Динамика вод в Мировом океане
Воды Мирового океана находятся в постоянном движении. Различают два вида движения — волнение и течения.
Волнение — это колебательное движение. Наблюдателю кажется, что волны бегут по поверхности моря, а в действительности движения воды в горизонтальном направлении не происходит. Водная поверхность при волнении колеблется вверх-вниз от среднего уровня, около положения равновесия. Такое же впечатление производит и волнующееся от ветра хлебное поле. Однако форма волны при волнении совершает определенное перемещение, заключающееся в передвижении в пространстве ее профиля вследствие движения частиц воды по замкнутым, почти круговым орбитам.
Всякая волна представляет собой соединенное возвышение и углубление, что хорошо видно в поперечном ее разрезе (рис. 84). Основные части волны: гребень — наиболее высокая часть волны; подошва — наиболее низкая часть волны; склон — профиль между гребнем и подошвой волны. Основные характеристики волны: высота Н — разность уровней гребня и подошвы волны; длина X, —
кратчайшее расстояние по горизонтали между двумя смежными гребнями или подошвами волн; крутизна а — угол между склоном волны и горизонтальной плоскостью. Скорость перемещения формы волны v — расстояние, которое проходит любая точка профиля в единицу времени (м/с). Период волны т — промежуток времени, в течение которого каждая точка волны проходит расстояние, равное длине волны. Длина волны, период и скорость распространения волн связаны уравнением Х=уХт. Направление распространения волны определяется по той стороне горизонта, откуда идет волна. Фронт волны — линия, проходящая вдоль гребней волны перпендикулярно направлению перемещения волнового профиля.
По происхождению различают следующие типы волн: волны трения (ветровые и глубинные), анемобарические, сейсмические, сейши, приливные волны.
Ветровые волны возникают вследствие трения на границе воздуха и воды. Ветер повсюду служит главной причиной возникновения волн. Первоначальная форма ветровых
Направление ветра |
Волновой профиль |
Спокойный уровень |
волн — рябь, возникающая при порывистом ветре со скоростью менее 1 м/с. При ветре со скоростью более 1 м/с образуются сначала мелкие, а при его усилении и крупные гравитационные волны. Помимо скорости ветра, их возникновению способствует продолжительность ветров и величина акватории. На первых порах эти волны двухмерные — имеют длину и высоту, идут валами, а фронт волны достигает большой протяженности. Но поскольку ветер дует порывисто, меняя скорость и направление, то правильность движения волн нарушается, они становятся беспорядочными, накладываются друг на друга, местами увеличивая свою высоту, местами гася ее, и в конечном счете становятся трехмерными. Под шириной трехмерных волн понимается длина гребня волны, которая невелика ввиду того, что ложбины образуются не только впереди и позади волн, но и по сторонам от гребней. Такие волны обычно высокие и крутые, а по форме пирамидальные. Подобные волны, получившие название толчея, присущи центральным областям циклонов, где волны разных размеров направлены навстречу друг другу, и море буквально «кипит». Трехмерные волны весьма неприятны для моряков, так как качка кораблей становится одновременно и килевой, и боковой. Хорошими мореходными качествами обладают катамараны — судна с двумя параллельно расположенными корпусами, соединенными в верхней части. Волнение в море оценивают по девятибалльной системе.
Наибольшую повторяемость в Мировом океане имеют волны высотой менее 2 м. Но в штормовых областях, которыми являются северные части Тихого и Атлантического океанов и особенно сплошное водное кольцо к югу от 40° ю. ш. (так называемые сороковые «ревущие широты»), высота волн в течение всего года превышает 3 м. В антарктических водах зарегистрирована волна высотой около 30 м.
Когда ветер стихает, волнение приобретает характер зыби — волнения по инерции. У таких волн небольшая высота при очень большой длине (сотни метров), и в открытом океане они незаметны. Но при встрече отли-
Рис. 84. Форма свободной волны (А. — длина волны, п — высота волны)
ва с зыбью, идущей со стороны моря, близ берегов возникает толчея опасных пирамидальных волн, называемая сулой.
