title-icon
Яндекс.Метрика
» » Границы природных вод на поверхности Земли

Границы природных вод на поверхности Земли

Океан — атмосфера. Из всех границ гидросферы эта является, пожалуй, наиболее изученной. Ее исследованием, экспериментальным и теоретическим, на протяжении многих десятилетий занимаются океанологи и метеорологи. Имеется огромное количество публикаций по различным вопросам ее строения и функционирования. Мы не будем здесь заниматься обзором и анализом всего этого материала, а лишь остановимся на тех представлениях, которые наиболее важны для гидрогеологов.
Миграция влаги через границу океан — атмосфера связана в основном с теплообменом. Физический механизм теплообмена через границу океан — атмосфера академик В.В. Шулейкин рассматривает как работу тепловых машин первого, второго и пятого родов.
Машины первого рода являются наиболее крупными. В качестве нагревателя в них работают тропические пояса Земли с положительным бюджетом тепла, а в качестве холодильника — высокоширотные области, в которых тепловой бюджет отрицательный. Термобарические колебания и соответствующий им массоперенос воздуха и воды имеют здесь субмеридиональное распространение.
Машины второго рода — это уже механизм регионального порядка. В холодное время года нагревателем в них служат наиболее теплые области океана, а холодильником — материки. В теплое время года ситуация меняется на обратную. Исключением являются лишь Антарктида и Гренландия, которые из-за мощного материкового оледенения выполняют функции холодильника круглый год. Работа машин второго рода в значительной мере определяет муссонную циркуляцию, при этом подстилающая поверхность воздействует на нижний слой атмосферы мощностью до 4—5 км, а тепломассоперенос и распространение барических волн характеризуются субширотным направлением. Потоки атмосферной влаги связаны с определенными источниками и стоками планетарного масштаба, представляющими собой области квазизамкнутых циркуляций и расположенными в пределах как океанов, так и суши. Тепловые машины второго рода генерируют колебательные процессы переменного знака, являющиеся причиной появления региональных разрывов границ океан — атмосфера.
Теперь остановимся на работе машин пятого рода, в которых нагревателем являются особенно теплые участки океана, а холодильником — все окружающее их пространство. Это тропические ураганы (рис. 2.8). Средняя ширина их достигает нескольких сотен километров, а высота 6—15 км. Тепловая машина пятого рода производит колоссальной интенсивности водообмен между океаном и атмосферой. Она засасывает почти до тропопаузы огромные массы водяного пара, суточный расход которого, судя по интенсивности сопровождающих ураган ливней, близок к годовой норме или в несколько раз превышает годовую норму осадков для средних широт. Яркой иллюстрацией работы такой машины могут служить наблюдения за ураганом «Элоиз» (сентябрь 1975 г.). Скорость его движения составляла около 30 км/ч. Внутренние инерционные волны, вызванные им в водных массах океана, увеличили слой перемешивания с 20 до 60 м и спустя 8 сут достигли максимальной амплитуды (на глубине 500 м она составляла 65 м). Температура поверхности океана в зоне действия этой «машины» понизилась на 1,5 °C и в течение еще двух суток поддерживалась на 0,5 °C ниже обычной.

