Атмосфера и Мировой океан представляют собой неразрывную систему, в которой непрерывно происходит тепловое и динамическое воздействие их друг на друга, настолько сильное и сложное, что отделить причину от следствия оказывается, как правило, невозможным. Взаимодействие Мирового океана и атмосферы оказывает решающее влияние и играет главную роль в формировании погоды и климата над океанами и морями.
Процессы и явления, происходящие в атмосфере и в океанах, их взаимосвязь и графическое распределение изучаются в науках – метеорология и океанография.
Метеорология (греч. meteora – атмосферные явления) – наука об атмосфере Земли и происходящих в ней процессах.
Основным разделом метеорологии является физика атмосферы. Метеорология изучает: состав и строение атмосферы, тепловой и температурный режим в атмосфере и на земной поверхности, влагооборот и фазовые преобразования воды в атмосфере, формирование воздушных масс и их движение, электрические, оптические и акустические явления в атмосфере.
Климатология является разделом метеорологии. К метеорологии относятся такие вполне самостоятельные науки как динамическая и синоптическая метеорологии, атмосферная оптика, атмосферное электричество, аэрология, агрометеорология и другие прикладные метеорологические дисциплины.)
Океанография (от океан и γραφειν — пишу, описываю) или океанология (от океан и λόγος — суждение, слово) – более распространенное в мировой классификации название науки об океане. В России (школа Шокальского) понятие «океанография» обычно подразумевает тот же предмет, но без биологической составляющей.
Океанология - наука о природных процессах в Мировом океане, рассматривает Мировой океан одновременно как часть гидросферы и как целостный планетарный природный объект, который взаимодействует с атмосферой, литосферой, материковым стоком и где в сложной взаимосвязи протекают физические, химические, геологические и биологические процессы.
Климат - (греч. klima – наклон (земной поверхности к солнечным лучам) статистический многолетний режим погоды (за 100 – 30 лет), одна и основных географических характеристик местности.
Основные особенности климата определяются поступлением солнечной радиации, циркуляцией воздушных масс, характером подстилающей земной поверхности (вода, суша, лед). Основными географическими факторами, определяющими климат, являются широта и высота местности, близость ее к морскому побережью, орография и характер растительности, загрязненность атмосферы. Эти факторы нарушают широтную зональность климата и способствуют формированию локальных его особенностей.
Использование основных положений метеорологии и океанографии для нужд мореплавания привело к созданию специальной науки – навигационная гидрометеорология и образовательной дисциплины - гидрометеорологическое обеспечение судовождения. Навигационная гидрометеорология включает в себя ряд разделов фундаментальных наук - метеорологии и океанографии (являясь их частью) - применительно к практической деятельности флота.
Указанными науками в дисциплине «Гидрометеорологическое обеспечение судовождения» рассматриваются:
Основные метеорологические элементы.
- температура воздуха;
- атмосферное давление;
- влажность воздуха;
- скорость и направление ветра;
- облачность;
- атмосферные осадки;
- метеорологическая дальность видимости (прозрачность атмосферы);
- солнечная радиация и тепловое излучение Земли.
Основные океанографические элементы.
- форма, размеры и глубина океанов и морей, рельеф и строение дна и берегов;
- образование и распределение донных осадков (грунтов);
- физические и химические свойства морской воды (состав, соленость, температура, плотность, замерзание, образование и распределение льдов);
- оптические, акустические, электрические и биологические явления;
- динамика воды (волнение, течения, приливы, колебания уровня).
КЛИМАТООБРАЗУЮЩИЕ ФАКТОРЫ
Климат формируется под воздействием нескольких факторов, которые обеспечивают атмосферу теплом и влагой и определяют динамику воздушных течений. Главные климатообразующие факторы – положение Земли относительно Солнца (величина поступающей солнечной радиации) , распределение суши и моря, общая циркуляция атмосферы, морские течения, а также рельеф земной поверхности.
ПОЛОЖЕНИЕ ЗЕМЛИ
Орбита вращения Земли вокруг Солнца представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого расположено Солнце.
