Верхний слой океана – самая динамичная и, в определенном смысле, самая важная его часть. Сверху океан граничит с атмосферой, и в него поступает энергия ветра, верхний слой океана нагревают солнечные лучи. Из-за того, что солнечная энергия в океане быстро рассеивается с глубиной, только в поверхностном слое возможны фотосинтез и высокая биологическая продуктивность. В верхнем слое океана вода переходит в другие состояния: превращается в лед при замерзании и испаряется в атмосферу. В верхнем слое происходит и взаимодействие океана с сушей. С реками и ветром, а также в результате размывания берега с суши в океан поступают огромные объемы различных веществ, в том числе антропогенных загрязнений, отходов деятельности человека. На поверхности океана ходят морские суда, плавают люди, это единственная часть необъятного океана, в которой мы как вид реально присутствуем. Поверхность океана при этом еще и самая изученная его часть из-за наиболее полного покрытия натурными измерениями этой самой доступной для человека зоны и, конечно, благодаря спутниковым наблюдениям.

Океан и атмосфера – две одновременно похожие и непохожие друг на друга субстанции, одна из которых влияет на свойства другой, и наоборот. Их взаимодействие описывается достаточно простой схемой. Из-за того, что атмосфера прозрачна для длинноволновой радиации, то есть для большей части энергии солнечных лучей, непосредственно от Солнца она нагревается очень слабо. В океане же солнечные лучи быстро рассеиваются и сильно нагревают его. Точно так же солнечные лучи нагревают и поверхность суши. Поэтому температура верхнего слоя океана и поверхности суши в среднем гораздо более высокая, чем температура нижнего слоя атмосферы. Океан и суша фактически выступают аккумуляторами тепла, которые вначале нагреваются сами, а потом нагревают атмосферу.

Из-за того, что океан нагревается сверху, он стратифицирован: менее плотные (более теплые и поэтому более легкие) слои в нем, как правило, лежат выше, чем более плотные (более холодные и поэтому более тяжелые). Именно поэтому вертикальные движения в океане достаточно слабые, водные массы почти всегда двигаются по горизонтали. В предыдущих главах мы обсуждали, что в океане есть места, где водные массы достаточно значимо поднимаются или опускаются, но таких мест немного, хотя они очень важны для формирования общей циркуляции в Мировом океане.

Атмосфера же нагревается снизу от океана и суши, подобно воде в кастрюле, которая стоит на плите. Воздух в атмосфере, как и вода в кастрюле, от этого приходит в вертикальное движение. Нагретый нижний слой воздуха поднимается, а более холодные слои воздуха опускаются. Поэтому в атмосфере постоянно поддерживается конвекция, вызванная нагреванием снизу. Плотность атмосферы на несколько порядков меньше, чем плотность океана, поэтому характерные скорости движения в атмосфере (десятки метров в секунду) гораздо выше, чем в океане (десятки сантиметров в секунду). Атмосфера, получая от океана тепло и приходя в активное движение, обратно передает океану динамический импульс. Практически все течения в океане, за исключением приливных, возникают в результате воздействия атмосферы. И течения на маленьком масштабе, такие как волны и нагоны, и крупномасштабные течения вызваны именно влиянием атмосферы.

Итак, океан, который непрозрачен для солнечной радиации, нагревает атмосферу. Легкая и подвижная атмосфера от этого приходит в движение и передает динамический импульс назад в океан, что приводит к движению океана. Таким образом, взаимодействие океана и атмосферы двустороннее, и это образует очень сложную систему связей. Объемная теплоемкость у морской воды достаточно большая, примерно в три тысячи раз больше, чем у воздуха. Поэтому в океане накапливается огромное количество тепловой энергии. При этом непосредственно солнечной энергией нагревается не вся толща океана, а только верхний слой толщиной 100 метров, в котором поглощается 90% приходящей солнечной энергии. И даже этот верхний слой содержит в себе огромное количество тепла, ведь его суммарная теплоемкость в 40 раз больше, чем у всей атмосферы. По этой причине даже небольшие колебания температуры поверхности океана приводят к очень серьезным колебаниям температуры атмосферы. Но происходит это не за счет непосредственного теплообмена между океаном и атмосферой, а за счет испарения.

Испарение – это самый энергетически мощный процесс, который происходит при взаимодействии океана и атмосферы. Энергия, которая затрачивается на испарение одного килограмма воды, равна энергии, которая требуется, чтобы поднять этот килограмм воды на высоту в 250 километров. С поверхности океана за год испаряется примерно один метр воды, а в некоторых районах и того больше – до 3–4 метров. Испарение воды с поверхности океана увеличивает содержание влаги в атмосфере – из-за этого формируются облака, которые потом переходят в осадки, тоже влияющие на свойства поверхности океана. В отсутствие речного стока именно испарение и осадки – самые важные факторы, определяющие повышенную или пониженную соленость океана. Испарение и осадки могут влиять на формирование региональных течений в океане, потому что от солености воды (как и от температуры) зависит ее плотность. Процессы испарения и выпадения осадков формируют круговорот воды в природе, известный каждому из школьного учебника природоведения. При этом большая часть осадков проливается непосредственно в океан, а не на сушу, потому что площадь океана гораздо больше, чем площадь суши. Осадки, которые попадают на сушу, формируют реки и поступают в океан в виде материкового стока.

В полярных областях Мирового океана из морской воды формируется лед, который тоже значительно влияет на взаимодействие океана с атмосферой. Ледяной покров изолирует океан от атмосферы, так как лед (особенно лед, покрытый снегом) очень плохо проводит тепло. Ледяной покров также снижает передачу импульса, ветровой энергии между океаном и атмосферой. Таким образом, лед становится серьезным барьером между океаном и атмосферой, препятствуя передаче энергии и вещества. Именно поэтому циркуляция океана при наличии сплошного ледяного покрова, например в Северном Ледовитом океане, очень отличается от процессов, происходящих на открытой воде.