3. Динаміка в атмосфері і гідросфері.
В.В.Шулейкін ще в 30-х роках ХХ ст. сформулював поняття географічної теплової машини для пояснення процесів теплопереносу та механічних явищ Світового океану та взаємодії океану з атмосферою.
Географічна теплова машина – це термодинамічна система, в якій внаслідок різниці температури нагрівача і холодильника відбувається рух, тобто здійснюється робота й теплоперенос від нагрівача до холодильника.
робота
нагрівач
холодильник
Нагрівачем теплової машини є та її частина, що отримує тепло ззовні. Наприклад, земна поверхня, що отримує сонячну радіацію є нагрівачем ГО.
Холодильником теплової машини є та її частина, що віддає тепло в зовнішнє середовище. Наприклад, земна атмосфера.
Нагрівач та холодильник теплової машини пов’язані односпрямованим переносом тепла.
У природі спостерігається взаємодія кількох, навіть багатьох, теплових машин. При цьому холодильник однієї є нагрівачем іншої і т.д.
Ознакою географічних теплових машин є:
просторова структура;
поєднання різних форм переносу енергії (теплової, механічної, внутрішньої енергії водяної пари, таненні або утворенні твердих атмосферних опадів);
циклічність рухів у ГО через вплив сили Коріоліса;
односпрямований характер потоку енергії при замкненому рухові теплоносія.
Найпотужнішою є географічна теплова машина першого роду – термодинамічна система “Екватор-полюси”, що працює цілорічно. Тут різниця температур постійно підтримується внаслідок нерівномірного надходження сонячної радіації.
Крім того, відбувається взаємодія між літньою і зимовою півкулями і повітря з холодної півкуля перетікає в теплу, утворюючи екваторіальний мусон.
Географічна теплова машина другого роду утворена внаслідок відмінностей в нагріванні океану і материків. Вона має інверсійних характер (бризи, мусони).
Влітку, коли океан прохолодніший за суходіл, з океану на сушу переноситься вологе повітря. Внаслідок конденсації вологи вивільняється теплота і т.ч. функціонує “теплова помпа”.
Взимку суходіл холодніший за океан і вітер дме в бік океану. А тепло переноситься в бік океану через верхню частину замкненої системи циркуляції за схемою фену (тобто повітря над океаном підіймається і водночас охолоджується за вологоадіабатичним законом, а опускаючись на поверхню суходолу, нагрівається за сухоадіабатичним законом). Отже, потік тепла спрямований з океану на суходіл. Завдяки цьому підсилюється циклонічна діяльність на західних і мусонна циркуляція на східних окраїнах континентів в межах від субтропічного до субарктичного поясів.
Географічна теплова машина третього роду утворюється циклонічними та антициклонічними кільцями течій Світового океану. За приклад може служити замкнене кільце в Саргасовому морі, що утворене течіями: Північною Пасатною, Гольфстрімом, Західних вітрів та Канарською. Рух відбувається за годинниковою стрілкою (антициклон). Нагрівачем цієї теплової машини є Канарська течія, а також східна частина Північної Пасатної, вода яких захоплює тепло ззовні і за рахунок цього нагрівається. За холодильник править Гольфстрім і Північноатлантична течії, що віддають тепло в довколишнє середовище.
Географічна теплова машина четвертого роду. Тепло переноситься від земної поверхні вгору в атмосферу. Відомо, що атмосфера холодніша за земну поверхню. Але різниця температур може бути й від’ємною (наприклад, в Сибіру, де вихолоджування поверхні таке суттєве, що тропосферне повітря тепліше). Якщо спадання температури з висотою перевищує адіабатичний градієнт, то стовп повітря стає стійким і теплова машина не діє. А якщо температура спадає з висотою менше за адіабатичний градієнт, виникає неврівноваженість стовпа повітря і відбувається вертикальна циркуляція.
Географічна теплова машина п’ятого роду – це тропічний ураган (циклон жаркого поясу).
Географічна теплова машина шостого роду. Це синоптичні вихори в океані. Вони впливають на теплообмін океану з атмосферою.
Океанська циркуляція.
Переміщення води в океані складається з рухів і кругообігів різних просторових і часових масштабів. Періоди рухів коливаються від секунд до сотень років, а просторові масштаби течій від мм до тисяч кілометрів. Разом це турбулентність, хвилі (поверхневі і внутрішні, припливи і відпливи, океанські меандри, ринги, течії...).
Відповідно до зонального розподілу сонячної радіації в атмосфері і в океані створюються однотипні і генетично пов’язані циркуляційні системи. Океан отримує механічну енергію з атмосфери завдяки вітровому тертю об поверхню води і це є важливим фактором виникнення океанічної циркуляції.
Виникненню течій сприяють також розподіл температури і ‰. Води з більшою густиною опускаються, що призводить до вертикального перемішування, а пізніше і до горизонтального перенесення.
На глибині система течій відрізняється від поверхневої. В багатьох випадках на глибині сотень метрів спостерігаються протитечії, спрямовані у протилежний бік від поверхневих.