ДИНАМІКА ВОД СВІТОВОГО ОКЕАНУ

Хвилювання в океанах і морях

Повного спокою в океані не буває. У результаті дії різних природних сил на води океанів і морів виникають коливальні (хвильові) і поступальні рухи (течії) часток води. Поширення коливальних часток у морській воді називається хвильовим рухом або хвилями. Морські хвилі являють собою періодичні коливання навколо положення своєї рівноваги.

Морські хвилі за походженням бувають:

- вітрові – викликані вітром;

- припливно-відпливні – виникають під дією гравітаційних сил

Місяця та Сонця;

- анемобаричні – з’являються зі зміною атмосферного тиску;

- сейсмічні (цунамі), що виникають у результаті динамічних

процесів у земній корі (землетруси, вулканічні виверження);

- корабельні – утворюються під час руху корабля.

За формою хвилі розрізняють на поступальні (хвилі, в яких спостерігається видиме переміщення хвилі) і стоячі (сейші), у яких такого переміщення не буває. Найбільш простий вид сейші виникає тоді, коли рівень води піднімається біля одного краю водойми і одночасно знижується біля іншого. При цьому вздовж його середини частки води вертикально не переміщаються. Це місце називають вузлом сейші. Сейші бувають двовузлові, тривузлові тощо. Виникають вони за різними причинами. Наприклад, під час згону та нагону води. Коли із зупиненням вітру в басейні починається коливання рівня у вигляді стоячих хвиль. У невеликих басейнах сейші можуть виникати під час проходження кораблів.

За розміщенням у потоці хвилі поділяють на поверхневі хвилі, що утворюються на поверхні моря; внутрішні, що виникають на деякій глибині і майже не проявляються на поверхні.

По співвідношенню довжини хвилі і глибини моря хвилі поділяють на короткі ( у яких довжина хвилі менше глибини моря) і довгі ( у яких довжина хвилі більша глибини моря).

У морських хвилях розрізняють такі елементи:

- гребінь хвилі – найвища точка хвильового профілю;

- підошва хвилі – найнижча точка хвильового профілю;

- висота хвилі – відстань по вертикалі від підошви до гребня

хвилі;

- довжина хвилі – відстань по горизонталі між двома гребенями

послідовних хвиль ( чи між двома послідовно розміщеними найнижчими точками в напрямку розходження хвиль);

- крутість – відношення висоти хвилі до її довжини;

- період – проміжок часу між проходженням двох суміжних

гребенів хвиль через одну і ту саму фіксовану точку; визначають і як проміжок часу, за який хвиля проходить свою довжину;

- фронт – лінія, яка проходить уздовж гребеня хвилі і перпен-

дикулярна до напрямку переміщення хвиль;

- хвильовий промінь – лінія, яка перпендикулярна до фронту

хвилі;

- напрямок поширення – це кут між північним напрямом маг-

нітної стрілки і напрямом руху хвилі.

За формою хвилі поділяються на двомірні і тримірні. Двомірні хвилі мають значну протяжність гребеня, в багато разів довшу за довжину хвилі і являють собою чітко розрізнені довгі хвилі, що йдуть одна за одною. Тримірні хвилі не утворюють паралельних валів і мають довжину гребеня, яка відповідає довжині хвилі. Гребень і підошва тримірної хвилі розташовані без визначеної системи, частіш за все у шахматному порядку.

Вітрові хвилі – це складні тримірні коливальні рухи водної поверхні, викликані вітром, утворюються внаслідок переносу енергії від атмосфери до води. Розміри океанічної хвилі залежать від швидкості, тривалості вітру, а також від просторів, на яких діє вітер. Як наслідок, на поверхні води навіть при швидкості вітру 1 м/с утворюються маленькі хвилі висотою, яка вимірюється в міліметрах, та довжиною в сантиметрах. Ці хвилі мають вигляд рябизни. Оскільки існування таких хвиль пов’язане з поверхневим натягом, їх називають капілярними.

Якщо вітер проходить над поверхнею короткочасним поривом, то утворені ним плями рябизни зникають із затуханням вітру. Якщо вітер стійкий, то капілярні хвилі, інтерферуючи, збільшуються за розмірами перш за все по довжині. Ріст хвиль приводить до їх об’єднання у групи та подовження їх до декількох метрів. Хвилі стають гравітаційними. При подальшому посиленні вітру вода зазнає не тільки тертя, а й ударів повітря в навітряні схили хвиль.