При сильных ветрах гребень волны может запрокидываться, образуя белые барашки из пены — пузырьков воздуха. Особенно существенные деформации приобретает форма волны близ берегов на мелководьях: из-за трения о дно длина волн уменьшается, а высота и крутизна возрастают, гребень волны запрокидывается, и часть воды получает поступательное движение. Это явление называется прибой. В случае подводных возвышений на расстоянии 1 —2 км от берега разрушение волны происходит в море (бурун) и вплоть до берега вода обладает поступательным движением со скоростью до 15—20 км/ч. Катания на бурунах в лодках-плоскодонках или на досках — особый вид спорта. Пенистый вал при бурунах служит предупреждением морякам о наличии отмелей и рифов.
У глубоких крутых берегов волна разрушается иначе, чем на мелководьях. Она ударяется о высокий берег, происходит взброс воды на высоту 50—60 м, и от колоссальной силы удара скалы разрушаются. На побережьях таких морей у портов сооружают специальные волнорезы, рассчитанные на сверхмаксимальное давление волн (у берегов Шотландии — 37 т/м2, в проливе Ла-Манш у берегов Франции — 60 т/м2). От штормовых волн, вторгающихся на низменную сушу, страдает население многих стран Центральной Америки, Японии, Европы и других регионов. В декабре 1999 г. на побережье Дании они были самыми разрушительными в XX столетии. Положительное значение волнения в том, что волны перемешивают воду, занося в ее толщу до глубины 100—200 м тепло и кислород и вынося на поверхность питательные вещества. Попытки использовать энергию волн пока не выходили за пределы экспериментов.
Ветром обусловливаются и долгопериодич-ные колебания воды в прибрежной зоне — ветровые сгоны и нагоны. Сгоны возникают
при ветрах, устойчиво дующих от берега, нагоны, наоборот, — к берегу. В первом случае уровень моря устойчиво падает на тот период, пока дует ветер с суши, во втором, наоборот, повышается, вызывая затопление прибрежных территорий. Сгоны и нагоны могут быть устойчивыми, например в зонах постоянно дующих пассатов, или временными, возникающими только при благоприятных синоптических условиях, например при прохождении циклонов.
Глубинные (внутренние) волны возникают на границах двух слоев воды с разными свойствами (соленость, температура, плотность). Они часто возникают в проливах, где два этажа течений (например, в Босфоре), близ устьев рек, у кромки тающих льдов. Такие волны способствуют перемешиванию вод океана, но они небезопасны. Поэтому эти волны привлекают внимание не только ученых-океанологов, но и гидробиологов, гидроакустиков, гидростроителей, специалистов по буровым установкам, подводников, капитанов крупных океанских лайнеров с глубокой осадкой и др.
Анемобарические волны возникают в связи с быстрым изменением атмосферного давления в местах прохождения циклонов, особенно тропических. Обычно они одиночные, вред их в море невелик, поскольку вспучивание водной поверхности составляет около 1 м. Но на низких побережьях они вызывают катастрофические наводнения, так как высота их на мелководье увеличивается, достигая нескольких метров, и вода проникает в глубь суши на десятки километров. Эти волны особенно опасны, когда совпадают с высоким приливом, как это случилось в 1953 г. в Голландии. Барическая волна десятиметровой высоты прорвала знаменитые дамбы, отделяющие страну от моря, затопила 2,5 тыс. км2, в результате чего погибло около 1500 человек, было разрушено 150 тыс. домов. Таким наводнениям часто подвергаются Антильские острова, полуостров Флорида, побережья Китая, Индии, Японии.
Сейсмические волны, или цунами, — это волны, вызываемые подводными и прибрежными землетрясениями силой более 6 баллов и неглубоким (до 40 км) расположением их очагов, а также извержениями вулканов. В океане они почти неощутимы, поскольку высота их менее 1 м, а длина до 600 км. Однако у них огромная скорость распространения — 400—800 км/ч. Высота цунами у побережий достигает 10 — 20 м, в исключительных случаях в узких заливах — до 35 м, и к побережью волны подходят группами. Сначала перед цунами море отступает на сотни метров, оставляя на мелководьях рыбу, крабов, моллюсков и прочую живность, а потом волны с
огромной скоростью с интервалом 15 — 20 мин «набрасываются» на побережье, разрушая все на своем пути и выбрасывая на берег суда. Самые активные зоны зарождения цунами связаны с сейсмическим поясом Тихого океана. Последнее, самое крупное цунами сейсмического происхождения, с которым связаны катастрофические бедствия, произошло в 1960 г. у берегов Чили. А одно из самых сильных цунами вулканического происхождения случилось в 1883 г. при извержении вулкана Кракатау в Зондском проливе. Высота волн достигала 30 м, и многие близлежащие острова оказались под водой. В настоящее время существует специальная служба оповещения о цунами, центр которой находится на Гавайских островах. Корабли спасаются от цунами, выходя в открытый океан.
