Солнце посылает на Землю ежегодно более 6.108 млрд. кВт.ч энергии. Часть энергии солнечного излучения поглощается озоном мезосферы, а остальная энергия достигает Земли. При этом значительное количество падающей энергии возвращается в космическое пространство из-за отражения от облаков, земной и океанской поверхности. В среднем на 1 см2 земной поверхности поступает 0,276 кал/мин. энергии солнечной радиации. Окончательно энергия, достигающая океанской воды, составляет около 0,92 Дж/см 2 в 1 мин.
Океаны, занимающие около 71% площади Земли, получают основную часть солнечной энергии, поступающей на нашу планету. Большая ее часть приходится на экваториальные районы, меньшая -на полярные. Эта неравномерность порождает движение воздуха в атмосфере и циркуляцию вод Мирового океана.
Океан аккумулирует огромное количество тепловой энергии, частично передаваемой в атмосферу теплопроводным пограничным слоем и путем испарения. Значительная часть солнечной энергии, приблизительно 1016 Вт, аккумулируется в верхней части океана. Обратная связь между океаном и атмосферой осуществляется за счет их взаимодействия, в результате которого часть тепловой энергии преобразуется в кинетическую энергию атмосферы и возвращается океану в виде энергии ветрового волнения и течений.
Так как теплоемкость воды примерно в 4 раза больше, чем теплоемкость воздуха, а масса больше в 270 раз, то вода поглощает и аккумулирует гораздо больше энергии, чем воздух, и поэтому океан представляет собой существенно более эффективный накопитель, чем атмосфера. Солнечная радиация, пересекающая поверхность раздела воздух-вода, подвергается диффузии и поглощению.
В результате этих тесно связанных между собой явлений происходит убывание лучистой энергии с глубиной, при этом значительная ее часть превращается в тепловую энергию. Интенсивность поглощения зависит от прозрачности воды.
В замутненных водах свыше 90% падающей энергии преобразуется в тепловую уже на глубине около 10 м, а в более прозрачных водах солнечная радиация определяет температуру поверхностного слоя толщиной всего несколько десятков метров. Уже первые метры поверхностного слоя поглощают до 60% светового потока, так как ослабление света в воде идет по экспоненциальному закону с достаточно большим показателем степени. Ученые искали объяснение процессам поступления тепла на сотни метров в глубины океана.
Это не могло быть осуществлено за счет глубинного проникновения в океан солнечных лучей. Известно, что теплопроводность воды также очень мала. Многие наблюдали, что если электронагреватель опустить неглубоко в стакан с холодной водой, то вода сверху закипает, а внизу остается холодной. И все же тепло в океане передается на значительные глубины.
Это происходит благодаря процессам перемешивания и турбулентности. Большую роль в перемешивании играет ветровое волнение. Особенно сильное перемешивание наблюдается во время штормов и при прохождении тайфунов. Кроме того, нагревание, связанное с поглощением солнечной радиации, уменьшает плотность жидкости в том слое, который оно охватывает.
В то же время испарение и обратное излучение энергии вызывают охлаждение поверхности пленки океана, увеличивая тем самым плотность воды. В результате этого поверхностная пленка погружается, уступая место нижележащим слоям воды. Такие вертикальные конвективные движения происходят обычно до глубины с плотностью, равной плотности поверхностной пленки, и обеспечивают хорошее перемешивание слоев воды. Турбулентность проявляется в том что на середине движения слоя воды накладываются беспорядочные движения частиц воды большой частоты.
Обмен частицами между соседними слоями жидкости, имеющими различную скорость, делает возможным передачу энергии от слоя к слою. Вертикальный обмен слоев и частиц воды затрудняется на горизонте, где плотность резко возрастает с глубиной. Такой слой называется слоем скачка плотности, или пикноклином.
Он представляет собой как бы перегородку, препятствующую перемешиванию и взаимному обмену энергией разделяемых ею слоев воды. Толщина однородного перемешанного верхнего слоя океана зависит от географического района, времени года, силы ветра, глубины залегания пикноклина и обычно в океане достигает 50 -200 м. Но известны случаи, когда из-за атмосферных воздействий, перемешанный слой воды распространяется от поверхности на глубины в несколько сот метров.
Под перемешанным слоем в океане находится слой скачка температуры, обычно совпадающего с горизонтом залегания пикноклина, где температура воды с глубиной резко уменьшается на несколько градусов на протяжении всего нескольких метров по вертикали. Глубже слоя скачка температура воды продолжает понижаться значительно медленнее, достигая на глубине 1000 м около 4оС.
Слой скачка играет исключительную роль в физике и биологии океана. Важен он и во многих аспектах человеческой деятельности, связанных с океаном. Благодаря высокому градиенту плотности слой скачка выполняет своеобразную роль "жидкого грунта".
Этим свойством широко пользуются многочисленные обитатели океана. Без затраты мускульной энергии они могут долго оставаться в слое скачка во взвешенном состоянии. Слой скачка -является экраном для акустических колебаний. Наличие слоя скачка температуры важно и с точки зрения использования тепловой энергии океана.
Слой скачка -выполняет функцию узкой пограничной области между теплой водой перемешанного слоя и значительно более холодными водами главного термоклина, лежащими ниже слоя скачка. Возникновение перемешанного слоя обязано турбулентным пульсациям скорости. Там, где они ослабевают, образуется слой скачка. Он представляет собой препятствие для пульсаций скорости, действует как экран. Как показывают осциллограммы, сразу под слоем скачка пульсаций скорости практически нет.
- Типы термической стратификации.
