Вряд ли может принести какую-нибудь существенную пользу исследование океанов без одновременного изучения находящейся над океанами атмосферы. В этой истине никогда не сомневался ни один исследователь-моревед. В самом деле, что приводит в движение воды океана и создает океанические течения, как не ветры, дующие над ними? Что регулирует, усиливая или ослабляя, процессы перемешивания вод океана и распространение в глубь океанов тепла, солей и атмосферных газов и определяет температурный режим океанических вод, как не тепловое взаимодействие океана с атмосферой?
Разве можно забыть, наконец, о том, что сама возможность изучения океанов и использования их ресурсов целиком зависит от состояния погоды, ветров, волн, облачности, туманов, атмосферных осадков и морских льдов. Поэтому вполне естественно, что одновременно и неразрывно с развитием других отраслей океанологии развивалось изучение метеорологических процессов над океанами — морская метеорология.
Многие проблемы морской метеорологии или оказываются общими с проблемами физической океанологии, или тесно с ними переплетаются. Такова, прежде всего, проблема исследования температурного режима океанов и морей. Степень нагревания вод океанов всегда определяется метеорологическими, а не океаническими процессами. Точно так же и степень охлаждения океанических вод в конечном счете зависит от разности температуры океанических вод и находящихся над ними воздушных масс.
Объяснение всех особенностей температурного режима океанов можно ожидать только от метеорологических исследований, точнее, от расчетов всех проходящих через атмосферу к поверхности океана и уходящих от нее потоков тепла, сумма которых определяет баланс тепла и изменения температуры в поверхностном слое океана.
Проблема теплового баланса океана. Если перенестись мысленно на 50 лет назад, мы не обнаружим в науке не только понимания, но даже и упоминания о проблеме исследования теплового баланса океанов. Тогда ученые видели задачи морской метеорологии в том, чтобы как можно точнее описывать метеорологические условия и состояние погоды над морями и океанами. Задача эта была, конечно, интересная, важная и для науки, и для практики, но она ставилась как чисто описательная, без исследования физической природы явлений.
Когда же после Октябрьской революции в нашей стране пробудился всеобщий интерес к глубокому теоретическому познанию явлений природы, к исследованию физических процессов, управляющих этими явлениями, в науке открылся путь к расчету, предвидению и предсказанию явлений, происходящих в океанах.
Впервые эти идеи прозвучали в СССР в 20-х годах в работах В. В. Шулейкина, выполненных им в Плавучем морском научном институте — Плавморнине. Вскоре В. В. Шулейкин впервые произвел расчеты и проанализировал тепловой баланс Карского моря, положив начало в нашей стране многочисленным исследованиям теплового баланса морей и океанов.
Проблема теплового баланса морей и океанов сложна и многогранна. Она распадается на ряд самостоятельных проблем, таких, как исследование трансформации солнечной радиации над океанами, изучение излучательной, отражательной и поглощательной способности океанических льдов и вод, изучение турбулентной структуры ветрового потока над океанами, турбулентного теплообмена и испарения, изучения влагосодержания океанических воздушных масс, свойств и распределения облачного покрова над океанами, исследование температурного поля в океане и в атмосфере. Для решения этих проблем прежде всего требуются постоянные и разнообразные наблюдения и эксперименты в открытых морях.
Наблюдать, наблюдать и наблюдать! Как можно больше, как можно чаще, по возможности везде и всегда — вот к чему устремились помыслы и надежды, усилия и дела морских метеорологов в начале XX столетия не только в нашей стране, но и во всем мире. Теоретическая мысль была связана отсутствием наблюдений, необходимых для проверки рабочих гипотез и предлагаемых теорий. Задача заключалась не только в том, чтобы организовать метеорологические наблюдения на судах и распространить на океаны полную программу ведущихся на суше наблюдений. Надо было одновременно разработать методику судовых наблюдений, обеспечивающую достоверность результатов. Для наблюдений в море следовало видоизменить измерительные приборы, применявшиеся на суше. Начиналась эта работа в 20-е годы в Плавморнине, в его морских экспедициях, проводившихся ежегодно на «Персее» в Баренцевом, Белом и Карском морях.
