Физическая океанография — это изучение физических условий и физических процессов в океане , особенно движения и физических свойств океанских вод.
Физическая океанография - одна из нескольких подобластей, на которые разделена океанография . Другие включают биологическую , химическую и геологическую океанографию.
Физическую океанографию можно разделить на описательную и динамическую физическую океанографию. [1]
Описательная физическая океанография направлена на исследование океана посредством наблюдений и сложных численных моделей, которые максимально точно описывают движения жидкости.
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 (ГФД) , которая используется вместе с метеорологией . GFD — это раздел гидродинамики, описывающий потоки, происходящие в пространственных и временных масштабах, на которые сильно влияет сила Кориолиса .
Примерно 97% воды планеты находится в ее океанах, а океаны являются источником подавляющего большинства водяного пара , который конденсируется в атмосфере и выпадает в виде дождя или снега на континентах. [3] [4] Огромная теплоёмкость океанов смягчает климат планеты , а поглощение им различных газов влияет на состав атмосферы . [4] Влияние океана распространяется даже на состав вулканических пород в результате метаморфизма морского дна , а также на состав вулканических газов и магм , созданных в зонах субдукции . [4]
С уровня моря океаны намного глубже, чем высота континентов ; Изучение гипсографической кривой Земли показывает, что средняя высота суши Земли составляет всего 840 метров (2760 футов), а средняя глубина океана составляет 3800 метров (12 500 футов). Хотя это кажущееся несоответствие велико как для суши, так и для моря, соответствующие крайности, такие как горы и траншеи , редки. [3]
Поскольку подавляющую часть объема мирового океана составляют глубокие воды, средняя температура морской воды низкая; примерно 75% объема океана имеет температуру от 0° до 5°C (Пине, 1996). Такой же процент приходится на диапазон солености от 34 до 35 ppt (3,4–3,5%) (Pinet 1996). Однако существует еще немало вариаций. Температура поверхности может варьироваться от нуля у полюсов до 35 ° C в ограниченных тропических морях, а соленость может варьироваться от 10 до 41 ppt (1,0–4,1%). [5]
Вертикальную структуру температуры можно разделить на три основных слоя: поверхностный перемешанный слой с низкими градиентами, термоклин с высокими градиентами 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 залегает у поверхности, где испарение повышает соленость в тропиках или разбавляет ее талая вода в полярных регионах . [5] Эти изменения солености и температуры с глубиной меняют плотность морской воды, создавая пикноклин . [3]
Энергия для циркуляции океана (и атмосферной циркуляции) поступает от солнечной радиации и гравитационной энергии Солнца и Луны. [6] Количество солнечного света, поглощаемого поверхностью, сильно варьируется в зависимости от широты: на экваторе оно больше, чем на полюсах, и это вызывает движение жидкости как в атмосфере, так и в океане, которое перераспределяет тепло от экватора к полюсам, тем самым уменьшение температурных градиентов, которые существовали бы при отсутствии движения жидкости. Возможно, три четверти этого тепла переносится атмосферой; остальное уносится в океан.
Атмосфера нагревается снизу, что приводит к конвекции, крупнейшим проявлением которой является циркуляция Хэдли . Напротив, океан нагревается сверху, что подавляет конвекцию. Вместо этого в полярных регионах образуются глубокие океанские воды, где холодные соленые воды опускаются на довольно ограниченных участках. Это начало термохалинной циркуляции .
Океанические течения в значительной степени обусловлены напряжением приземного ветра; следовательно, крупномасштабная циркуляция атмосферы важна для понимания циркуляции океана. Циркуляция Хэдли приводит к появлению восточных ветров в тропиках и западных ветров в средних широтах. Это приводит к медленному течению к экватору на большей части субтропического океанского бассейна ( баланс Свердрупа ). Обратный поток происходит в виде интенсивного, узкого, западного пограничного течения, направленного к полюсу . Как и атмосфера, океан гораздо шире, чем его глубина, и, следовательно, горизонтальное движение обычно намного быстрее, чем вертикальное. В южном полушарии существует непрерывный пояс океана, и, следовательно, западные ветры средних широт вызывают сильное Антарктическое циркумполярное течение . В северном полушарии этому препятствуют массивы суши, и циркуляция океана разбивается на более мелкие круговороты в Атлантическом и Тихоокеанском бассейнах.