Все типы изменения температуры воды по вертикали принято делить на три вида. Первый вид объединяет экваториально -тропический, тропический, восточно -тропический и субтропические типы. Этот вид характерен для низких широт где вертикальные гридиенты в поверхностных и промежуточных водах очень велики. Ниже наблюдаются незначительные изменение абсолютных величин с глубиной.
Такая стратификация возникает из-за сильного прогрева поверхностных вод. Кривые всех типов термической стратификации входящих в этот вид мало отличается друг от друга и близки по форме к тропическому типу (рис. кривая 1) с ярко выраженным термоклинном.
Достаточно близким к первому виду является своеобразный присредиземноморский тип (рис. кривая 2.), возникающий из-за выноса в океан вод из Средиземного и Красного морей. Температура в этом случае значительно меньше. К второму виду относятся атлантико-тихоокеанский и субполярный типы термической стратификации, которые наблюдаются в умеренных и субполярных широтах (рис. кривая3).
В этих районах из-за отрицательного теплообмена океана с атмосферой происходит охлаждение поверхностных вод и увеличение развития конвекции. Небольшой прогрев вод и конвекционное перемешивание обуславливает слабую термическую стратификацию и относительно малые вертикальные градиенты температуры. Третий вид стратификации температуры характерной для полярных областей и имеет подповерхностный минимум и промежуточный максимум температуры (рис. кривая 4). Для этого вида наблюдается очень слабая стратификация.
- Локальное вертикальное распределение температуры в поверхностном слое.
Форма кривых изменения температуры в тропической и экваториальной зонах имеют практически круглогодично стабильный вид. В субтропических широтах наблюдается изменение поверхностной части температурного профиля. Например, при проработке проекта комбинированной ОТЕС для острова Okinoerabu (Япония, 27о NL) были исследованы температурные профили океана в этом месте (рис.).
Кривые демонстрируют сезонные вариации в пределах 8оС. В умеренных широтах форма термоклина в значительной степени подвержена сезонным изменениям. Для северного полушария максимум локального содержания тепла в океане приходится на август (рис.).
Тепло удерживается в основном в поверхностном слое, однородность которого определяется воздействием ветрового волнения, течений и вертикальной конвекции через поверхность в ночное время. В последующие месяцы инсоляция уменьшается, температура океана начинает превышать температуру воздуха. В результате испарения повышается плотность поверхностных вод, что в свою очередь вызывает продолжительные вертикальные конвективные движения.
Эти воды достигают термоклина и постепенно разрушают его (рис.). К зиме сезонный термоклин исчезает до глубин, где вода имеет плотность, равную той, которая установилась на поверхности в результате потерь тепла. К февралю сезонный термоклин исчезает полностью (рис.).
В высоких широтах опускание поверхностных вод при отсутствии термоклина может происходить на глубину нескольких километров. В океанах существуют зоны, в которых постоянно происходят такие глубокие опускания вод. Например, районы Северного Ледовитого океана, где повышение солености и плотности воды при формировании ледового покрытия приводит к ее опусканию.
Холодные опустившиеся воды в таких зонах медленно, со скоростью приблизительно 36 м / час, распространяются в горизонтальном направлении и заполняют глубины Мирового океана. Около 70 % объема всех вод Мирового океана имеют температуру ниже 4о С.
На глубине 4000 м температура воды океана постоянно находится в пределах от -0,5о С до + 2о С. Огромная масса вод Мирового океана (около 1 млрд. км2) непрерывно опускается в районах образования глубинных вод, на глубине движется к низким широтам, медленно компенсационно поднимается и, наконец, вливается в потоки подповерхностной циркуляции.
Так совершается полный цикл круговорота океанских вод, являющимся одним из основных элементов термической регуляции климата. Одну из теоретических схем, описывающих глубинную термохалинную океанологическую циркуляцию, предложил американский ученый Стоммел (рис.).
Глубинные воды из двух основных источников в районе Гренландии (Северная Атлантика) и в море Уэдделла (Южный океан) смешиваются на глубинах в 4000 м и продолжают меридиональное движение в направлении, связанном со сферичностью и вращением Земли. Этот процесс можно рассматривать с точки зрения "тепловой машины", перемещающей воду океанов от "нагревателя"-поверхностного слоя в тропиках к "холодильнику" в зонах образования глубинных вод.
Воды океана за счет обратного излучения и потерь, связанных с теплопроводностью, теряют примерно столько же тепла, сколько получают от солнечной радиации. Так поддерживается в среднем постоянное термическое состояние океана. С поверхности океанов испаряется в год около 350. 000 км3 воды, переходящей в виде пара в атмосферу. При этом атмосфере передается энергия в скрытом виде.
Высвобождение энергии происходит при конденсации пара, в процессе образования облаков. Количество отдаваемой паром энергии очень велико. Например, грозовое облако заключает в себе энергию, сравнимую с энергией, выделяемой при взрыве водородной бомбы.
По выражению известного французского океанолога А.Лакомба, водяной пар -основное "горючее", обеспечивающее всё движение атмосферы -барические депрессии и ветры. При этом тропические воды океана представляют собой как бы "котел" теплой машины, которой является атмосфера. Таким образом, Мировой океан является крупнейшим естественным аккумулятором солнечного излучения.
В нем, в тропической зоне, между теплыми, поглощающими солнечное излучение поверхностными водами и более холодными придонными достигается максимальная разность температур кТ = 20о С. Это обеспечивает непрерывно возобновляемый пополняемый запас экологически чистой тепловой энергии, которая принципиально может быть преобразована в другие виды.
