечь Атлантический океан.
Течение Куросио — океаническое течение, обнаруженное в западной части Тихого океана у восточного побережья Тайваня и текущее на северо-восток мимо Японии , где оно сливается с восточным дрейфом Северо-Тихоокеанского течения . Оно аналогично Гольфстриму в Атлантическом океане, перенося теплую тропическую воду на север к полярному региону.
Поток тепла в океане — это турбулентная и сложная система, которая использует атмосферные методы измерения, такие как вихревая ковариация, для измерения скорости передачи тепла, выраженной в единицах или петаваттах . [7] Поток тепла — это поток энергии на единицу площади за единицу времени. Большая часть запаса тепла на Земле находится в ее морях, а меньшая часть передачи тепла происходит в таких процессах, как испарение, излучение, диффузия или поглощение морским дном. Большая часть потока тепла в океане происходит через адвекцию или движение океанических течений. Например, считается, что большая часть движения теплой воды в южной части Атлантического океана возникла в Индийском океане. [8] Другим примером адвекции является неэкваториальное нагревание Тихого океана, которое является результатом подповерхностных процессов, связанных с атмосферными антиклиналями. [9] Недавние наблюдения за потеплением антарктической придонной воды в Южном океане вызывают беспокойство у ученых-океанологов, поскольку изменения придонной воды повлияют на течения, питательные вещества и биоту в других местах. [10] Международная осведомленность о глобальном потеплении сосредоточила научные исследования на этой теме с момента создания в 1988 году Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Улучшенные наблюдения за океаном, приборы, теория и финансирование увеличили количество научных отчетов по региональным и глобальным проблемам , связанным с теплом. [11]
По данным мареографов и спутниковой альтиметрии, за последние 100 лет уровень моря повысился на 1,5–3 мм в год.
МГЭИК прогнозирует , что к 2081–2100 годам глобальное потепление приведет к повышению уровня моря на 260–820 мм. [12]
Подъем и падение уровня океанов из-за приливных эффектов оказывают ключевое влияние на прибрежные районы. Океанские приливы на планете Земля создаются гравитационными эффектами Солнца и Луны . Приливы, создаваемые этими двумя телами, примерно сопоставимы по величине, но орбитальное движение Луны приводит к приливным моделям, которые меняются в течение месяца.
Приливы и отливы создают циклическое течение вдоль побережья, и сила этого течения может быть весьма драматичной вдоль узких эстуариев. Приливы также могут создавать приливную волну вдоль реки или узкого залива, поскольку поток воды против течения приводит к образованию волны на поверхности.
«Приливы и течения» (Wyban 1992) наглядно иллюстрирует влияние этих природных циклов на образ жизни и средства к существованию коренных гавайцев, ухаживающих за прибрежными рыбоводными прудами. Aia ke ola ka hana означает... Жизнь в трудах .
В заливе Фанди происходит приливной резонанс, поскольку время, необходимое большой волне для того, чтобы пройти от устья залива до противоположного конца, а затем отразиться и вернуться обратно к устью залива, совпадает с приливным ритмом, вызывающим самые высокие приливы в мире.
Когда поверхностный прилив колеблется на рельефе, например, на подводных горах или хребтах, он генерирует внутренние волны с приливной частотой, которые известны как внутренние приливы .
Серия поверхностных волн может быть сгенерирована из-за масштабного смещения океанской воды. Они могут быть вызваны подводными оползнями , деформациями морского дна из-за землетрясений или ударом крупного метеорита .
Волны могут распространяться по поверхности океана со скоростью до нескольких сотен км/час, но в толще океана они едва заметны, поскольку их длина достигает сотен километров.
Цунами, изначально называвшиеся приливными волнами, были переименованы, потому что они не связаны с приливами. Они считаются мелководными волнами или волнами в воде с глубиной менее 1/20 их длины волны. Цунами имеют очень большие периоды, высокие скорости и большую высоту волн.
Основное воздействие этих волн приходится на прибрежную береговую линию, поскольку большие объемы океанской воды циклически продвигаются вглубь суши, а затем вытягиваются в море. Это может привести к значительным изменениям в районах береговой линии, где волны ударяют с достаточной энергией.
Цунами, произошедшее в заливе Литуя на Аляске 9 июля 1958 года, имело высоту 520 м (1710 футов) и стало самым большим цунами из когда-либо измеренных, почти на 90 м (300 футов) выше башни Сирс в Чикаго и примерно на 110 м (360 футов) выше бывшего Всемирного торгового центра в Нью-Йорке. [13]
Ветер генерирует волны на поверхности океана, которые оказывают большое влияние на прибрежные сооружения , корабли , прибрежную эрозию и седиментацию , а также гавани . После их генерации ветром волны на поверхности океана могут перемещаться (как зыбь ) на большие расстояния.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )[категория; физик луны