Тепловые машины В.В. Шулейкина

Классификации морских течений

Морские течения подразделяются:

1. По происхождению, то сеть по факторам, их вызывающим. Они бывают: 1) плотностные (градиентные), 2) дрейфовые и ветровые, 3) сточные (стоковые), 4) бароградиентные, 5) приливо-отливные, 6) компенсационные.
2. По районам происхождения: тёплые или холодные.
3. По продолжительности или устойчивости: 1) постоянные, идущие из года в год в одном и том же направлении с некоторой средней скоростью; 2) временные течения, вызываемые переходящими причинами и изменяющие своё направление и скорость в зависимости от времени действия и величины образующей силы; 3) периодические, меняющие своё направление и скорость в соответствии с периодом и величиной приливообразующих сил.
4. По физико-химическим характеристикам - солёные и пресные, тёплые и холодные. Причём абсолютная величина температуры и солёности для характеристики течения не имеет значения.

Общая схема циркуляции поверхностных вод Океана

Последовательная зональная смена макроциркуляционных систем (крупномасштабная система движений) является общей закономерностью планетарной циркуляции вод.

В соответствии с зональным распределением солнечной энергии по поверхности планеты и в океане, и в атмосфере создаются однотипные и генетически связанные циркуляционные системы. Перемещение водных и воздушных масс определяется общей для атмо- и гидросферы закономерностью: неравномерным нагреванием и охлаждением поверхности Земли. От этого макроциркулярные системы более или менее симметрично располагаются по обе стороны от экватора.

От него в низких широтах возникают восходящие токи (циклонические вихри) и убыль масс, в других - высоких широтах развиваются нисходящие токи, происходит увеличение масс (воды, воздуха), что характерно для антициклональных вихревых систем. Взаимодействие этих систем и есть циркуляция, движения атмо- и гидросферы.

В тропических областях характер движений антициклонический, то есть течения движутся по часовой стрелке, а в умеренных и субполярных широтах течения образуют круговорот, направленный против часовой стрелки, то есть имеют циклонический характер. И циклонические, и антициклонические вихри в океане соответствуют климатическим минимумам и максимумам атмосферного давления.

Антициклонические и циклонические круговороты в каждом полушарии связаны между собой таким образом, что одни и те же потоки (течения) являются одновременно периферийной частью двух круговоротов. Например, Североатлантическое течение является северной ветвью тропического круговорота и одновременно южной ветвью циклонического круговорота умеренных и субполярных широт. Благодаря этому круговороты взаимодействуют между собой. Поэтому воды и переносимые ими различные вещества (соли, взвеси и т. д.) способны, переходя из системы в систему, перемещаться по всей протяжённости океана. Перенос масс, обмен энергии и вещества в приповерхностном слое океана происходит в основном в широтном направлении. Межширотный обмен осуществляется за счёт меридионального обмена на периферии квазистационарных круговоротов вод. В низких широтах вдоль западных берегов океана происходит вынос лёгких тропических вод в умеренную зону. В умеренных же и субполярных широтах, наоборот, более плотные воды переносятся вдоль западных побережий, а менее плотные воды умеренного и тропического поясов выносятся вдоль восточных берегов в высокие широты Мирового Океана. Создающееся таким образом различие плотностей воды в меридиональном направлении увеличивает интенсивность пограничных течений в прибрежных частях антициклонических и циклонических систем.

Одни и те же макроциркуляционные системы сохраняются в течение круглого года. Для сезонной изменчивости циркуляции вод характерно небольшое смещение в холодное время года в меридиональном направлении (в зиму северного полушария - к северу, в лето северного полушария - к югу), а также усиление интенсивности циркуляции в результате увеличения термических контрастов между тропическими и полярными широтами.

Установлено, что непосредственное воздействие ветра ограничивается верхним слоем толщиной около 30-50 м. Уже в подповерхностном слое между 50-100 и 200-300 м, решающую роль играет плотностная (вертикальная) циркуляция.

В океане скорость вертикальных движений меньше горизонтальных примерно на три-пять порядков, а в атмосфере - приблизительно на два-три порядка. Но значение их велико, поскольку благодаря им происходит обмен поверхностных и глубинных вод энергией, солями и питательными веществами.

Наиболее интенсивный вертикальный обмен осуществляется в зонах конвергенции (схождения) и дивергенции (расхождения) потоков водных масс. В зонах конвергенции наблюдается погружение водных масс, в зонах дивергенции - подъём их к поверхности, называемый апвелингом. Зоны дивергенции формируются в областях циклонических круговоротов, где центробежные силы разносят воды от периферии к центру и возникает подъём вод в центральной части круговорота. Дивергенция возникает у берегов и там, где преобладает ветер с суши (сгон поверхностных вод). В антициклональных системах и в тех прибрежных зонах, где господствует ветер с океана, происходит опускание вод.

