Мировой океан и движение вод

Жизнь на Земле была бы невозможна без океана. Если смотреть из космоса, наша планета — это мир, покрытый водой. Все живые существа тесно связаны с этой водой разными способами.

Мировой океан покрывает примерно три четверти поверхности планеты Земля и издалека выглядит отчетливо голубым.
Такие фразы, как «голубая планета» и «планета воды», говорят о том, что океан очень важен для жизни на Земле. Без океана жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не существовала бы.

Океаны и их окраинные моря покрывают почти 71% поверхности Земли со средней глубиной 3688 метров. Открытая земля занимает оставшиеся 29% поверхности планеты и имеет среднюю высоту около 840 метров. Фактически, если бы Земля была гладким сфероидом, везде с одинаковой высотой поверхности, она была бы полностью покрыта сплошным слоем морской воды глубиной более 2600 метров.

Земля уникальна в Солнечной системе из-за ее расстояния от Солнца и периода вращения. Это в совокупности подвергают Землю воздействию такого уровня Солнечного излучения, при котором поддерживается средняя температура ее поверхности около 14–15°C. Средняя температура поверхности мало меняется в ночные и дневные часы. Эта средняя температура позволяет воде существовать на Земле во всех трех ее фазах — твердой, жидкой и газообразной. Ни на одной другой планете в Солнечной системе такого нет.

На Земле преобладает вода в жидкой форме. По объему 97,957% воды на планете существует в виде океанической воды и морского льда. Газообразная форма и аэрозольная вода в атмосфере составляют 0,001%. Пресная вода в озерах и ручьях составляет 0,036%, а подземных вод в 10 раз больше — 0,365%. Ледники и ледяные шапки составляют 1,614% от общего объема воды на Земле.

Каждое из вышеперечисленного считается резервуаром воды. Вода постоянно циркулирует между этими резервуарами и это называется круговоротом воды (гидрологическим циклом), который приводится в действие Солнечной энергией. Испарение, осадки, движение атмосферы и потоки речной воды, ледники и подземные воды поддерживают гидрологический цикл (круговорот воды).

Океан или океаны?

Площадь воды, покрывающей океанические бассейны, составляет более 350 млн кв. км. Океан — это большая и обширная система, управляющая нашей жизнью на Земле.

Если гипотетически слить всю воду из океана, то мы увидели бы пейзаж долин, равнин, бассейнов и горных цепей, похожий на пейзажи на суше. При внимательном рассмотрении топографии океана становится понятно, что все «отдельные» океаны на самом деле являются частью одного большого Мирового океана. Подобно тому, как мы создаем искусственные границы между странами на суше, мы создаем искусственные границы между океаническими бассейнами.

Вода в океане течет между бассейнами, через впадины и хребты, точно так же, как воздух движется вокруг и через наши горы и долины на суше. Точно так же, как семена и пыльца переносятся ветром, так и вода в океанах постоянно перемещается.
В океане существуют своеобразные зоны, в пределах которых одинаковые температура и плотность воды, и границы между этими зонами могут препятствовать передвижению морских организмов.

Подобно тому, как все континенты обладают набором своих специфических характеристик, так и топография четырех основных океанических бассейнов также обладает различимыми характеристиками.

Четырьмя основными океаническими бассейнами являются Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый. Эти водоемы разделяют произвольные границы. Границы каждого океана в значительной степени определяются континентами, которые их обрамляют.

Тихий океан занимает самую большую площадь и имеет наибольшую среднюю глубину из четырех бассейнов. В Тихом океане находится Марианская впадина, самая глубокая из известных точек океана, с глубиной более чем 10.000 метров. Атлантический бассейн является вторым по величине. Он имеет большую горную цепь, известную как Срединно-Атлантический хребет, проходящий с севера на юг. Длина Срединно-Атлантического хребта составляет более 16.000 километров, что более чем в пять раз превышает длину цепи Скалистых гор! Индийский бассейн, граничащий в основном с Африкой, Азией и Австралией, является третьим по величине. Наконец, Северный Ледовитый океан окружает Северный полюс.