Якщо гребні та підошви розташовуються паралельно і на рівній відстані одне від одного, то утворюються правильні (двомірні) хвилі. А коли водночас існують декілька систем хвиль, то це буде неправильне тримірне хвилювання. Величезні площі сильного хвилювання розташовані в помірних широтах (“ревучі сорокові”). Значні хвилювання часті в океанічному кільці південної півкулі, в районах квазістаціонарних атмосферних фронтів. Найдовші хвилі (близько 800 м) спостерігаються біля південних берегів Британських островів і в екваторіальній частині Атлантичного океану, найвищі (3-4 м) посередині північної частини Тихого океану. Гігантські хвилі спостерігаються також біля південних берегів Африки.

Під час швидкої зміни напрямку вітру, наприклад, у циклоні, зіштовхуються хвилі, які надходять з різних сторін, і утворюють особливий вигляд хвилювання — товкотнеча.

Трансформація хвиль відбувається також і під час надходження їх до берега. Коли хвилі надходять до мілководдя, то тертя об дно знижує швидкість їх руху, збільшується висота і крутизна. У берегів це приводить до виникнення прибою. Прибій — це пінисті вали, які утворюються під час набігання хвиль на пологий берег.

При пологому дні і крутому високому березі гребінь ударяє в берег, і вода скидається вгору, утворюється скид.

Якщо неподалік від урізу води на дні є гряда з меншими глибинами (наприклад, рифи), то хвиля, не доходячи до урізу, руйнується і утворює бурун.

Висота хвилі, яку здіймає вітер, різна. Найбільша із зареєстрованих була зафіксована 6 лютого 1933 р. в центральній частині Тихого океану. Вона становила 34 м.

Великі хвилі породжуються тропічними циклонами і штормами.

Попри тривалі дослідження, багато явищ, пов’язаних з морськими хвилями, ще й досі не з’ясовані. Так, остаточно не розкрито природу тягунів. Це резонансні хвильові коливання води у вигляді горизонтальних і вертикальних рухів з періодом від 0,5 до 4,0 хв. Своїм походженням вони зобов’язані чергуванню груп високих і низьких хвиль. Невидимі підводні хвилі рвуть сталеві швартові троси. Судна навалюються на стіни набережних чи сусідні судна, б’ються об пристані або різко відкидаються від них.

Учені досліджують хвилі, щоб запобігти їх руйнівній силі. На підставі численних досліджень складено карту зон максимального хвилювання Світового океану. Дві такі зони виявлено, зокрема, в Північній Атлантиці. Одна з них знаходиться поблизу східного узбережжя Північної Америки. Тут бувають хвилі заввишки 20 м. Друга, з хвилями до 16 м, лежить на захід від Шотландії. Центр найдовших (800 м) хвиль Тихого океану знаходиться в його північно-західній частині.

Карта центрів максимального хвилювання має велике практичне значення для мореплавства. Користуючись нею, судна обминають небезпечні штормові райони. Особливо важливо це для перевезення вантажів, що не витримують хитавиці.

Внутрішні хвилі виникають під дією припливоутворюючих сил Місяця й Сонця, вітру, атмосферного тиску. Тому серед цих хвиль виділяють припливні, метеорологічні та інерційні.

Океан охоплює хвилювання навіть при спокійній поверхні. В його товщі виникають внутрішні хвилі, досить значні за амплітудою і поширенням. Утворюються вони на межі двох різних за густиною шарів води і набагато вищі від поверхневих, але поступаються їм за швидкістю. На поверхні моря внутрішні хвилі не видні. Їх виявляють завдяки ретельним вимірюванням температури, солоності й густини. Буває, що нульова ізотерма за 16 год. піднімається з глибини 480 м до 9 м.

Відомо, до яких катастрофічних наслідків призводять цунамі. Вони виникають не лише через землетруси або виверження на дні океану, а й спричиняються виверженнями на суходолі. Судно може відчути хвилювання тільки як поштовх в днище в початковий період і тільки в тому випадку, якщо воно знаходиться над ділянкою деформації дна. Тільки у берега відбувається сильна деформація хвилі, росте її висота, і вона накатується на сушу велетенським валом. Цунамі частіше за все бувають у берегів Японії, Чилі, Перу, Алеутських та Гавайських островів. Вони мають дуже велику швидкість поширення - до 800 км/год.