Распределение зон конвергенции и дивергенции однотипно в различных океанах. Несколько севернее экватора располагается экваториальная конвергенция. По обе стороны от неё по ложбинам тропических циклонических систем протягиваются тропические дивергенции, затем по осям субтропических антициклонических систем - субтропические конвергенции. Высокоширотным циклоническим системам соответствуют полярные дивергенции, гребню арктического круговорота воды соответствует арктическая конвергенция.

Это идеальная (осреднённая) схема поверхностных течений океана. Реальная, конкретная ситуация гораздо сложнее, поскольку течения меняют скорость, интенсивность, а иногда и направление. Некоторые из них временами исчезают. Океанические потоки имеют сложную структуру. Подобно рекам, они меандрируют, образуя завихрения меньших размеров (300-400 км в диаметре).

Структура поверхностных океанических течений, захватывающих верхние сотни метров, в основных чертах совпадают со структурой атмосферной циркуляции. Исключение составляют западные течения, замыкающие круговороты и идущие необязательно по ветру, плюс межпассатные противотечения. Следовательно, в природе существует более сложная, нежели простая, связь ветер - океанические течения. Действительные противотечения. Общее количество солнечной энергии, поглощаемой Мировым Океаном, определено в 29,7∙10¹⁹ ккал/год, что составляет почти 80% всей радиации, достигающей поверхности планеты (36,5∙10¹⁹ ккал). К тому же Океан является главным аккумулятором солнечного тепла; в нём содержится почти в 21 раз больше того количества тепла (76∙10²² ккал), которое ежегодно поступает от Солнца к поверхности Земли. В десятиметровом слое океанических вод тепла в 4 раза больше, нежели во всей атмосфере.

Около 80% солнечной энергии, поглощаемой Мировым Океаном, расходуется на испарение - 26,8∙10¹⁹ ккал/год, что составляет всего 3% тепла, накопленного Мировым Океаном. На турбулентный теплообмен с атмосферой уходит остальная часть поглощаемой солнечной радиации - 2,7∙10¹⁹ ккал/год. Это лишь 0,4% общего теплосодержания Океана. Сопоставляя величину приходно-расходных сумм теплообмена через поверхность Мирового Океана с его теплосодержанием, придём к выводу, что ежегодно в такой обмен с атмосферой вовлекается поверхностный слой толщиной около 50 м. Теплообмен наиболее деятельной 200-метровой толщи вод осуществляется через 3-4 года. То есть распределение энергии в значительной степени зависит от структуры океанических течений (Гольфстрим несёт в 22 раза больше тепла, чем все реки земного шара).

Атмосферные движения вынуждены приспосабливаться к структуре океанических движений, поэтому океанические и воздушные течения образуют единую систему, возникающую в результате приспособления их друг к другу.

Речь идёт о тепловых машинах географической оболочки.

Тепловой машиной называют систему, в которой тепловая энергия превращается в механическую. Каждая тепловая машина состоит из двух основных элементов - нагревателя и холодильника, которые связываются между собой потоком вещества - теплоносителя. Благодаря разности температур теплоноситель перемещается от нагревателя к холодильнику, а вместе с ним переносится и теплота, при этом часть теплоты расходуется на движения теплоносителя.

Наиболее крупной тепловой машиной в географической оболочке является система экватор - полюсы (атмосфера - гидросфера - литосфера). Её называют тепловой машиной перового рода. С ней связаны наиболее масштабные движения в атмосфере.

Различия в нагревании материков и океанов приводят к возникновению тепловых машин второго рода. С ними связано возникновение муссонов в умеренных и субтропических широтах.

В географической оболочке существует множество других тепловых контрастов: внутренний водоём - окружающая его суша; горы - равнины; ледники - поверхности безо льда и т. п. В каждом таком случае можно говорить о своего рода тепловой машине, в которой происходит преобразование части тепловой энергии в механическую.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых машин в географической оболочке невелик. Только 1-2 % солнечной энергии усваиваемой земной поверхностью переходит в механическую энергию (для паровых турбин он составляет 22 %, в двигателях внутреннего сгорания поднимается до 35 %). Это объясняется как небольшой разницей температур нагревателей и холодильников, так и большими потерями энергии на теплообмен с окружающей средой. В качестве элементарных тепловых машин можно рассматривать вертикальные конвентивные ячейки (кольца) циркуляции - циклоны и антициклоны. Распространение циклонов и антициклонов характеризуется определёнными закономерностями. Этим закономерностям соответствует и распределение осадков.

Взаимодействие атмосферно-океаническое составляет малый влагооборот; атмосферно-материковое - внутриматериковый влагооборот. Это части большого единого океаническо-атмосферно-литосферного влагооборота.