Водный бассейн, который примыкает к Антарктиде, иногда считается Южным океаном.

Как упоминалось ранее, есть устойчивое заблуждение в том, что существуют отдельные океаны. Традиционно изучаются океаны — Тихий океан, Атлантика, Индийский и Северный Ледовитый — и определяется местонахождение этих океанов в конкретных местах земного шара. Называя и определяя местоположение океанов таким образом, внимание сосредотачивается на различиях между ними, в отличие от того, чтобы рассматривать один связанный с разными бассейнами Мировой океан.
Необходимо понять, что океаны взаимосвязаны, знать, где заканчивается один океан, а где начинается другой.

Кроме того, важно учесть, что океанические бассейны — это не безликие равнины, а скорее горы, равнины, каньоны, впадины, холмы и многое другое.

Распределение суши и воды на поверхности Земли заметно различается в северном и южном полушариях. Южное полушарие можно назвать водным полушарием, а северное полушарие — сухопутным. Это особенно актуально в умеренных широтах.

Эта асимметрия распределения земли и воды между Северным и Южным полушариями заставляет эти два полушария вести себя по-разному в зависимости от ежегодного изменения солнечного излучения, получаемого Землей. В южном полушарии в умеренных широтах наблюдается лишь небольшое изменение температуры поверхности от лета к зиме. Это изменение в первую очередь контролируется реакцией океана на сезонные изменения в нагреве и охлаждении. В северном полушарии одно изменение температуры поверхности контролируется океаном, а другое — землей. В умеренных широтах северного полушария летом земля намного теплее, чем океан, и намного холоднее зимой. Эта ситуация создает масштабные сезонные изменения в атмосферной циркуляции и климата в северном полушарии, которого нет в южном полушарии.

Площадь поверхности, объем и средняя глубина океанов

океан	площадь, млн. км2	объем, млн. км3	средняя глубина, м
Атлантический океан	85,133	310,411	3646
Тихий океан	168,723	669,880	3970
Индийский океан	70,560	264,000	3741
Северный Ледовитый океан	15,558	18,750	1205
Южный океан*	21,960	71,800	3270
мировой океан	361,934	1 335 000	3688
* Здесь в Южный океан включены все морские воды к югу от 60° южной широты.

Источник данных: B.W.Eakins и G.F.Sharman, Volumes of the World’s Oceans from ETOPO1, NOAA National Geophysical Data Center, Boulder, Colorado, 2010.

Почему океан синего цвета

Почему океан синего цвета? Разве сама вода синяя? Глубокая прозрачная вода, без осадков и планктона, обладает ярким синим цветом. Из всех цветов видимой части спектра электромагнитного излучения наиболее легко поглощаются те, которые имеют большую длину волны, в красной части спектра. Синий цвет наиболее легко рассеивается молекулами воды, и воспринимается нашими глазами. Осадок, планктон и другие частицы также приводят к рассеиванию света. Например, прибрежные воды, которые, как правило, содержат высокие концентрации фитопланктона, кажутся зелеными из-за отражения желтого и зеленого света от этих организмов.

Океанские течения

Океанская вода течет между бассейнами на поверхности и на различных глубинах под поверхностью океана. Хотя Мировой океан является одним водоемом, водные массы в разных его бассейнах могут вести себя по-разному. Для лучшего понимания этого можно провести аналогию с воздухом. Воздух «заполняет» пространство над нашими головами и может рассматриваться как одна воздушная масса. Однако, Лос-Анджелес печально известен своим смогом, а Скалистые горы известны своим чистым горным воздухом. Открытое пространство над головой не является однородным, а смог Лос-Анджелеса и воздух Скалистых гор можно считать разными воздушными массами. Каждая масса имеет свои характерные свойства и может оставаться несколько локальной, но иногда может перемещаться и смешиваться с другими окружающими воздушными массами.

