Физическая океанология

Батиметрия Мирового океана.

Физическая океанология (физическая океанография) — изучение физических условий и физических процессов в океане, особенно движений и физических свойств океанских вод.

Физическая океанография является одной из нескольких поддисциплин, на которые делится океанография. Другие включают биологическую, химическую и геологическую океанографию.

Физическая океанография может быть подразделена на описательную и динамическую физическую океанографию.

Описательная физическая океанография стремится исследовать океан через наблюдения и сложные численные модели, которые описывают движения жидкости как можно точнее.

Динамическая физическая океанография сосредотачивается главным образом на процессах, которые управляют движением жидкостей, с акцентом на теоретические исследования и численные модели. Эти исследования являются частью большого поля геофизической гидродинамики, которое также охватывает метеорологию. Геофизическая гидродинамика является поддисциплиной гидродинамики, описывающей потоки, происходящие на пространственных и временных масштабах, которые сильно влияют на силу Кориолиса.

Физическая обстановка

Внешние изображения
	Пространственные и временные масштабы физических океанографических процессов.

Перспективный вид дна Атлантического океана и Карибского моря. Фиолетовое дно моря в центре видимого участка — это Пуэрто-Риканская впадина.

Примерно 97 % воды планеты находится в океанах, и океаны являются источником подавляющего большинства водяного пара, который конденсируется в атмосфере и падает в виде дождя или снега на континенты. Огромная теплоемкость океанов умеряет климат планеты, а их поглощение различных газов влияет на состав атмосферы. Влияние океана распространяется даже на состав вулканических пород через метаморфизм дна моря, а также на состав вулканических газов и магм, создаваемых на зоне субдукции.

С уровня моря океаны намного глубже, чем континенты высоки; изучение гипсографической кривой Земли показывает, что средняя высота суши Земли составляет всего лишь 840 метров (2 760 футов), в то время как средняя глубина океана составляет 3 800 метров (12 500 футов). Хотя это явное расхождение большое, как для суши, так и для моря, соответствующие крайности, такие как горы и траншеи, являются редкими.

Площадь, объём, а также средняя и максимальная глубины океанов (за исключением прилегающих морей)

Тело	Площадь (106км2)	Объём (106км3)	Средняя глубина (м)	Максимальная глубина (м)
Тихий океан	165.2	707.6	4282	-11033
Атлантический океан	82.4	323.6	3926	-8605
Индийский океан	73.4	291.0	3963	-8047
Южный океан	20.3			-7235
Северный Ледовитый океан	14.1		1038
Карибское море	2.8			-7686

Температура, соленость и плотность

Плотность поверхностных вод АМО.

Поскольку подавляющее большинство объёма мирового океана занимают глубокие воды, средняя температура морской воды низкая; примерно 75 % объёма океана имеют температуру от 0° до 5 °C (Пайнет 1996). Тот же процент находится в диапазоне солености от 34 до 35 ппм (3,4-3,5 %) (Пайнет 1996). Однако все ещё существует значительное количество вариаций. Температура на поверхности может варьироваться от ниже нуля вблизи полюсов до 35 °C в ограниченных тропических морях, в то время как соленость может колебаться от 10 до 41 ппм (1,0-4,1 %).

Вертикальная структура температуры может быть разделена на три основных слоя: поверхностный перемешанный слой, где градиенты низкие, термоклин, где градиенты высокие, и слабо стратифицированная бездна.

С точки зрения температуры слои океана сильно зависят от широты; термоклин выражен в тропиках, но отсутствует в полярных водах (Маршак 2001). Галоклин обычно находится близко к поверхности, где испарение повышает соленость в тропиках, или талая вода разбавляет её в полярных регионах. Эти изменения солености и температуры с глубиной изменяют плотность морской воды, создавая пикноклин.

Циркуляция

 → Морские течения

Плотностно-управляемая термогалинная циркуляция

Энергия для океанической циркуляции (и для атмосферной циркуляции) поступает от солнечной радиации и гравитационной энергии от солнца и луны. Количество поглощаемого света на поверхности сильно варьируется в зависимости от широты, оно больше на экваторе, чем у полюсов, и это порождает движение жидкости как в атмосфере, так и в океане, которое действует на перераспределение тепла от экватора к полюсам, тем самым снижая температурные градиенты, которые существовали бы в отсутствие движения жидкости. Возможно, три четверти этого тепла переносятся атмосферой; остальное переносится океаном.