Величина инсоляции (приходящей солнечной радиации) меняется во времени и от места к месту в соответствии с изменением угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность Земли: чем выше Солнце над головой, тем она больше. Изменения этого угла определяются обращением Земли вокруг Солнца и ее вращением вокруг своей оси.
Обращение Земли вокруг Солнца не имело бы большого значения, если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты Земли. В этом случае в любой точке земного шара в одно и то же время суток Солнце поднималось бы на одинаковую высоту над горизонтом и проявлялись бы только небольшие сезонные колебания инсоляции, обусловленные изменением расстояния от Земли до Солнца.
Но на самом деле земная ось отклоняется от перпендикуляра к плоскости орбиты на 23º30´, и из-за этого меняется угол падения солнечных лучей в зависимости от положения Земли на орбите. В основном этим наклоном, а не изменением расстояния от Земли до Солнца обусловлены смены времен года.
Удобно считать, что Солнце во время годичного цикла смещается к северу в период с 21 декабря по 21 июня и к югу – с 21 июня по 21 декабря.
В полдень 21 декабря вдоль всего Южного тропика (23º30´ю.ш.) Солнце «стоит» прямо над головой. В это время в Южном полушарии солнечные лучи падают под наибольшим углом. Такой момент в Северном полушарии носит название «зимнего солнцестояния».
В ходе кажущегося смещения к северу Солнце пересекает небесный экватор 21 марта (весеннее равноденствие). В этот день оба полушария получают одинаковое количество солнечной радиации.
Наиболее северного положения, 23º30´с.ш. (Северного тропика), Солнце достигает 21 июня. Этот момент, когда в Северном полушарии солнечные лучи падают под наибольшим углом, называется «летним солнцестоянием».
23 сентября, в осеннее равноденствие, Солнце вновь пересекает небесный экватор.
Наклоном земной оси к плоскости орбиты Земли обусловлены не только изменения угла падения солнечных лучей на земную поверхность, но и изменения ежесуточной продолжительности солнечного сияния.
В равноденствие продолжительность светового дня на всей Земле (за исключением полюсов) равна 12 ч.
В период с 21 марта по 23 сентября в Северном полушарии она превышает 12 ч, а с 23 сентября по 21 марта – меньше 12 ч.
Севернее 66º30´ с. ш. (Северного полярного круга) 21 декабря полярная ночь длится круглые сутки, а 21 июня в течение 24 ч продолжается световой день.
На Северном полюсе полярная ночь наблюдается с 23 сентября по 21 марта, а полярный день – с 21 марта по 23 сентября.
Таким образом, причиной отчетливо выраженного годового цикла атмосферных явлений продолжительностью 365 1/4 суток является вращение Земли вокруг Солнца и наклон земной оси.
Величина солнечной радиации, поступающей за сутки на внешнюю границу атмосферы выражается в ваттах на квадратный метр горизонтальной поверхности и зависит от солнечной постоянной, угла наклона солнечных лучей и продолжительности дня (табл. 2.1).
21 июня в Северном полушарии величина инсоляция примерно одинакова.
21 декабря между низкими и высокими широтами существуют значительные различия, и это основная причина того, что климатическая дифференциация этих широт зимой намного больше, чем летом. Поэтому макроциркуляция атмосферы, которая зависит главным образом от различий в прогревании атмосферы, лучше развита зимой.
Годовая амплитуда величины потока солнечной радиации на экваторе довольно мала, но резко возрастает по направлению к северу. Поэтому при прочих равных условиях годовая амплитуда температур определяется главным образом широтой местности.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СУШИ И МОРЯ
Под влиянием изменений в приходе солнечной радиации суша нагревается и остывает значительно сильнее и быстрее, чем океан. Это объясняется разными свойствами грунта и воды. Вода более прозрачна для радиации, чем почва, поэтому энергия распределяется в большем объеме воды и приводит к меньшему нагреванию единицы ее объема. Турбулентное перемешивание распределяет тепло в верхнем слое океана примерно до глубины 100 м. Вода обладает большей теплоемкостью, чем почва, поэтому при одинаковом количестве тепла, поглощенном одинаковыми массами воды и грунта, температура воды повышается меньше. Почти половина тепла, попадающего на водную поверхность, расходуется на испарение, а не на нагревание, а на суше происходит иссушение почвы. Поэтому температура поверхности океана за сутки и за год изменяется значительно меньше, чем температура поверхности суши.