В океане физические свойства отличают водные массы друг от друга, подобно воздушным массам. Температура, соленость, растворенные и взвешенные вещества определяют плотность воды. Вода с различной плотностью создает слои, которые не склонны перемешиваться друг с другом до своего исчезновения. Океанические системы циркуляции перемещают воду океана по горизонтали и вертикали, как в локальном, так и в глобальном масштабе. Вода в различных бассейнах может иметь различные характеристики, включая температуру, плотность и соленость.

Ветер и циркуляция воды

По мере того, как ветер перемещает воду по поверхности океана, он способствует как горизонтальному, так и вертикальному движению воды. Вертикальное перемешивание — это когда вода перемещается с глубин океана на поверхность или наоборот. Вертикальное смешивание направляет холодную, богатую питательными веществами воду из глубин океана на поверхность. Этот процесс называется апвеллингом. Апвеллинг может происходить вдоль побережья континентов и обычно наблюдается вдоль побережья Калифорнии. Ветры, дующие с севера на юг вдоль побережья, приводят к перемещению поверхностных вод в открытое море, прочь от берега.

По мере того, как поверхностные воды гонятся ветром прочь от берега, вода снизу поднимается вверх и попадает в освобожденную зону, как на конвейерной ленте. Прибрежный апвеллинг имеет очень большое значение для морских экосистем, обеспечивая питательными веществами, которые помогают поддерживать надежные пищевые цепочки. Поэтому ветер не только воздействует на водную поверхность, но и оказывает значительное влияние на то, как вода движется вверх и вниз в вертикальной толще океана.

В Мировом океане апвеллинг наблюдается у побережья Северо-Западной и Юго-Западной Африки, у западных берегов Северной и Южной Америки в тропических и частично субтропических широтах. Кроме того, у западного берега Индии, восточного берега Сомали, у Мозамбика, над банкой Кампече и в некоторых других местах отмечается сезонный апвеллинг, наиболее интенсивный летом, при усилении течений.

Преобладающие ветры могут перемещать поверхностные воды океана на большие расстояния и определять направление движения многих поверхностных течений океана. Эти течения настолько постоянны, что в прошлом, моряки, исследователи и мореплаватели использовали их, чтобы пересекать большие океанские просторы, задолго до изобретения GPS и точных навигационных приборов. Даже сегодня океанские течения являются неотъемлемой частью судоходных маршрутов и торговой индустрии, доставляющих товары по всей планете.

Преобладающие ветры и поверхностные течения океана способствуют горизонтальному перемешиванию водных масс. Это смешение влияет на физические характеристики океана, жизнь в океане и глобальный климат. Так же как смешиваются водные массы, их соленость, плотность и температура также смешиваются и изменяются. Эти изменения могут влиять на организмы, которые живут в океане, от самого маленького фитопланктона до самого большого синего кита.

Эти течения имеют хорошо известные характеристики. Например, доминирующим течением у восточного побережья США является Гольфстрим, который в значительной степени управляется ветром. Это пограничное течение обычно глубокое, теплое и быстротекущее. На западном побережье Соединенных Штатов находится Калифорнийское течение, которое так же является пограничным течением. Это течение обычно более мелкое и движется медленнее, чем течения по другую сторону континента. Калифорнийское течение несет холодные, богатые питательными веществами воды на юг вдоль западного побережья Соединенных Штатов от Британской Колумбии до Южной калифорнийской бухты.

Встречное течение (называемое течением Дэвидсона) течет с юга на север вдоль побережья, охватывая береговую линию и Нормандские острова и принося более обедненные водные массы из мест близ Байи. Из-за этих очень разных течений климат Северной Калифорнии может сильно отличаться от климата Южной Калифорнии и Нижней Калифорнии. Многие утверждают, что место, где встречаются два течения, вблизи Пойнт Консепшен, является разграничением между Северной Калифорнией и Южной Калифорнией. К северу от Пойнт Консепшн, прибрежные населенные пункты, такие как Сан-Франциско и Монтерей, имеют более прохладное, туманное лето из-за влияния холодного Калифорнийского течения. К югу от Пойнт Консепшен теплее, и лето, как правило, теплое и солнечное.