Атмосфера нагревается снизу, что приводит к конвекции, наиболее ярким проявлением которой является циркуляция Хэдли. В отличие от этого, океан нагревается сверху, что склонно подавлять конвекцию. Вместо этого в океане образуется глубокая вода в полярных регионах, где холодные соленые воды погружаются в довольно ограниченных областях. Это начало термохалинной циркуляции.

Океанические течения в основном приводятся в движение ветровым напряжением на поверхности; поэтому крупномасштабная атмосферная циркуляция важна для понимания океанической циркуляции. Циркуляция Хэдли приводит к восточным ветрам в тропиках и западным ветрам в средних широтах. Это приводит к медленному экваториальному потоку почти по всей субтропической океанической котловине (баланс Свердрупа). Обратный поток происходит в интенсивном, узком, полюсно направленном западном пограничном течении. Как и атмосфера, океан гораздо шире, чем глубок, и поэтому горизонтальное движение в целом намного быстрее вертикального движения. В южном полушарии есть непрерывный пояс океана, и поэтому сильные западные течения в средних широтах создают сильное Антарктическое циркумполярное течение. В северном полушарии это препятствуют суши, и циркуляция океана разбивается на более мелкие вихри в Атлантическом и Тихом океанах.

Эффект Кориолиса

Эффект Кориолиса приводит к отклонению потоков жидкости (вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии). Это имеет глубокие последствия для течения океанов. В частности, это означает, что поток обходит области высокого и низкого давления, позволяя им сохраняться в течение длительного времени. В результате даже малейшие изменения давления могут вызвать измеримые течения. Наклон одной части в миллион в высоте морской поверхности, например, приведет к течению 10 см/с на средних широтах. Факт, что эффект Кориолиса наиболее выражен у полюсов и слаб у экватора, приводит к резким, относительно стабильным западным пограничным течениям, которые отсутствуют на восточных границах. См. также эффекты вторичной циркуляции.

Транспорт Экмана

Транспорт Экмана приводит к чистому перемещению поверхностных вод под углом 90 градусов к направлению ветра в северном полушарии и под углом 90 градусов к направлению ветра в южном полушарии. По мере того как 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, подверженный воздействию ветра, находится на глубине 100 м — 150 м и движется примерно на 180 градусов, полностью противоположно направлению ветра. В целом чистый транспорт воды будет находиться под углом 90 градусов к первоначальному направлению ветра.

Циркуляция Лангмюра

Циркуляция Лангмюра приводит к образованию тонких, видимых полос, называемых ветровыми рядами, на поверхности океана параллельно направлению ветра. Если ветер дует со скоростью более 3 м/с, он может создать параллельные ветровые ряды с чередующимися восходящими и нисходящими потоками примерно в 5-300 м друг от друга. Эти ветровые ряды создаются смежными овальными водными ячейками (простирающимися примерно на глубину 6 м), чередующимися вращающимися по часовой и против часовой стрелки. В зонах конвергенции накапливаются мусор, пена и водоросли, а в зонах дивергенции планктон захватывается и поднимается на поверхность. Если в зоне дивергенции много планктона, рыбы часто привлекаются к ним для питания.

Интерфейс океан-атмосфера

Ураган Изабель к востоку от Багамских островов 15 сентября 2003 года

На границе океан-атмосфера океан и атмосфера обмениваются потоками тепла, влаги и импульса.

Тепло

Важные термины тепла на поверхности — это чувствительный поток тепла, латентный поток тепла, поступающая солнечная радиация и баланс долговолнового (инфракрасного) излучения. В целом тропические океаны обычно показывают чистый прирост тепла, а полярные океаны — чистые потери, результат чистого переноса энергии к полюсам в океанах.

Большая теплоемкость океанов умеряет климат в районах, прилегающих к океанам, что приводит к морскому климату в таких местах. Это может быть результатом накопления тепла летом и его выделения зимой; или транспорта тепла из более теплых мест: особенно заметным примером этого является Западная Европа, которая нагревается, по меньшей мере, частично за счет северного атлантического течения.

Импульс

Поверхностные ветры обычно составляют несколько метров в секунду; океанские течения — несколько сантиметров в секунду. Следовательно, с точки зрения атмосферы океан можно считать эффективно неподвижным; с точки зрения океана атмосфера накладывает значительное ветровое напряжение на его поверхность, и это приводит к крупномасштабным течениям в океане.