Нетрудно видеть, что тропические ураганы это своего рода дырки, возникающие на границе океан — атмосфера. В их образовании есть своя периодичность, пространственная приуроченность и физическая индивидуальность. Как и машины второго рода, они определяют разрыв границы, но разрыв более кратковременный и резкий. В то же время по площади развития, длительности существования, энергетической эффективности тропические ураганы можно отнести к категории макроразрывов, каждый из которых проявляется регионально, создает как бы планетарный резонанс.
Теперь рассмотрим разрывы более высоких порядков, которые на общепланетарном фоне можно назвать микроразрывами. Их возникновение связано с так называемой холодной пленкой океана, выполняющей, по-видимому, важнейшие функции в режиме верхнего океанического слоя. По различным показателям толщина этой пленки оценивается от 10—20 мкм до 1—2 см (рис. 2.9). Она является причиной очень высоких пограничных градиентов температуры, достигающих 2—5 °C на 1 см, резкого изменения коэффициентов обмена (от молекулярных до турбулентных значений) и определяет постоянную гидродинамическую неустойчивость верхнего слоя.
Сейчас установлено, что холодная пленка способна сохраняться при ветрах до 10 м/с, но она разрывается при обрушении гребня волны и очень быстро, за несколько секунд, восстанавливается; гидродинамический режим в пределах самой пленки имеет ламинарный характер. Ниже холодной пленки происходит активное перемешивание вод, усиливающееся на один — три порядка при возникновении вихрей Ленгмюра. В самих вихрях поверхностные воды погружаются, на участках же между вихрями происходит подъем вод из глубин. В результате создается локальная дифференциация граничных условий: формируется поле дырок, одна часть которых как бы открывает границу сверху, а другая—снизу. Такие дырчатые поля возникают и разрушаются, их пространственная привязка носит хаотический характер, в принципе они могут появляться на любом участке океана, где вблизи поверхности создается конвективная неустойчивость и неустойчивость ветрового течения.
Приведенная информация позволяет констатировать, что в основе планетарного функционирования границы океан — атмосфера заложен дискретный (дырчатый) принцип взаимодействия. Несмотря на то, что в геометрическом смысле эту границу можно назвать сплошной, по своему физическому состоянию она дискретна. Ее дырчатость, по-видимому, предопределена резкой сменой термодинамических условий взаимодействующих сред, функции состояния которых терпят на границе разрыв (см., например, рис. 2.9).

Поверхностные воды суши — атмосфера. Дискретность этой границы проявляется в первую очередь в ее геометрических особенностях, которые косвенно могут быть охарактеризованы через густоту речной сети и обводненность территории. По водному балансу суши можно выделить области со значениями речного стока и испарения, превышающими норму для всей суши (соответственно 275 и 485 мм). Во всем южном полушарии и в северном до широты около 50° области аномального речного стока, как правило, находятся в пределах областей с аномальным испарением, часто почти совпадая с ними. А так как речной сток и испарение в сумме равны количеству осадков (с небольшой невязкой), эти аномальные области можно рассматривать одновременно и как источники, и как стоки. В одни периоды года они выполняют функции преимущественно источников, в другие — преимущественно стоков. В этом и проявляется дырчатость данной границы. Ее дискретность складывается из геометрической и физической неоднородностей. Геометрическая неоднородность предопределена тектонической и эрозионной изрезанностью суши, а физическая — особенностями циркуляции атмосферных масс, хотя здесь существует и обратная связь. Разумеется, на этой границе возможны и такие явления, как термобарические сейши, ураганы, вихри Ленгмюра, на озерах холодная пленка и т. д.
Суша — океан. Если первые две границы представляли собой различные части поверхности нашей планеты, то эта является береговой линией, отделяющей сушу от океана. По современным подсчетам ее протяженность оценивается примерно 6,5*10в5 км (без Антарктиды) и 6*10в5 км (без территорий, сложенных глубоко промороженными породами). Через нее преимущественно реками в океан ежегодно поступает около 4,2*10в4 км3 воды, 3,53*10в9 т растворенных веществ и 15,7*10в9 т взвешенных и, вероятно, около 1,6*10в9 т влекомых наносов. Дискретность функционирования этой границы очевидна. Устье всякой реки может рассматриваться как разрыв границ, представляющий собой в масштабе Земли точечный источник. Поступление материала через такие источники сопровождается интенсивным турбулентным перемешиванием и диффузией. При этом происходит обмен импульсами речной и океанической вод, что приводит к постепенному падению скорости стокового течения с удалением от устья, создает определенный характер распределения солености воды на устьевом взморье.
На протяжении геологической истории береговая линия как граница испытывает постоянное перемещение, меняет форму и протяженность. Участки ее разрыва (устья реки) также имеют переменные координаты. Через них в течение года происходит более или менее равномерный выброс воды в океан, на фоне которого возникают периодические весьма активные выбросы, по объему обычно превышающие среднегодовой суммарный сток.

title-icon Подобные новости