Сейши — это стоячие волны, которые возникают в заливах и внутренних морях под влиянием резкого нарушения равновесия вод из-за колебания давления, обильных осадков в одной части акватории, быстрой смены направления или скорости ветра. При этом наблюдаются вертикальные колебания уровен-ной поверхности: в одном месте вода опускается, в другом — поднимается, а линию, вдоль которой колебаний не происходит, называют узловой.
Приливные волны проявляются в периодических колебаниях уровня моря и горизонтальном поступательном движении воды в форме приливных течений в прибрежных частях океанов. Закономерное периодическое повышение уровня моря от наинизшего положения (малая вода) до наивысшего (полная вода) — это прилив, а от полной до малой воды — отлив. Разность уровней полной и малой воды называют величиной прилива. Ее не следует отождествлять с высотой прилива, которую понимают как положение уровня в данный момент над средним уровнем, принятым за нуль. В открытом океане величина приливов не превышает одного метра, хотя колебания наблюдаются от поверхности до дна. У побережий картина приливов усложняется под влиянием конфигурации берега, рельефа дна, глубины и т. д. На отмелых берегах полосу, осушаемую во время отлива, называют осушкой. У приглубых берегов ее нет, там лишь наблюдается вертикальное колебание уровня воды. Наибольшая величина прилива отмечена на атлантическом побережье Северной Америки — в заливе Фанди, у полуострова Новая Шотландия. В порту Сент-Джон она достигает 16,6 м (по расчетам, может быть до 18 м). Это объясняется конфигурацией залива: сужением его от устья, где ширина 90 км, в глубь суши и постепенным уменьшением глубины от 208 м в том же направлении. При-
ливная волна, входя в залив, стесняемая берегами и дном, постепенно деформируется, увеличиваясь в высоту. В России максимальная величина прилива 12,9 м отмечена в заливе Шелихова.
Приливные волны заходят в реки на десятки — сотни километров вверх по течению. Крутую приливную волну, бегущую вверх по реке, называют бор. На реке Амазонке она достигает высоты 5 м и ощущается на расстоянии 1400 км от устья; на реке Святого Лаврентия — 700 км; на реке Северная Двина — 120 км. С приливной волной океанские суда заходят в реки в глубь материков, например по Темзе, Сене и др. Но при большой высоте и скорости перемещения бор может быть опасен для судов.
Морские течения — горизонтальные поступательные движения водных масс в океанах и морях, характеризующиеся определенным направлением и скоростью. Они достигают нескольких тысяч километров в длину, десятков — сотен километров в ширину, сотен метров в глубину. Вода морских течений отличается от окружающей по температуре, солености, цвету и другим физико-химическим свойствам.
Широко распространенное сравнение морских течений с «реками в жидких берегах» неудачно. Во-первых, потому, что в реках вода движется вниз по уклону русла, а морские течения под действием ветров могут перемещаться вопреки уклону уровенной поверхности. Во-вторых, у морских течений меньше скорость движения воды, в среднем 1—3 км/ч. В-третьих, течения многоструйны и многослойны и по обе стороны от осевой зоны представляют собой систему водоворотов циклонического или антициклонического знака разных масштабов, существующих от нескольких месяцев до нескольких лет. С вихрями циклонического знака связан подъем биогенных веществ в поверхностную фотическую зону, антициклонического знака — поступление кислорода в глубь океана.
Морские течения классифицируют по ряду признаков.
По продолжительности существования (устойчивости) выделяют постоянные, периодические и временные течения. Постоянные течения наблюдаются в одних и тех же районах океана, характеризуются одним генеральным направлением, более или менее постоянной скоростью и устойчивыми среднемноголетними физико-химическими свойствами переносимых водных масс, хотя и изменяющимися характеристиками от сезона к сезону (например, Северное и Южное пассатные, Гольфстрим, Западный дрейф и др.). У периодических течений направление, ско-
рость, температура и другие свойства подчиняются периодическим закономерностям. Они наблюдаются в определенной последовательности через равные промежутки времени (например, летние и зимние муссонные течения в северной части Индийского океана или при-ливно-отливные течения). Временные течения — эпизодические, их вызывают непостоянно действующие факторы, чаще всего ветры.