Через ветровое напряжение ветер генерирует океанские поверхностные волны; более длинные волны имеют фазовую скорость, стремящуюся к скорости ветра. Импульс поверхностных ветров передается в энергетический поток океанскими поверхностными волнами. Увеличенная шероховатость поверхности океана за счет наличия волн изменяет ветер около поверхности.

Влага

Океан может получать влагу от дождя или терять её через испарение. Испарительные потери делают океан более соленым; например, Средиземное море и Персидский залив имеют сильные испарительные потери; получившийся столб плотной соленой воды можно проследить через Гибралтарский пролив в Атлантический океан. Когда-то считалось, что испарение/осадки являются основным двигателем океанических течений; сейчас известно, что это лишь очень малый фактор.

Планетарные волны

Волны Кельвина

 → Волны Кельвина

Волны Кельвина — это любая прогрессивная волна, которая направляется между двумя границами или противоборствующими силами (обычно между силой Кориолиса и береговой линией или экватором). Существуют два типа: береговая и экваториальная. Волны Кельвина движутся под воздействием гравитации и не диспергируются. Это означает, что волны Кельвина могут сохранять свою форму и направление на протяжении длительного времени. Обычно они создаются внезапным изменением ветра, например, изменением пассатов в начале Эль-Ниньо.

Береговые волны Кельвина следуют по береговой линии 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. Их длины волн составляют тысячи километров, а амплитуды — десятки метров.

Волны Россби

 → Волны Россби

Волны Россби, или планетарные волны — это огромные медленные волны, генерируемые в тропосфере различиями температуры между океаном и континентами. Их основной восстанавливающей силой является изменение силы Кориолиса с широтой. Амплитуды их волн обычно составляют десятки метров, а длины волн — очень велики. Они обычно находятся на средних или низких широтах.

Существуют два типа волн Россби: баротропные и бароклинные. Баротропные волны Россби имеют наивысшие 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 у более коротких волн Россби групповая скорость направлена на восток, а у более длинных — на запад.

Изменчивость климата

Декабрь 1997 года. Диаграмма аномалии температуры поверхности океана [°C] во время последнего сильного Эль-Ниньо

Взаимодействие океанического циркуляционного процесса, который действует как вид теплового насоса, и биологических эффектов, таких как концентрация углекислого газа, может привести к глобальным изменениям климата на десятилетних временных масштабах. Известные климатические осцилляции, возникающие из этих взаимодействий, включают Тихоокеанскую декадную осцилляцию, Североатлантическую осцилляцию и Арктическую осцилляцию. Океанический процесс термохалинной циркуляции является значительным компонентом перераспределения тепла по всей планете, и изменения в этой циркуляции могут иметь серьёзные последствия для климата.

Антарктическая окружная волна

 → Антарктическая окружная волна

Это связанная океано-атмосферная волна, которая обходит Южный океан примерно каждые восемь лет. Поскольку это феномен волны-2 (в широтном круге есть два пика и два углубления), на каждой фиксированной точке в пространстве наблюдается сигнал с периодом в четыре года. Волна движется на восток в направлении Антарктического окружного течения.

Океанические течения

Среди наиболее важных океанических течений можно выделить:

• Антарктическое циркумполярное течение
• Глубинные океанские течения (под действием плотности)
• Течения у западных границ
  • Течение Гольфстрим
  • Течение Куросио
  • Течение Лабрадор
  • Течение Ояcио
  • Течение Агульяс
  • Течение Бразилии
  • Течение Восточной Австралии
• Течения у восточных границ
  • Течение Калифорнии
  • Течение Канарских островов
  • Течение Гумбольдта
  • Течение Бенгуэла

Дополнительная информация: Общая циркуляция океана

Антарктическая окружная

Океаническое пространство, окружающее Антарктиду, в настоящее время является единственным непрерывным водным пространством, где имеется широкая широтная полоса открытой воды. Оно соединяет Атлантический, Тихий и Индийский океаны, обеспечивая непрерывный протяженный участок для преобладающих западных ветров, чтобы значительно увеличить амплитуды волн. Широко принято, что эти преобладающие ветры в основном ответственны за транспорт окружного течения. Считается, что это течение теперь изменяется со временем, возможно, осцилляционным образом.