Циркуляция воды в океане, обусловленная ее плотностью

Плотность океанской воды также может способствовать ее циркуляции. Температура и соленость являются двумя основными факторами, определяющими плотность воды. Холодная вода более плотная, чем теплая, а соленая — более плотная, чем пресноводная. Воды различной плотности смешиваются только в том случае, если происходят физические изменения, такие как изменение температуры или солености. Например, когда поверхностная вода остывает, она становится более плотной и опускается вниз, смешиваясь с водой на глубине.

С другой стороны, если поверхностная вода нагревается, это может привести к испарению, что приводит к увеличению как солености, так и плотности, что также ведет к погружению водной массы вниз. Водные массы будут продолжать опускаться или подниматься до тех пор, пока не достигнут равновесия (т. е. когда вода внизу более плотная, а вода наверху менее плотная). Если будет добавлена ​​новая вода — от погружения, подъема, ветра и т. д. — эта вода будет распространяться горизонтально. Различия в плотности воды (обусловленные соленостью и температурой) создают слои в толще воды.

Движение и смешивание слоев воды, обусловленное перепадом плотности воды, образовавшегося вследствие неоднородности распределения температуры и солёности в океане называется термохали́нной циркуля́цией. Тонкий слой поверхностной воды имеет тенденцию быть относительно более стабильным, более теплым и менее соленым, чем вода под ним. Когда есть четкая разница между температурами воды на определенной глубине, пограничный слой между ними называется термоклином. Термоклин — это точка в водяном столбе, в которой температура воды резко меняется. Часто пловцы чувствуют это в озере или океане, их руки и голова чувствуют тепло, а ноги, опущенные глубже — холод!

Когда существует явная разница между соленостью воды на определенной глубине, эту разницу называют галоклином. Галоклин — слой воды, в котором солёность резко изменяется с глубиной: верхний слой менее соленый и, следовательно, менее плотный, чем более глубокий, плотный, более соленый слой. Иногда во время подводного плавания или ныряния в тропиках пловец может фактически видеть зону, в которой вода кажется слегка расплывчатой, потому что менее соленые и более соленые слои пытаются смешаться, но из-за разной плотности и солености остаются разделенными. Такое разделение иногда называют стратификацией. Сильный термоклин или галоклин может препятствовать смешиванию слоев.

В океане температурная стратификация и стратификация солености могут предотвратить перенос биогенных веществ или биомассы, если только не произойдет какое-нибудь возмущение, такое как шторм или значительные сезонные изменения. Зачастую глубина термоклина и галоклина меняется в зависимости от сезона для конкретного региона океана, что может влиять на местный климат и на организмы, живущие, питающиеся или размножающиеся в этом районе.

Глобальные океанические течения

Ветер и плотность воды являются движущей силой глобальной системы течений, которая циркулирует в океане по всему земному шару. Хотя эти течения постоянные, они не всегда бывают быстрыми. Чтобы одна капля воды прошла через весь океан, требуется около 2000 лет. Хотя глобальные течения сложны, существуют отдельные специфические течения, которые остаются стабильными, как видно на рисунке ниже. На рисунке показаны основные поверхностные и глубоководные течения в океанических бассейнах. Видно, как вода и все, что в ней находится, может легко перемещаться с одного конца планеты на другой.

Физические и химические характеристики воды, такие как температура и соленость, влияют на плотность и, таким образом, определяют глобальную систему течений. Вода в Североатлантическом бассейне холодная, соленая и плотная. Эта водная масса движется по дну Атлантического бассейна вдали от ледяных шапок, до самого южного края земного шара! Когда она достигает Южного океана, она смешивается с более глубокой, холодной, соленой Антарктической водой. Часть этой воды поднимается вверх, следуя контурам океанского дна, и поднимается по краям континента Антарктида. Часть ее продолжает перемещаться по всему земному шару, часть — в бассейн Индийского океана.

В северной части Индийского бассейна эта прохладная соленая североатлантическая вода, смешанная с водой Южного океана, при контакте с Африкой и Индией поднимается вверх. По мере того, как водные массы удаляются от полюсов и направляются к более теплым водам экватора, они постепенно нагреваются и продолжают подниматься к поверхности за счет снижения плотности теплой воды. На поверхности они проталкиваются через различные океанические бассейны течениями от преобладающих ветров и приливами.