Из классификаций по физико-химическим свойствам наиболее важная по температурному признаку — теплые, холодные и нейтральные течения. Это деление носит условный характер, оно основано не на абсолютной, а на относительной температуре воды. Теплые течения имеют температуру воды выше, чем окружающая вода, холодные — наоборот. Например, Мурманское течение с температурой 2—3 °С среди вод с температурой О °С считается теплым, а Канарское течение с температурой 15—16°С среди вод с температурой около 20 °С — холодным. Нейтральные течения имеют температуру воды, близкую к температуре окружающей воды, как, например, экваториальные противотечения. Холодные течения имеют, как правило, направление от полюсов в сторону экватора, теплые — от экватора в сторону полюсов. Исключение составляет холодное летнее Сомалийское течение, направленное от экватора на север. Нейтральные течения ориентированы субширотно.
По солености бывают опресненные течения (например, Лабрадорское) и осоло-ненные (например, Норвежское).
По глубине расположения в толще воды различают течения поверхностные (обычно до глубины 200 м), подповерхностные, которые, как правило, имеют направление, противоположное поверхностному (например, под южными пассатными течениями экваториальные противотечения: Кромвел-ла в Тихом океане, Ломоносова в Атлантическом, Тареева в Индийском), глубинные, придонные. Последние регулируют обмен между полярными-субполярными и экваториально-тропическими широтами. Особенно четко выражены придонные течения вблизи Антарктиды, откуда они «спускаются» по материковому склону, оставляя на дне промоины и следы струйчатости, и доходят затем вплоть до экватора.
По происхождению течения об ъединя-ют в четыре группы: фрикционные (дрейфовые и ветровые), градиентно-гравитационные, приливные, инерционные. Фрикционные течения образуются при участии сил трения: дрейфовые возникают под влиянием постоянных ветров, ветровые вызваны сезонными ветрами. Среди градиентно-гравитационных течений
наиболее важны стоковые течения, которые образуются в результате наклона водной поверхности, вызванного избытком вод, притекающих из других районов океана, речных вод и обильных осадков, и компенсационные течения, которые возникают вследствие нарушения равновесия из-за оттока вод в другой район, скудных осадков, незначительного речного стока. Инерционные течения наблюдаются после прекращения действия возбуждающих их факторов.
Высокое давление ) |
-------- ^- холодные течения Рис. 85. Схема течений Мирового океана |
В настоящее время установлена определенная система течений океана, обусловленная прежде всего общей циркуляцией атмосферы (рис. 85). Схема их такова. В каждом полушарии по обе стороны от термического экватора существуют большие круговороты течений вокруг постоянных субтропических барических максимумов: по часовой стрелке — в северном полушарии, против часовой — в южном. Между ними выявлены экваториальные межпассатные противотечения с запада на восток. В умеренных — субполярных широтах северного полушария наблюдаются малые кольца течений вокруг барических минимумов против часовой стрелки, а в южном полушарии — циркумполярное тече-
ние с запада на восток в 40 — 50-х широтах вокруг Антарктиды.
Наиболее устойчивыми являются Северные и Южные пассатные течения по обе стороны от экватора в Тихом, Атлантическом океанах и в южном полушарии Индийского океана, «перекачивающие» воду с востока на запад. У восточных берегов материков в тропических широтах характерны теплые сточные течения: Гольфстрим, Куросио, Бразильское, Мозамбикское, Мадагаскарское, Восточно-Австралийское. Эти течения — аналоги не только по происхождению, но и по физико-химическим свойствам вод.
В умеренных широтах под действием постоянных западных ветров существуют теплые Северо-Атлантическое и Северо-Тихооке-анское течения в северном полушарии и холодное (нейтральное) течение Западных ветров, или Западный дрейф, — в южном. Это мощное течение образует кольцо в Южном океане вокруг Антарктиды. Замыкают большие круговороты холодные компенсационные течения-аналоги вдоль западных берегов материков в субтропических широтах: Калифорнийское, Канарское — в северном и Перуанское, Бенгельское, Западно-Австралийское — в южном полушарии.
В малых кольцах течений следует отметить теплое Норвежское течение в Арктике и холодное Лабрадорское в Атлантике по периферии Исландского минимума и аналогичные им теплое Аляскинское и холодное Курильское (Курило-Камчатское) — в Тихом океане по периферии Алеутского минимума.