Метеорологические наблюдения на «Персее» были поставлены по самой широкой программе, они дополнялись измерениями солнечной радиации, исследованиями испарения и турбулентного теплообмена, что было совсем незнакомо дореволюционной науке. Нельзя не назвать имени почти бессменного метеоролога морских экспедиций Плавморнина К. Р. Олевинского, который вкладывал в развитие морской метеорологии душу, неустанно собирал наблюдения всех судов, плававших в полярных морях, и лично создал затем первую в нашей стране картотеку судовых наблюдений, пригодную для любых обработок.
В целях расширения океанографических исследований еще в 20-х годах были использованы также рейсы крупных океанских советских судов, проходивших через Средиземное море, Индийский и Тихий океаны.
В таких рейсах сначала В. В. Шулейкиным на «Трансбалте» в 1927 г., а затем К. Р. Олевинским и В. С. Самойленко на ледорезе «Федор Литке» в 1929 г. были проведены обширные наблюдения над солнечной радиацией, испарением и теплообменом в самых различных поясах Мирового океана.
Для исследования испарения и теплообмена между водой и воздухом в этих рейсах был применен весьма остроумно сконструированный В. В. Шулейкиным судовой эвапорометр. Эти наблюдения позволили твердо установить, что скорость испарения и теплообмена прямо пропорциональна скорости ветра; что скорость теплообмена, кроме того, пропорциональна разности между температурой воды и воздуха, а скорость испарения пропорциональна разности между давлением водяного пара на поверхности воды и в воздухе. Справедливость классических законов — Ньютона для теплообмена и Дальтона для испарения — нашла экспериментальное подтверждение на просторах морей и океанов. Установление основных законов испарения и теплообмена указало направление дальнейших исследований, необходимых для расчета теплового баланса морей и океанов. Теперь надо было получить достоверные данные о том, какова бывает скорость ветра, температура и влажность воздуха над различными частями океана в различное время года. Насущная необходимость скорейшей организации регулярных судовых наблюдений на всех морях и океанах стала еще более ясной.
Эта задача не могла быть решена усилиями какого-либо одного института или учреждения. В 1930 г., когда в нашей стране была создана Единая государственная гидрометеорологическая служба во главе с энергичным и уважаемым ученым А. Ф. Вангенгеймом, в ее ведение перешел и Плавморнин, преобразованный в Государственный океанографический институт. С этого времени развитие морской метеорологии стало общегосударственным делом. В те годы начала работать и Центральная научно-методическая комиссия по вопросам морской метеорологии п гидрологии во главе с Ю. М. Шокальским. Комиссия создала руководства для метеорологических наблюдений в морях и океанах; они предусматривали значительно большую, чем в других странах, программу наблюдений.
Число судовых метеорологических станций, ведущих наблюдения по этой программе, ежегодно увеличивалось. К концу 30-х годов в Советском Союзе уже был составлен первый морской гидрометеорологический атлас, основанный на наблюдениях в открытом море. Этот атлас по Каспийскому морю был составлен В. С. Самойленко и В. И. Пришлецовым во Всесоюзном институте морского рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО).
Немалую роль в развитии морской метеорологии в нашей стране сыграл 2-й Международный полярный год, проводившийся в 1932— 1933 гг. Душой и ученым секретарем Советского комитета 2-го МПГ был известный мореплаватель и полярный исследователь-океанолог Н. Н. Зубов.
Советские исследования по программе 2-го МПГ были весьма обширны. На берегах и островах Ледовитого океана было создано большое количество наблюдательных станций, ряд метеорологических и геофизических обсерваторий. Особенно важно то, что эти станции были полностью сохранены и число их в последующие годы было умножено.
Впервые в истории человечества в 1937 г. наблюдательная станция была высажена с самолетов на дрейфующие льды у Северного полюса. Кто в нашей стране не знает одного из ее инициаторов О. Ю. Шмидта и четырех Героев Советского Союза, составивших персонал этой станции, — И. Д. Папанина, П. П. Ширшова, Е. К. Федорова и Э. Т. Кренкеля. На льдине, дрейфовавшей в течение многих месяцев, они производили метеорологические и гидрологические наблюдения в совершенно недоступных и не исследованных ранее частях Ледовитого океана, в самых высоких широтах. Успех этого смелого научного предприятия позволил перейти к планомерному исследованию метеорологических условий Арктического бассейна с помощью наблюдательных станций, дрейфующих на льдинах. К 1967 г. уже СП-14 и СП-15 ведут одновременно научные исследования во льдах Арктического бассейна.