По мере того, как водные массы на поверхности возвращаются к полюсам, ветер, движущийся над ледяными щитами, охлаждает воду и способствует испарению пресной воды, делая водные массы более плотными и, следовательно, тяжелыми. Плотная вода опускается вниз и, таким образом, глобальное течение завершается. Это, конечно, упрощенная модель подлинного смешивания и движения воды, но она демонстрирует, как вода, движимая разницей в плотности и ветром, перемещается в океане. Ученые называют эту упрощенную модель глобального океанического течения глобальной конвейерной лентой.

Солнце, Луна и морские приливы

В то время как движущей силой течений являются физические и химические свойства океана, приливы управляются силами, действующими на всю планету. Луна и Солнце оказывают гравитационное влияние на Землю. В то же время вращение Земли и ее орбита создают центробежную силу. Эти противоположные силы толкают и притягивают земную поверхность, создавая океанские приливы. По мере изменения относительного положения Земли, Луны и Солнца океан раздувается, создавая приливы. Гравитационное притяжение Луны является доминирующей силой в этих взаимодействиях. В связи с этим, цикл приливов связан с Луной.

Притяжение Луны вызвает появление «горба» на поверхности океанов на Земле, причем этот «горб» вытягивается в сторону Луны. Земля вращается, а «горб» удерживается Луной на одном и том же месте относительно Луны. Водяной «горб» как огромная волна катится по океану в сторону, противоположную вращению Земли, затапливая на своем пути участки суши. Явление это называется приливом.

Но в океанах Земли образуются не один, а два водяных «горба». Один – по вышеописанной причине. Второй же «горб» образуется потому, что не Луна вращается вокруг Земли, а эти небесных тела — Земля и Луна — вращаются вокруг общего центра масс.

Этот центр масс находится на прямой, соединяющей центры масс Земли и Луны, причем он сдвинут в сторону центра масс Земли, так как Земля значительно – в 80 раз – массивнее Луны. Вот и центр масс системы «Земля‑Луна» в 80 раз ближе к центру Земли, чем к центру Луны. Зная, что расстояние между центрами Земли и Луны примерно равно 400 тыс. км, получается, что центр масс системы будет отстоять от центра масс Земли всего на 5 тыс. км. То есть он будет находиться даже внутри Земли, немного «не дотягивая» до ее поверхности, – ведь радиус Земли составляет около 6,25 тыс. км. Этот центр показан на рисунке.

Вот и вращаются центры масс Земли и Луны вокруг этого общего центра масс, причем вода в океанах, стремясь двигаться по прямой вследствие инерции, «отодвигается» на максимально возможное расстояние от центра вращения. Так образуется второй водяной «горб» на противоположной стороне Земли. Чтобы отличить их друг от друга, назовем «горб», вытянутый к Луне, – гравитационным, а вытянутый в обратную сторону – инерционным.

Повторяются приливы и отливы через каждые 12 часов – один раз из‑за «горба» гравитационного, а другой раз – из‑за инерционного.

На стороне Земли, наиболее близкой к Луне, и на стороне, противоположной Луне, прилив является высоким. В других местах Земли одновременно наблюдаются низкие или промежуточные приливы в зависимости от относительного расположения Земли и Луны.

Чтобы понять влияние Солнца в этой модели, представьте себе Солнце в одном ряду с Луной. Теперь все гравитационные силы выровнены и создают еще большие выпуклости на одной линии с Солнцем и Луной, что приводит к более глубоким впадинам, где вода оттягивается в сторону от земли. Это явление называется сизигийным приливом. Когда солнце и луна стоят на одной линии, в океане самые высокие приливы и самые низкие отливы в приливно-отливном цикле. (Это бывает, когда мы видим полную Луну или происходит новолуние).