В северной части Индийского океана мус-сонная циркуляция порождает сезонные ветровые течения: Зимнее муссонное — с востока на запад и Летнее муссонное — с запада на восток. Летом здесь еще хорошо выражено Сомалийское течение — единственное холодное течение, устремляющееся от экватора. Оно связано с юго-западным муссоном, отгоняющим воду от берегов Африки у полуострова Сомали и вызывающим тем самым подъем холодных глубинных вод (зона прибрежного апвеллинга).
В Северном Ледовитом океане главное направление движения поверхностных вод и дрейф льдов происходят с востока на запад через весь океан (Трансарктическое течение) от Новосибирских островов в Гренландское море. Оно вызвано рядом причин: во-первых, обильным речным стоком сибирских рек, во-вторых, вращательным антициклоническим движением (по часовой стрелке) над обширным барическим максимумом в Американо-Азиатском секторе Арктики, в-третьих, вращательным циклоническим движением (против часовой стрелки) в местных зимних
барических минимумах над Баренцевым и Карским арктическими морями. Под влиянием течений и ветров происходит дрейф льдов вдоль устойчивой Арктической полыньи, проходящей от Новосибирских островов почти через Северный полюс над котловиной Амундсена и далее к проливу между Гренландией и архипелагом Шпицберген в Гренландское море. Именно там заканчивали свое существование научно-исследовательские станции «Северный полюс» (СП), начиная с СП-1 — героической четверки папанинцев (1937—1938). Пополняется Арктика водами из Атлантики в виде Нордкапского, Мурманского, Шпицбергенского и Новоземельского течений. Воды двух последних течений более соленые, а потому более плотные и погружаются под лед.
Значение морских течений для климата и природы Земли в целом и особенно прибрежных районов очень велико. Морские течения наряду с воздушными массами осуществляют перенос тепла и холода между широтами. Теплые и холодные течения во всех климатических поясах поддерживают температурные различия западных и восточных побережий материков, нарушают зональное распределение температуры (например, за Северным полярным кругом на широте 70° находится незамерзающий Мурманский порт, а на побережье Северной Америки к северу от Нью-Йорка даже на широтах 45° зимние температуры воды и воздуха отрицательны).
Течения оказывают влияние и на количество осадков. Теплые течения способствуют развитию конвекции и выпадению осадков. Космонавты отмечают характерные облачные образования, сопровождающие теплые течения на всем их протяжении. Холодные течения, ослабляя вертикальный обмен воздушных масс, уменьшают возможность выпадения осадков. Поэтому территории, омываемые теплыми течениями и находящиеся под влиянием воздушных потоков с их стороны, имеют влажный климат, а территории, омываемые холодными течениями, — сухой.
Течения создают термические аномалии, которые, в свою очередь, сказываются на распределении атмосферного давления, циркуляции атмосферы и погодных условиях. Особенно значительная положительная температурная аномалия (до +28 °С) наблюдается зимой на севере Атлантики и над Норвежским морем над теплыми течениями: Северо-Атлантическим, Ирмингера и Норвежским. Она поддерживает существование и определяет конфигурацию Исландского барического динамического минимума с ложбиной над Баренцевым морем, над теплыми Норвежским и Мурманским ветвями течений. Вдоль осей теплых течений движутся серии циклонов, определяя погодные условия акваторий и прибрежных территорий. Аналогичная, но меньшая по величине и значению термическая аномалия на севере Тихого океана способствует формированию в зимний сезон Алеутского барического минимума над Северо-Тихоокеанским и Аляскинским течениями. В местах встречи теплых и холодных течений обычны туманы, сплошная облачность и моросящие осадки из слоистых облаков, там происходит рождение циклонов.
Морские течения способствуют перемешиванию воды и осуществляют перенос питательных веществ и газовый обмен, с их помощью осуществляется миграция растений и животных. Изменчивость морских течений во времени и смещение их в пространстве влияет на биологическую продуктивность океанов и морей.
Течения играли большую роль в судоходстве в эпоху парусного флота. Их учитывают при мореплавании и сейчас. Так, с Лабрадорским течением связан вынос гренландских айсбергов в умеренные широты Атлантики, где проходит оживленная морская трасса. А это к тому же район штормов и частых плотных туманов. Общеизвестна трагическая гибель в этих водах лайнера «Титаник» в 1912 г. Теперь существует международный ледовый патруль с использованием спутниковой информации и капитаны кораблей заблаговременно оповещаются о движении айсбергов.
Дата добавления: 2016-02-02; просмотров: 1165;