Однако сколь ни важны были все получаемые в океанах новые наблюдения, сами по себе они не могли привести к решению основных проблем морской метеорологии, в том числе и к объяснению происхождения температурного режима Мирового океана. Поэтому одновременно с экспериментами и сбором наблюдений в морях и океанах шли поиски теоретических путей решения этой проблемы. Прежде всего надо было теоретически объяснить законы турбулентного теплообмена и испарения, найденные эмпирическим путем. Это объяснение было найдено к концу 30-х годов в теории динамической турбулентности, созданной за рубежом Прандтлем и Карманом, развитой Россби и Монтгомери, а затем X. Свердрупом, построившим на базе этой теории расчеты океанического испарения. Советскими мореведами это теоретическое направление было оценено положительно и получило развитие в трудах П. П. Кузьмина, В. С. Самойленко и др.
Отечественная война затормозила планомерное развитие морских метеорологических исследований в нашей стране. Однако в первые же послевоенные годы количество судовых метеорологических станций стало очень быстро увеличиваться и к 50-м годам достигло нескольких сот. Общее количество наблюдений в морях Советского Союза, накопленных к этому времени, достигло нескольких сотен тысяч, а в 60-е годы превысило миллион.
Настало время их научного осмысливания. На помощь пришли отечественные счетно-аналитические машины. Создание приспособленных к машинным разработкам перфорационных картотек судовых наблюдений позволило составить и издать к 1957 г. серию полных климатических и гидрологических атласов почти всех морей, омывающих берега нашей страны. Каждый из этих атласов включал месячные серии карт атмосферного давления и ветра, температуры воды и воздуха, влажности воздуха и облачности, туманов, атмосферных осадков и волнения, т. е. все, что требовалось для характеристики метеорологических условий над морями и для осуществления, пользуясь успехами теории, расчетов всех составляющих теплового баланса.
В 50—60-е годы такие расчеты были произведены уже для многих морей нашей страны, и результаты их были опубликованы в трудах научных институтов. В 1960 г. Институтом аэроклиматологии для Каспийского и Аральского морей был издан совершенно новый тип атласа, составленный по комплексной программе и включавший ежемесячные карты всех элементов теплового баланса этих морей. Примерно в то же время Главная геофизическая обсерватория, использовав опубликованные в зарубежных атласах гидрометеорологические сведения для всего Мирового океана, произвела расчеты составляющих теплового баланса для акватории почти всего Мирового океана, поместив их в изданный ею «Атлас теплового баланса земного шара».
Успехи в развитии теории и расчетов теплового баланса морей и океанов привели к решению еще одной важной проблемы океанологии — количественной оценки адвективного (горизонтального) переноса тепла в водах морей и океанов. Принцип равновесия средних многолетних величин теплового баланса приводит к выводу, что получаемое расчетом распределение положительных и отрицательных величин среднего многолетнего теплового баланса моря является не чем иным, как надежной характеристикой адвективного притока или оттока тепла, создаваемого морскими течениями и турбулентным обменом в самом море.
Такой результат явился своего рода торжеством морской метеорологии, показавшей свою способность решать чисто океанологические проблемы.
Именно таким «метеорологическим» путем в конце 50-х, а также в 60-х годах были получены карты адвективного переноса тепла в водах Каспийского (Е. Г. Архипова), Черного (Е. В. Солянкин) морей, а затем и для всего Тихого океана (В. С. Самойленко). Расчеты теплового баланса позволили также установить весьма важную для теории климата величину годового теплооборота в деятельном слое морей и океанов и проследить закономерности изменения теплооборота в зависимости от географического положения и глубины моря. Теория теплового баланса помогает найти ответ на интересный вопрос: могут ли восстановиться естественным путем арктические льды, если их растопить? Вероятнее всего они в современных условиях не восстановятся.