Поскольку атмосфера нагревается и остывает преимущественно за счет теплового излучения подстилающей поверхности, отмеченные различия проявляются в температурах воздуха над сушей и океанами.
В зависимости от того, формируется ли климат в основном под влиянием океана или суши, его называют морским или континентальным. Морские климаты характеризуются существенно меньшими средними годовыми амплитудами температур по сравнению с континентальными.
Острова в открытом океане имеют хорошо выраженный морской климат.
На окраинах материков могут формироваться климаты того или иного типа в зависимости от характера преобладающих ветров.
В зоне преобладания западного переноса морской климат господствует на западных побережьях, а континентальный – на восточных (Таблица 2.2).
На западном побережье, в Сан-Франциско, климат морской, с теплой зимой, прохладным летом и малой амплитудой температур.
В Чикаго, во внутренней части материка, климат резко континентальный, с холодной зимой, теплым летом и значительной амплитудой температур. Климат восточного побережья, в Бостоне, не очень отличается от континентального, хотя Атлантический океан оказывает на него смягчающее воздействие благодаря ветрам, иногда дующим с моря (морским бризам).
ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ
Характер барического поля и вращение Земли обусловливают общую циркуляцию атмосферы, благодаря которой тепло и влага постоянно перераспределяются по земной поверхности.
Ветры дуют из областей высокого давления в области низкого давления. Высокое давление связано обычно с холодным, плотным воздухом, тогда как низкое – с теплым и менее плотным.
Вращение Земли заставляет воздушные потоки отклоняться вправо в Северном полушарии и влево – в Южном. Такое отклонение обусловлено «эффектом Кориолиса».
Как в Северном, так и в Южном полушарии в приземных слоях атмосферы насчитываются по три главных зоны ветров (Рисунок 2.3).
Во внутритропической зоне конвергенции у экватора северо-восточный пассат сближается с юго-восточным. Пассатные ветры зарождаются в субтропических областях высокого давления, наиболее развитых над океанами.
Потоки воздуха, двигаясь по направлению к полюсам и отклоняясь под воздействием силы Кориолиса, формируют преобладающий западный перенос. В области полярных фронтов умеренных широт западный перенос встречается с холодным воздухом высоких широт, образуя зону барических систем с низким давлением в центре (циклонов), движущихся с запада на восток.
Хотя воздушные течения в полярных областях выражены не столь ярко, иногда выделяют полярный восточный перенос. Эти ветры дуют главным образом с северо-востока в Северном полушарии и с юго-востока – в Южном.
Экваториальная штилевая зона, расположенная вблизи экватора, характеризуется слабыми ветрами, связанными с зоной конвергенции (т.е. схождения потоков воздуха) устойчивых юго-восточных пассатов Южного полушария и северо-восточных пассатов Северного полушария.
Конские широты – области с очень слабыми ветрами, располагающиеся между 30 и 35º с.ш. и ю.ш. Конские широты расположены между областями пассатов и преобладающего западного переноса (находящимися ближе к полюсам) и являются зонами дивергенции (т.е. расхождения) ветров в приземном слое воздуха. В целом в их пределах преобладают нисходящие движения воздуха. Опускание воздушных масс сопровождается прогреванием воздуха и увеличением его влагоемкости, поэтому для этих зон характерны небольшая облачность и незначительное количество осадков.
Субполярная зона циклонов расположена между 50 и 55º с.ш. Она характеризуется штормовыми ветрами переменных направлений, связанными с прохождением циклонов. Это зона конвергенции преобладающих в умеренных широтах западных и характерных для полярных районов восточных ветров. Как и в экваториальной зоне конвергенции, здесь преобладают восходящие движения воздуха, плотная облачность и выпадение осадков на больших площадях.
Массы холодного воздуха часто проникают в умеренные широты.