Эффект Кориолиса приводит к отклонению потоков жидкости (вправо в Северном полушарии и влево в Южном). Это оказывает глубокое воздействие на течение океанов. В частности, это означает, что поток огибает системы высокого и низкого давления, что позволяет им сохраняться в течение длительного периода времени. В результате крошечные изменения давления могут создавать измеримые токи. Например, наклон высоты морской поверхности в одну миллионную приведет к возникновению течения со скоростью 10 см/с в средних широтах. Тот факт, что эффект Кориолиса наиболее велик на полюсах и слаб на экваторе, приводит к резким, относительно устойчивым западным пограничным течениям, которые отсутствуют на восточных границах. См. также эффекты вторичной циркуляции .
Перенос Экмана приводит к чистому переносу поверхностных вод 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 их углубления в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. В большинстве случаев самый нижний слой воды, подвергающийся воздействию ветра, находится на глубине 100–150 м и перемещается под углом около 180 градусов, совершенно противоположным направлению ветра. В целом чистый перенос воды составит 90 градусов от первоначального направления ветра.
Ленгмюровская циркуляция приводит к появлению на поверхности океана тонких видимых полос, называемых валками , параллельных направлению ветра. Если ветер дует со скоростью более 3 м/с , он может создавать параллельные валы с чередованием восходящих и нисходящих потоков на расстоянии примерно 5–300 м друг от друга. Эти валки создаются соседними яйцевидными водными ячейками (достигающими глубины примерно 6 м (20 футов)), поочередно вращающимися по часовой стрелке и против часовой стрелки. В зонах конвергенции скапливается мусор, пена и водоросли, а в зонах расхождения планктон улавливается и выносится на поверхность. Если в зоне дивергенции много планктона, рыба часто привлекается для питания им.
На границе океан-атмосфера океан и атмосфера обмениваются потоками тепла, влаги и импульса.
Важными тепловыми факторами на поверхности являются поток явного тепла , поток скрытого тепла, приходящая солнечная радиация и баланс длинноволнового ( инфракрасного ) излучения . В целом, тропические океаны будут иметь тенденцию демонстрировать чистый прирост тепла, а полярные океаны — чистую потерю тепла в результате чистой передачи энергии к полюсам в океанах.
Большая теплоемкость океанов смягчает климат территорий, прилегающих к океанам, что приводит к морскому климату в таких местах. Это может быть результатом накопления тепла летом и выделения тепла зимой; или переноса тепла из более теплых мест: особенно ярким примером этого является Западная Европа , которая нагревается, по крайней мере частично, за счет североатлантического дрейфа .
Приземные ветры обычно имеют скорость порядка метров в секунду; Океанские течения порядка сантиметров в секунду. Следовательно, с точки зрения атмосферы океан можно считать фактически стационарным; с точки зрения океана атмосфера создает значительную ветровую нагрузку на ее поверхность, и это вызывает крупномасштабные течения в океане.
Из-за напряжения ветра ветер порождает волны на поверхности океана ; более длинные волны имеют фазовую скорость , стремящуюся к скорости ветра . Импульс приземных ветров передается в поток энергии поверхностными волнами океана. Повышенная шероховатость поверхности океана из-за наличия волн меняет ветер у поверхности.
Океан может получать влагу из осадков или терять ее в результате испарения . Потери от испарения делают океан более соленым; например, Средиземное море и Персидский залив имеют сильные потери от испарения ; образовавшийся шлейф плотной соленой воды можно проследить через Гибралтарский пролив в Атлантический океан . Одно время считалось, что испарение / осадки являются основной движущей силой океанских течений; теперь известно, что это лишь очень незначительный фактор.