Проблема пограничного слоя. Несмотря на большое развитие исследований теплового баланса морей и океанов, до последнего времени не было полной уверенности в достоверности и точности величин баланса, получаемых путем многоступенчатых косвенных расчетов. Главной причиной была, во-первых, незавершенность теории турбулентного переноса тепла и влаги в пограничном с океаном слое атмосферы и, во-вторых, невозможность проверки расчетов теплового баланса прямым экспериментом.
Поэтому в последние годы началось усиленное изыскание методов прямого определения турбулентных потоков тепла и влаги над океанами. Для этого надо было создать особую аппаратуру, позволяющую непосредственно наблюдать структуру турбулентности в тонком пограничном с океаном (приземном, 0—30 м) слое воздуха и регистрировать в течение достаточно длительного времени в непосредственной близости от поверхности океана скорости движения воздуха, амплитуды и периоды пульсаций этих скоростей, а также пульсацию температуры воздуха и концентрации содержащегося в нем водяного пара. Нуждалась в углублении и совершенствовании и общая теория атмосферной турбулентности в приземном слое воздуха.
Все эти задачи вызвали к жизни новое направление в морской метеорологии — детальное изучение физических процессов в пограничном с океаном слое атмосферы. Возникла и стала развиваться своего рода морская микрометеорология.
Направление это требовало не только создания новой аппаратуры, но и новых методов наблюдений в открытом море. Производить тонкие исследования микроструктуры пограничного слоя с палубы или борта корабля невозможно, так как корпус корабля совершенно искажает естественную структуру воздушного потока над морем. Необходимо было переносить наблюдения на шлюпки и плотики или создавать автономные или полуавтономные плавучие конструкции. Усилиями метеорологов различных институтов были созданы плавучие конструкции, способные нести размещенные на нескольких уровнях различные приборы и сохранять хорошую устойчивость даже при значительном волнении моря. Электрический кабель связывает такой метеобуй с судном, что позволяет вести на судне непрерывную регистрацию показаний приборов, находящихся на буе, с помощью электронных потенциометров или осциллографов. Применение электронной записывающей аппаратуры позволило также расширить радиационные измерения на судах в открытом океане.
В то же время для исследования приземной турбулентности на суше в Институте физики атмосферы АН СССР была создана еще более совершенная аппаратура, включающая, помимо измерителей самых короткопериодных пульсаций температуры и скоростей движения воздуха, электронные анализаторы, коррелометры и интеграторы, которые выдают сразу не только средние величины, но и распределение энергии по всему спектру пульсаций температуры и скоростей, а также зависимости между ними (корреляционные функции). В 1965 и 1966 гг. были проведены успешные опыты применения этой аппаратуры для микрометеорологических исследований и на кораблях, что позволяет надеяться на открытие многих еще не известных нам закономерностей механизма теплового и динамического взаимодействия между океаном и атмосферой. Дело сейчас идет к созданию также вполне автономных плавучих конструкций, свободно дрейфующих или заякоренных в открытом море, автоматически измеряющих температуру, влажность и скорость движения воздуха на различных уровнях и передающих по радио результаты этих измерений.
Проблема атмосферной циркуляции. Обратимся к третьей важной проблеме морской метеорологии — изучению атмосферной циркуляции над океанами и морями. Поскольку моря и океаны покрывают значительно большую часть земной поверхности, чем материки, то эта проблема составляет важнейшую часть общего учения об атмосферной циркуляции. Пятьдесят лет назад существовали лишь общие представления о том, что именно над океанами в субтропических широтах расположены весьма стабильные барические максимумы, а в умеренных широтах — наиболее глубокие барические минимумы, что те и другие являются центрами действия атмосферной циркуляции, оказывающими решающее влияние на атмосферную циркуляцию на всем земном шаре. Однако действительная структура этих океанических центров и механизм их воздействия на общую циркуляцию атмосферы так же, как и свойства океанических воздушных масс, известны не были. Естественно, что это и стало главным предметом исследования в изучении атмосферной циркуляции над океанами.