Глубокий океан

В Норвежском море преобладает испарительное охлаждение, и опускающаяся водная масса, Североатлантичская глубоководная вода (NADW), заполняет бассейн и выливается на юг через расщелины в подводных порогах, соединяющих Гренландию, Исландию и Британию. Затем она течет вдоль западной границы Атлантики, часть потока движется на восток вдоль экватора, а затем полюсно в океанские бассейны. NADW втягивается в окружное течение и можно проследить его в индийские и тихоокеанские бассейны. Однако поток из бассейна Северного Ледовитого океана в Тихий океан блокируется узкими отмелями Берингова пролива.

Также см. морскую геологию, исследующую геологию дна океана, включая тектонику плит, которая создает глубоководные желоба.

Западная граница

Идеализированный субтропический океанский бассейн, воздействуемый ветрами, циркулирующими вокруг высокого давления (антициклонических) систем, таких как Азорско-Бермудское высокое давление, развивает циркуляцию вихря с медленными устойчивыми потоками к экватору внутри. Как отмечал Генри Стоммел, эти потоки сбалансированы в области западной границы, где развивается тонкий быстрый поток к полюсу, называемый западным граничным течением. Поток в реальном океане более сложен, но Гольфстрим, Агульхас и Куросио — примеры таких течений. Они узкие (примерно 100 км в поперечнике) и быстрые (примерно 1,5 м/с).

Западные граничные течения к экватору встречаются в тропических и полярных районах, например, Восточное Гренландское и Лабрадорское течения в Атлантике и Оясио. Они вызваны циркуляцией ветров вокруг областей низкого давления (циклонических).

Гольфстрим

Гольфстрим вместе со своим северным продолжением, Северным Атлантическим течением, является мощным, теплым и быстрым океаническим течением, которое начинается в Мексиканском заливе, выходит через Флоридский пролив и следует вдоль восточных побережий США и Ньюфаундленда на северо-восток перед пересечением Атлантического океана.

Куросио

Течение Куросио — это океаническое течение, которое находится в западной части Тихого океана у восточного побережья Тайваня и течет на северо-восток мимо Японии, где оно сливается с восточным дрейфом Северо-Тихоокеанского течения. Это аналогично Гольфстриму в Атлантическом океане, транспортируя теплую тропическую воду на север к полярным регионам.

Поток тепла

Накопление тепла

 → Содержание тепла в океане

Поток тепла в океане является турбулентной и сложной системой, которая использует атмосферные методики измерения, такие как ковариация вихрей, для измерения скорости теплопередачи, выраженной в единицах петаватт. Поток тепла — это поток энергии на единицу площади за единицу времени. Большая часть теплового запаса Земли находится в его морях, с меньшими долями теплопередачи в процессах, таких как испарение, радиация, диффузия или поглощение в дно моря. Большая часть потока тепла в океане происходит через адвекцию или движение океанских течений. Например, считается, что большая часть движения теплой воды в южной Атлантике происходит из Индийского океана. Ещё одним примером адвекции является неравновесное нагревание Тихого океана, вызванное подповерхностными процессами, связанными с атмосферными антиклинами. Недавние наблюдения за прогревом донных вод в Антарктическом регионе Южного океана вызывают беспокойство у океанологов, поскольку изменения донных вод повлияют на течения, питательные вещества и биоту в других местах. Международное внимание к глобальному потеплению сосредоточено на научных исследованиях по этой теме с момента создания Межправительственной группы по изменению климата в 1988 году. Улучшенное наблюдение океана, инструментирование, теория и финансирование увеличили научное освещение региональных и глобальных проблем, связанных с теплом.

Изменение уровня моря

 → Современное повышение уровня моря

Показания приливных измерителей и спутниковая альтиметрия указывают на увеличение уровня моря на 1,5-3 мм/год за последние 100 лет.

МГЧП предсказывает, что к 2081—2100 годам глобальное потепление приведет к подъёму уровня моря на 260—820 мм.

Быстрые изменения

Приливы

 → Приливы

Бухта Фанди — это залив, расположенный на атлантическом побережье Северной Америки, на северо-восточном конце залива Мэн между провинциями Нью-Брансуик и Новая Шотландия.