Ветры в областях схождения воздушных течений образуют восходящие потоки воздуха, который охлаждается с высотой (Рисунок 2.4). При этом возможно образование облаков, часто сопровождаемое выпадением осадков. Поэтому во внутритропической зоне конвергенции и фронтальных зонах в поясе преобладающего западного переноса выпадает много осадков.
Ветры, дующие в более высоких слоях атмосферы, замыкают систему циркуляции в обоих полушариях. Воздух, поднимающийся вверх в зонах конвергенции, устремляется в области высокого давления и там опускается. При этом с увеличением давления он нагревается, что приводит к формированию сухого климата, особенно на суше. Такие нисходящие потоки воздуха определяют климат Сахары, расположенной в субтропическом поясе высокого давления в Северной Африке.
Сезонные изменения прогревания и охлаждения обусловливают сезонные перемещения главных барических образований и систем ветров.
Зоны ветров летом сдвигаются по направлению к полюсам, что приводит к сменам погодных условий на данной широте. Так, для африканских саванн характерны дождливое лето (благодаря влиянию внутритропической зоны конвергенции) и сухая зима, когда на эту территорию смещается область высокого давления с нисходящими потоками воздуха.
На сезонные изменения общей циркуляции атмосферы влияет также распределение суши и моря.
Летом, когда Азиатский материк прогревается и над ним устанавливается область более низкого давления, чем над окружающими океанами, прибрежные южные и юго-восточные районы испытывают воздействие влажных воздушных потоков, направленных с моря на сушу и приносящих обильные дожди. Зимой воздух стекает с холодной поверхности материка на океаны, и дождей выпадает гораздо меньше. Такие ветры, изменяющие направление на противоположное в зависимости от сезона, называются муссонами (Рис. 2.5).
Термин «муссон», происходящий от арабского «маусим» (время года), означает «сезонный ветер». Муссоны достигают наибольшей силы в Южной и Восточной Азии, а также на тропических побережьях, когда влияние общей циркуляции атмосферы выражено слабо и не подавляет их. Для побережья Мексиканского залива характерны более слабые муссоны.
Океанические течения формируются под воздействием приповерхностных ветров и различий в плотности воды, обусловленных изменениями ее солености и температуры. На направление течений влияют сила Кориолиса, форма морских бассейнов и очертания берегов (Рис. 2.6).
В целом циркуляция океанических течений сходна с распределением воздушных потоков над океанами и происходит по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки – в Южном.
Пересекая направляющиеся к полюсам теплые течения, воздух становится более теплым и влажным и оказывает соответствующее воздействие на климат.
Направляющиеся к экватору океанические течения несут прохладные воды. Проходя вдоль западных окраин материков, они понижают температуру и влагоемкость воздуха, и, соответственно, климат под их воздействием становится более прохладным и сухим. Благодаря конденсации влаги вблизи холодной поверхности моря в таких районах часто возникают туманы.
РЕЛЬЕФ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Крупные формы рельефа оказывают существенное влияние на климат, который меняется в зависимости от высоты местности и при взаимодействии воздушных потоков с орографическими препятствиями.
Температура воздуха с высотой обычно понижается, что приводит к формированию в горах и на плато более прохладного климата, чем на сопредельных низменностях. В нижних слоях атмосферы температура понижается примерно на 0,65º C с подъемом на каждые 100 м; в районах с продолжительной зимой это понижение температуры происходит немного медленнее, особенно в нижнем 300-метровом слое, а в районах с продолжительным летом – несколько быстрее.
Наиболее тесная связь между средними температурами и высотой наблюдается в горах. Поэтому изотермы средних температур, в общих чертах повторяют рисунок горизонталей топографических карт.
Высокие горы образуют препятствия, вынуждающие воздух подниматься вверх и, расширяясь, охлаждается. Охлаждение часто приводит к формированию облаков и осадков. Большая часть осадков, обусловленных барьерным эффектом гор, выпадает на их наветренной стороне, а подветренная сторона остается в «дождевой тени». Воздух, опускающийся на подветренных склонах, при сжатии нагревается, образуя теплый сухой ветер, известный под названием «фен», в Скалистых горах - ветер «чинук».
Литература
Гидрометеорологическое обеспечение судовождения - Панов Б.Н. [2020]