Когда Луна путешествует вокруг Земли, выпуклость воды следует за Луной. Когда Луна и Солнце находятся под углом 90 градусов, выпуклости вытягиваются в противоположных направлениях и не так велики. Этот прилив, называемым квадратурным приливом, происходит, когда Луна находится в своей первой и третьей четверти. Во время этих приливов разница между высокими и низкими приливами может быть небольшой.

Уровни сизигийных и квадратурных приливов не являются постоянными. Так как углы между Землей, Луной и Солнцем постоянно меняются, то и уровни приливов тоже. Точно так же, как мы можем предсказывать лунные циклы, мы можем предсказывать и приливные циклы. Поскольку циклы приливов зависят от циклов луны, они повторяются примерно каждые 28 дней.

Фактическая высота и время приливов варьируются по всему океану и вдоль всех береговых линий. Так как дно океанов нашей Земли неровное, испещрено подводными горными цепями, глубокими каньонами, вулканами и др., то выпуклость океана не может двигаться одинаково плавно по всей Земле. Это то влияние, которое материки и рельеф океанических бассейнов оказывают на приливы. Глубина, размер и подводные особенности океанического бассейна влияют на приливные циклы, также как и форма береговой линии и особенности окружающей суши.

В некоторых районах ежедневно происходят чрезвычайно сильные приливы и отливы — разница между высокими и низкими приливами может составлять более 10 м. В других районах приливы и отливы происходят практически незаметно. Во многих районах, включая Калифорнию и большую часть восточного побережья Соединенных Штатов, наблюдаются полусуточные приливы: приливы и отливы происходят дважды в день. В других районах, например, на севере Мексиканского залива, ежедневные приливы и отливы происходят только один раз в день. Эти циклы предсказуемы и часто публикуются заранее для конкретного района.

Приливы и отливы наиболее заметны вдоль береговой линии, где во время отлива обнажаются скалы, песок и другие прибрежные объекты, а во время сильного прилива они покрываются водой. Форма гаваней, заливов и других прибрежных объектов также влияет на диапазон приливов и отливов, разницу по высоте между низким и высоким приливом. В некоторых районах, где побережье чрезвычайно узкое и мелководное и простирается на большие расстояния, приливной диапазон может быть резко выраженным. Например, в северной части Калифорнийского залива прилив может достигать 7 метров по вертикали. Для сравнения, максимальный приливной диапазон для Сан-Диего составляет 2,4 метра. Хотя это трудно заметить, приливы влияют и на открытый океан. Однако, там этот эффект не столь заметен.

Поверхностные морские волны

Большинство волн на поверхности водоемов создается ветром, охватывая только поверхностные водные массы. В открытом океане те волны, что движутся в направлении ветра, часто увеличиваются в размерах и не пропадают до тех пор, пока не соприкоснутся с сушей. Ближе к суше темп увеличения при движении к береговой линии иногда нарушается внезапным или постепенным уменьшением глубины океанского дна. Это замедляет нижнюю часть волны, но верхняя часть волны движется вперед с прежним темпом, заставляя волну увеличиваться в высоте и, в конечном счете, она опрокидывается вперед, разрушаясь. Это действие можно сравнить со спотыканием человека. Представьте себе, что вы споткнулись на пороге, которого не заметили — ваши ноги замедляются, а тело падает вперед.

Когда волна приближается к берегу и разбивается, вода под поверхностью движется вертикально. Движение воды в волне происходит по кругу, в то время как ее энергия направлена горизонтально. Энергия волны высвобождается на пляж, создавая морские брызги и разбрасывая скалы и песок. Если посмотреть на птицу, сидящую на поверхности моря, то можно увидеть, как она качается на волнах вверх и вниз от вертикального движения воды, но птица не перемещается в горизонтальном направлении.

В море высота волны определяется рядом различных условий, в том числе глубиной, скоростью и продолжительностью ветра, его порывами и промежутками между ними. Эти характеристики влияют на волну в открытом океане, а также по мере приближения к берегу. Точка, в которой волна разбивается, может быть описана математическим уравнением, которое учитывает высоту волны, глубину воды и скорость, с которой волна движется.

---