Подъём и опадание океанов из-за приливных эффектов оказывает ключевое влияние на прибрежные районы. Океанские приливы на планете Земля создаются гравитационными эффектами Солнца и Луны. Приливы, вызванные этими двумя телами, примерно сравнимы по величине, но орбитальное движение Луны приводит к изменчивости приливных узоров в течение месяца.

Приливы создают циклический течение вдоль побережья, и сила этого течения может быть довольно драматичной в узких эстуариях. Входящие приливы также могут вызывать приливные волны вдоль реки или узкого залива, поскольку поток воды против течения приводит к волне на поверхности.

Прилив и Течение (Уайбан 1992) наглядно иллюстрирует влияние этих естественных циклов на образ жизни и средства к существованию коренных гавайцев, заботящихся о прибрежных рыбных прудах. Aia ke ola ka hana означает… Жизнь в труде.

Резонанс приливов наблюдается в заливе Фанди, поскольку время, за которое большая волна проходит от устья залива к противоположному концу, затем отражается и возвращается к устью залива, совпадает с приливным ритмом, создавая самые высокие приливы в мире.

Поверхностные приливные колебания над рельефом, таким как погруженные подводные горы или хребты, генерируют внутренние волны на приливной частоте, которые известны как внутренние приливы.

Цунами

 → Цунами

Исследование механизма цунами также является предметом физической океанологии

Серия поверхностных волн может быть вызвана крупномасштабным перемещением воды в океане. Это может быть вызвано подводными оползнями, деформациями дна из-за землетрясений или ударом крупного метеорита.

Волны могут перемещаться со скоростью до нескольких сотен км/час по поверхности океана, но в открытом океане они едва заметны с длиной волн, охватывающей сотни километров.

Цунами, изначально называемые приливными волнами, были переименованы, поскольку они не связаны с приливами. Их рассматривают как поверхностные волны или волны в воде с глубиной менее 1/20 их длины волны. Цунами имеют очень большие периоды, высокие скорости и большие высоты волн.

Основное воздействие этих волн происходит вдоль прибрежной линии, поскольку большие объёмы океанской воды циклически выбрасываются внутрь и затем оттягиваются обратно в море. Это может привести к значительным изменениям в прибрежных районах, где волны ударяют с достаточной энергией.

Цунами, которое произошло в заливе Литуйя, штат Аляска, 9 июля 1958 года, было высотой 520 м (1710 футов) и является самым большим измеренным цунами, почти на 90 м (300 футов) выше башни Сирса в Чикаго и примерно на 110 м (360 футов) выше бывшего Всемирного торгового центра в Нью-Йорке.

Поверхностные волны

 → Ветровые волны

Ветер генерирует поверхностные волны океана, которые оказывают большое влияние на офшорные сооружения, суда, береговую эрозию и седиментацию, а также гавани. После их возникновения под действием ветра, поверхностные волны океана могут путешествовать (как зыбь) на большие расстояния.

Литература

• Gill Adrian E. Atmosphere-Ocean Dynamics. — San Diego: Academic Press, 1982. — ISBN 0-12-283520-4.
• Samelson, R. M. (2011) The Theory of Large-Scale Ocean Circulation. Cambridge: Cambridge University Press. doi: 10.1017/CBO9780511736605.
• Maury Matthew F. The Physical Geography of the Seas and Its Meteorology. — 1855.
• Stewart Robert H. Introduction to Physical Oceanography. — College Station: Texas A&M University, 2007.
• Wyban Carol Araki Tide and Current: Fishponds of Hawaiʻi. — Honolulu: University of Hawaiʻi Press, 1992. — ISBN 0-8248-1396-0.

Ссылки

• Way, John H. Hypsographic curve. Архивировано из первоисточника 30 марта 2007. Проверено 10 января 2006.
• NASA Oceanography
• Ocean Motion and Surface Currents
• Ocean World (digital book)
• National Oceanographic and Atmospheric Administration
• University-National Oceanographic Laboratory System
• Pacific Disaster Center
• Pacific Tsunami Museum Хило
• Science of Tsunami Hazards (journal)
• NEMO academic software for oceanography
• [1] History of Salinity Determination

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Руниверсалис» («Руни», руни.рф) под названием «Физическая океанология», расположенная по адресу: — «https://руни.рф/index.php/Физическая_океанология» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC BY-SA. Всем участникам Руниверсалиса предлагается прочитать «Обращение к участникам Руниверсалиса» основателя Циклопедии и «Почему Циклопедия?».