Волна Кельвина — это любая прогрессивная волна , которая распространяется между двумя границами или противостоящими силами (обычно между силой Кориолиса и береговой линией или экватором ). Различают два типа: прибрежный и экваториальный. 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 за береговой линией и всегда распространяются против часовой стрелки в северном полушарии (с береговой линией 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 высокие скорости, обычно около 2–3 метров в секунду. Они имеют длины волн в тысячи километров и амплитуды в десятки метров.
Волны Россби , или планетарные волны, — это огромные медленные волны, порождаемые в тропосфере разницей температур между океаном и континентами . Их главной восстанавливающей силой является изменение силы Кориолиса с широтой . Амплитуды их волн обычно составляют десятки метров и имеют очень большие длины волн . 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 меняются по вертикали. Бароклинные волны Россби гораздо медленнее.
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 групповую скорость, направленную на восток, а более длинные — групповую скорость, направленную на запад.
Взаимодействие океанской 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 тихоокеанские десятилетние колебания , североатлантические колебания и арктические колебания . Океанический процесс термохалинной циркуляции является важным компонентом перераспределения тепла по земному шару, и изменения в этой циркуляции могут иметь серьезные последствия для климата.
и
Это совмещенная волна океана и атмосферы , которая кружит над Южным океаном примерно каждые восемь лет. Поскольку это явление волны 2 (в круге широт есть два пика и два впадины ), в каждой фиксированной точке пространства виден сигнал с периодом четыре года. Волна движется на восток в направлении Антарктического циркумполярного течения .
К наиболее важным океанским течениям относятся:
Океанское тело, окружающее Антарктику , в настоящее время является единственным сплошным водоемом, где имеется широкая полоса открытой воды. Он соединяет Атлантический , Тихий и Индийский океаны и обеспечивает непрерывное течение преобладающих западных ветров, что значительно увеличивает амплитуды волн. Принято считать, что именно эти преобладающие ветры ответственны в первую очередь за перенос циркумполярных течений. Сейчас считается, что этот ток меняется со временем, возможно, колебательно.
В Норвежском море преобладает испарительное охлаждение, и тонущая водная масса, Североатлантическая глубокая вода (NADW), заполняет бассейн и разливается на юг через трещины в подводных порогах , соединяющих Гренландию , Исландию и Великобританию . Затем он течет вдоль западной границы Атлантики, причем некоторая часть потока движется на восток вдоль экватора, а затем к полюсу в океанские котловины. NADW увлекается Циркумполярным течением, и его можно проследить до бассейнов Индии и Тихого океана. Однако поток из бассейна Северного Ледовитого океана в Тихий океан блокируется узкими отмелями Берингова пролива .
Также см. раздел «Морская геология» , в котором исследуется геология дна океана, включая тектонику плит , которая создает глубокие океанские впадины.
Идеализированный субтропический океанский бассейн, вынужденный ветрами, кружащимися вокруг систем высокого давления (антициклонических), таких как Азорско-Бермудский максимум, развивает круговоротную циркуляцию с медленными устойчивыми потоками к экватору внутри. Как обсуждал Генри Стоммел , эти потоки уравновешиваются в районе западной границы, где развивается тонкий быстрый поток в направлении полюса, называемый западным пограничным течением . Течение в реальном океане более сложное, но примерами таких течений являются Гольфстрим , Агульяс и Куросио . Они узкие (около 100 км в поперечнике) и быстрые (около 1,5 м/с).
Западные пограничные течения, направленные к экватору, возникают в тропических и полярных регионах, например, Восточно-Гренландское и Лабрадорское течения, в Атлантике и Оясио . Они вызваны циркуляцией ветров вокруг низкого давления (циклонических).
Гольфстрим вместе со своим северным продолжением, Северо-Атлантическим течением , представляет собой мощное, теплое и быстрое течение в Атлантическом океане, которое берет начало в Мексиканском заливе , выходит через Флоридский пролив и следует вдоль восточного побережья Соединенных Штатов и США. Ньюфаундленд на северо-востоке перед пересечением Атлантического океана.
Течение Куросио — океанское 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, переносящему теплую тропическую воду на север, в полярный регион.
