Слой холодной воды, лежащий между верхним и нижним слоями более теплой воды, называется холодным промежуточным слоем, а глубинный слой с повышенной температурой — теплым промежуточным слоем. В умеренных широтах и приполярных районах эти слои появляются в результате зимнего охлаждения и особенно заметны весной и ранним летом, когда вода не успела прогреться, а холодные зимние воды опустились на глубину.
Холодный промежуточный слой может исчезнуть или сохраниться до следующей зимы, в зависимости от того, каким было охлаждение. Каких величин достигает охлаждение в этом слое? В северной части Черного моря вдали от берегов — 6–8°, в Охотском море — 1,6–1,8 °C, что соответствует температуре замерзания морской воды.
Холодный и теплый промежуточный слои могут возникнуть и по другой причине — благодаря приносу вод (в горизонтальном направлении) из других районов с иными температурами и соленостью. Характерный пример — поступление теплых атлантических вод в Северный Ледовитый океан.
Слой воды с большими изменениями температуры по вертикали (градиентами) в океанологии называют слоем скачка. Условно принято считать слоем скачка в океане градиент, равный 0,1° на 1 м. В действительности наблюдаются и значительно большие градиенты. Так, к востоку от Японии с помощью батискафа были обнаружены слои с температурами, отличающимися друг от друга на несколько градусов. Они непосредственно соприкасались между собой без промежуточного слоя скачка. Это явление замечает и каждый купающийся в море — теплая вода поверхности немного глубже подстилается очень холодной.
В зависимости от времени (сезона, суток) температура воды в океанах также сильно изменяется, в особенности в верхних слоях, которые по аналогии с атмосферой принято называть тропосферой, и меньше в нижних слоях — стратосфере. Колебания температуры зависят от соответствующих изменений количества тепла, поступающего из атмосферы и притока вод другой температуры со стороны или снизу. Основной источник прихода тепла — это Солнце, поэтому в колебаниях температур наблюдается суточный и годовой ход. Суточный и годовой ход имеют обычно форму, близкую к синусоиде; это особенно заметно при осреднении данных. Но за конкретные сутки или годы под влиянием дополнительных причин температуры могут отличаться от главного синусоидального хода. Наибольшей величины температура достигает через 2,5–3 часа после полудня и наименьшей — перед восходом Солнца. Разница между максимальной и минимальной температурами в пределах суток на поверхности в среднем очень мала — 0,5 °C, хотя иногда может достигать и нескольких градусов. Размах колебаний температуры в открытом океане зависит от времени года, географической широты, облачности, ветра.
Сезонные изменения температуры (годовой ход) обусловлены главным образом соотношением составляющих теплового баланса, так как зимой море теряет тепло, а летом аккумулирует. Самые высокие температуры на поверхности океанов в северном полушарии приходятся на сентябрь или вторую половину августа, а в южном — на февраль-март. Это — так называемое гидрологическое лето. Самые низкие температуры в северном полушарии наблюдаются в феврале-марте и в южном — в августе-сентябре. Изменения температур в течение года гораздо большие, чем за сутки, — наименьшие они в приэкваториальной зоне, наибольшие — в районах около 40° с. ш. и 30° ю. ш. Самые большие годовые колебания, объясняющиеся влиянием теплых и холодных течений, замечены у берегов Северной Америки и к востоку от Японии.
Колебания температуры воды на ее поверхности быстро угасают — они незаметны уже на глубинах более 25–30 м, и лишь если существует мощный однородный слой, их можно заметить глубже. Максимум в последнем случае запаздывает по сравнению с поверхностным на несколько часов.
Годовые колебания распространяются гораздо глубже, достигая 400–500 м, и также уменьшаются. От года к году изменения температуры колеблются — меньше всего в тропиках (до 1 °C), увеличиваясь к северу и югу от них и вновь уменьшаясь в высоких широтах, особенно в ледовитых районах.