Успехам морской метеорологии в этом направлении в высокой степени содействовало происшедшее в 20-х годах решающее изменение во взглядах на строение атмосферы и атмосферную циркуляцию. Такую революцию в метеорологии произвело открытие в тропосфере различных воздушных масс и атмосферных фронтов, разделяющих эти массы, а также учение о возникновении и развитии на атмосферных фронтах циклонических вихревых возмущений. Зародившись в Норвегии (В. Бьеркнес, Т. Бержерон и др.) это учение с воодушевлением было принято советскими метеорологами и получило у нас глубокое дальнейшее развитие. Советскими учеными было установлено среднее положение главных и вторичных атмосферных фронтов над океанами в северном и южном полушарии и пути распространения циклонов, возникающих на этих фронтах (С. П. Хромов, Г. М. Таубер, А. И. Соркина, Н. Г. Давыдова, Ю. А. Романов, В. В. Лукьянов). На основе учения о воздушных массах были установлены границы климатических поясов и климатических областей Мирового океана (Б. П. Алисов, А. И. Соркина). Были исследованы отличительные физические свойства всех океанических воздушных масс, определены районы и условия их формирования (В. М. Бурлуцкая). Изучение структуры поясов высокого давления над океанами показало статистические закономерности появления в этих поясах того или иного количества обособленных антициклонов (В. Д. Бурмистрова).
В многообразной и изменчивой внетропической атмосферной циркуляции над океанами была установлена значительная повторяемость одних и тех же или весьма сходных типов циркуляции (А. И. Соркина); для каждого из найденных типов было построено и проанализировано соответствующее ему поле воздушных течений, выделены области их дивергенции и конвергенции. Исчерпывающему исследованию было подвергнуто среднее поле результирующих ветров и переноса воздушных масс над всеми океанами. На основании надежных эмпирических наблюдений расчетным путем были получены все количественные характеристики поля ветров над океанами: величина и направление результирующего переноса, его устойчивость, дивергенция и завихренность, что и позволило составить для трех океанов карты, содержащие эти характеристики поля ветров, отдельно для каждого из четырех времен года (Ю. А. Романов, Н. А. Романова, Р. В. Абрамов). Для океанологии эти карты имеют особое значение, так как содержат все, что нужно для расчета направления и скорости ветровых течений на поверхности океана.
Для Тихого океана в Институте океанологии АН СССР были проанализированы и обобщены все имеющиеся в науке сведения об атмосферной циркуляции. Результатом этой работы явился один из томов монографии, посвященной Тихому океану («Тихий океан», 1966).
Параллельно с изучением атмосферной циркуляции над океанами в природе советскими учеными разрабатывалась теория атмосферной и океанической циркуляции в их взаимной связи. В. Б. Штокманом было показано, что решающее влияние на океаническую циркуляцию должна оказывать существующая в воздушных течениях над океанами поперечная неравномерность скорости ветра, а также завихренность поля сил пограничного трения между поверхностью океана и воздушными течениями. Теперь дело уже идет к тому, чтобы уравнения движения для океана и атмосферы соединить в одну систему («склеить») и найти их общее решение с помощью электронных счетно-аналитических машин (Д. Л. Лайхтман, Б. А. Каган, С. С. Зилитинкевич).
За полувековую историю развития морская метеорология имеет крупные успехи по всем основным проблемам: в изучении теплового баланса и температурного режима океанов; в исследованиях атмосферной циркуляции над океанами; в изучении физики слоя, пограничного между океаном и атмосферой.
Пройдет еще 50 лет. Можно думать, что в начале XXI столетия, когда в 2017 г. будет отмечаться 100-летие Советской власти, наша наука будет располагать надежными средствами для быстрого и точного расчета всех сил взаимодействия и всех тепловых потоков, связывающих океан с атмосферой, и действенными способами своевременного предвидения изменений атмосферной циркуляции не только над океанами, но и на всем земном шаре.
Можно также надеяться, что не за горами и активное воздействие со стороны человечества на эти процессы с целью существенного улучшения климатических условий на Земле.
—Источник—
Развитие наук о Земле в СССР. М.: Наука, 1967
Автор: В. С. Самойленко
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