Тепловой поток океана представляет собой турбулентную и сложную систему, которая использует методы атмосферных измерений, такие как вихревая ковариация, для измерения скорости теплопередачи, выраженной в единицах петаватт . [7] Тепловой поток – это поток энергии на единицу площади в единицу времени. Большая часть тепла Земли находится в ее морях, а меньшая часть тепла передается в таких процессах, как испарение, излучение, диффузия или поглощение морскому дну. Большая часть теплового потока океана происходит за счет адвекции или движения океанских течений. Например, считается, что большая часть движения теплых вод в южной Атлантике возникла в Индийском океане. [8] Другим примером адвекции является неэкваториальный нагрев Тихого океана, который является результатом подземных процессов, связанных с атмосферными антиклиналями. [9] Недавние наблюдения за потеплением придонных вод Антарктики в Южном океане вызывают беспокойство у ученых-океанологов, поскольку изменения придонных вод повлияют на течения, питательные вещества и биоту в других местах. [10] Международное осознание проблемы глобального потепления сосредоточило научные исследования на этой теме с момента создания в 1988 году Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Улучшение наблюдения за океаном, приборов, теории и финансирования привело к увеличению числа научных публикаций по региональным и глобальным проблемам , связанным с жарой. [11]
Мареографы и спутниковая альтиметрия предполагают повышение уровня моря на 1,5–3 мм/год за последние 100 лет.
МГЭИК прогнозирует, что к 2081–2100 гг. глобальное потепление приведет к повышению уровня моря на 260–820 мм . [12]
Подъем и падение уровня океанов из-за приливов и отливов оказывает ключевое влияние на прибрежные районы. Океанские приливы на планете Земля создаются гравитационным воздействием Солнца и Луны . Приливы, производимые этими двумя телами, примерно сопоставимы по величине, но орбитальное движение Луны приводит к образованию приливов, которые меняются в течение месяца.
Приливы и отливы создают циклическое течение вдоль побережья, и сила этого течения может быть весьма значительной в узких устьях рек. Приходящие приливы также могут вызвать приливные волны вдоль реки или узкого залива, поскольку поток воды против течения приводит к образованию волн на поверхности.
«Прилив и течение» (Wyban, 1992) ясно иллюстрирует влияние этих природных циклов на образ жизни и средства к существованию коренных жителей Гавайских островов, ухаживающих за прибрежными рыбными прудами. Значение айа ке ола ка хана . . . Жизнь в труде .
Приливный резонанс возникает в заливе Фанди, поскольку время, необходимое большой волне , чтобы пройти от устья залива до противоположного конца, затем отразиться и вернуться обратно к устью залива, совпадает с приливным ритмом, создающим самый высокий в мире приливный резонанс. приливы.
Когда поверхностный прилив колеблется над топографией, например, над подводными горами или хребтами, он генерирует внутренние волны с приливной частотой, которые известны как внутренние приливы .
Серия поверхностных волн может возникнуть из-за крупномасштабного смещения океанской воды. Они могут быть вызваны подводными оползнями , деформациями морского дна из-за землетрясений или ударом большого метеорита .
Волны могут перемещаться по поверхности океана со скоростью до нескольких сотен километров в час, но в середине океана их едва можно обнаружить, поскольку длины волн достигают сотен километров.
Цунами, первоначально называвшиеся приливными волнами, были переименованы, потому что они не связаны с приливами. Их считают мелководными волнами или волнами в воде 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 перемещаются внутрь суши, а затем выбрасываются в море. Это может привести к значительным изменениям в районах береговой линии, где волны ударяют с достаточной энергией.
Цунами, произошедшее в заливе Литуйя на Аляске 9 июля 1958 года, имело высоту 520 м (1710 футов) и является самым большим цунами из когда-либо измеренных: оно почти на 90 м (300 футов) выше, чем Сирс- Тауэр в Чикаго, и примерно на 110 м (360 футов). футов) выше, чем бывший Всемирный торговый центр в Нью-Йорке. [13]
Ветер порождает поверхностные волны океана, которые оказывают большое воздействие на морские сооружения , корабли , береговую эрозию и отложение осадков , а также на гавани . После возникновения ветром поверхностные волны океана могут перемещаться ( набухать ) на большие расстояния.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )[категория; физик Луны