Океан оказывает очень большое влияние на климат материков. В холодное время года в Европу тепло приносят юго-западные ветры. Многие исследования были посвящены влиянию Гольфстрима на климат Европы. Когда тепло Гольфстрима (и его продолжения — Северо-Атлантического течения) концентрируется в его середине, зима в Европе холодная. Но если Гольфстрим теплее в северной части, в Европе теплая зима, а в Гренландии — холодная. К этому выводу пришел шведский ученый В. Сандстрем. Он предположил, что влияние тепла Гольфстрима не непосредственное, а через атмосферу — над теплой водной поверхностью увеличивается барическая депрессия и, в зависимости от того, севернее или южнее это происходит, возникают холодные или теплые ветры. Теория Сандстрема не общепризнанна, хотя и верна в принципе. Дело в том, что остаются неясными еще многие явления. В частности, по Сандстрему, потепление вод Гольфстрима должно сменяться похолоданием, затем следует новая волна потепления; промежуток времени добегания гребня или подошвы волны «потепление — похолодание» от Флоридского пролива до северо-западных берегов Норвегии составляет 3–4 года. Но в действительности оказалось, что это не так.
С 20-х годов нашего столетия в Арктике было длительное потепление. Заметно повысилась температура воздуха и воды, отступила к северу кромка льда, интенсивно таяли ледники; в воды Шпицбергена пришли косяки рыб, обычно встречающиеся в Норвежском море. Замечательное явление потепления Арктики, продолжавшееся примерно полтора десятилетия, по-видимому, объясняется общим усилением атмосферной циркуляции на всем Земном шаре — в областях высокого давления оно стало еще выше, а в областях низкого — еще ниже. Это, в частности, усилило юго-западные ветры в Норвежском море и, соответственно, большим стал приток теплых вод в Арктику. На климат Дальнего Востока оказывает влияние теплое течение Куросио. Во многом схожее с Гольфстримом, оно, однако, не переносит на север такого же огромного количества тепла. Во всяком случае, его влияние на климат Канады во много раз меньше, чем Гольфстрима на климат Северной Европы.
Взаимодействие океанов и материков отчетливо проявляется в действии ветров — муссонов и бризов. Муссоны — это устойчивые воздушные течения, дующие летом с более нагретого моря на сушу, а зимой — с более холодного материка в сторону моря.
Бризы меняют свое направление 2 раза в сутки: днем дуют с моря, ночью — с суши. Муссоны и бризы — явления, подобные друг другу, но различные по масштабу. В свою очередь, и материки оказывают влияние на океан, как правило, через атмосферу, что видно на примере образования муссонов и бризов. В частности, дальневосточный муссон определяет суровость зим в морях нашего Дальнего Востока: Японского, Берингова и Охотского.
При исследовании термического режима океанов и морей важно изучить пространственное распределение температуры (по вертикали и горизонтали) на обширных пространствах и ее изменения (на полигонах), слой скачка, фронты, вертикальные движения вод. С этой целью организуется густая сеть буйковых станций, используются искусственные спутники Земли.
К практическому освоению тепловой энергии океанов и морей относится также возможность получения электроэнергии. Эти работы были начаты во Франции в 1928 г. Принцип их состоял в использовании значительной разности температур воды тропических морей, где на поверхности температуры равны 25–30°, а на глубине 250–300 м — лишь около 5 °C. Таким образом, на поверхности находится естественный нагреватель, а на глубине — холодильник. Эти слои соединяются трубкой; рабочее вещество, преобразующее энергию, — морская вода, кипящая в вакууме при температуре 25 °C. Правда, коэффициент полезного действия такой электростанции мал. Однако построенный в Абиджане завод стабильно давал энергию, так как разность температур здесь устойчива. К тому же, одновременно выделялась пресная вода, выпаривались ценные соли. Проект по своей идее и осуществлению в целом признан перспективным. Он может быть также перенесен совсем в иные условия, а именно — в северные моря. Только здесь нагревателем будет служить вода подо льдом (с температурами около 0 °C), а холодильником — внешний, очень холодный воздух. Быть может, проблема борьбы со льдами будет решена с помощью тепла глубинных вод, лежащих под ними. Но это дело будущего, равно как и проблема использования термической энергии океанических течений для улучшения климата.