Течії в океані

Води океану знаходяться у постійному русі. В океанах існує генеральна система течій з невеликими відокремленнями її від середнього географічного положення та інтенсивності. Течії відіграють велику роль у процесі розподілу тепла на Землі. Не випадково О. Воєйков назвав морські течії “трубами водяного опалення” земної кулі. Величезні маси води рухаються серед океанів і залежно від того, де вони починаються, несуть із собою тепло або холод.

Течії — поступальні горизонтальні рухи, які пов’язані з переміщенням значних об’ємів води на великі відстані. Окрім постійних течій, можуть виникати вітрові або припливно-відпливні, які мають періодичний характер. Постійні течії виникають, наприклад, під дією постійних вітрів (пасати). Тимчасові вітри виникають внаслідок зміни вітрів, нерівномірного розподілу опадів тощо.

Сили, які викликають морські течії, визначаються як гідрометеорологічними, так і астрономічними факторами .

До перших відносять:

1. щільнісна сила, яка утворюється різницею щільності води внаслідок нерівномірності в розподілі температури та солоності;

2. нахил рівня моря, який виникає внаслідок надлишку або нестачі води в тому чи іншому районі;

3. нахил рівня моря, викликаний змінами розподілу атмосферного тиску, який створює зниження рівня в області підвищеного тиску та підняття його в області зниженого тиску;

4. тертя вітру об поверхню води моря і тиск вітру на тилову частину хвиль.

До других (астрономічних) відносять припливно-утворювальні сили Місяця та Сонця.

Частіше за все на течії впливають декілька сил одночасно. Так, наприклад, Гольфстрім може бути одночасно густиною, вітровою, стоковою течією.

На виникнення течій діють і так звані вторинні сили. Це:

1. сила Коріоліса, яка відхиляє течії в північній півкулі вправо, а в південній — вліво від напрямку течії;

2. сила тертя, що сповільнює рух водних мас;

3. відцентрова сила (для криволійних течій) .

Поверхневі течії, що спричинені вітрами, відхиляються від напряму вітру на кут 45˚ у північній півкулі вправо, а у південній – вліво. Пасатні течії мають напрямок зі сходу на захід, а вітри, що їх викликають ці течії дмуть у північній півкулі з північного сходу на південний захід.

Течії поділяють:

1. За походженням ( генетична класифікація):

Фрикційнівиникають завдяки дії вітрів, виділяють вітрові та дрейфові;

а) Вітрові течії — викликаються короткочасними та нетривалими вітрами, в них не створюється нахил рівня.

б) Дрейфові течії — викликаються вітрами, діючими тривалий час, вони приводять до нахилу рівня та появи градієнта тиску, який визначає виникнення в прибережних районах глибинної градієнтної течії. До них відносять такі течії: Північні пасатні, Південні пасатні, течії Західних вітрів тощо.

Дрейфові течії охоплюють поверхневий шар води, товщиною 100-200 м.

Теорія дрейфових течій була розроблена В. Екманом. Для спрощення

В. Екман приймав океан безмежним, глибини нескінченно великими, а вітер, що діє на поверхню моря, постійним. У результаті він дійшов висновку, що поверхнева течія відхиляється від напрямку вітру в північній півкулі вправо, а в південній – вліво на 45°. Причому це відхилення не залежить ані від швидкості вітру й течій, ані від географічної широти .

З глибиною напрям і величина течії змінюються, причому на деякій глибині, яку називають глибиною тертя, течія спрямовується в протилежний бік від поверхневої течії. На глибині, яка дорівнює глибині тертя, швидкість течії дуже уповільнюється і становить лише 4% швидкості поверхневої течії.

Градієнтно-гравітаційні течіївиникають внаслідок нахилу фізичної поверхні моря, викликаного різними факторами — це густині, бароградієнтні та стокові течії.

а) Густині течії утворюються внаслідок нерівномірного горизонтального розподілу густини води на одній і тій самій глибині. Ці течії широко поширені не тільки у поверхневому шарі, а й в глибоких шарах океану, де дрейфові течії затухають.

б) Бароградієнтні течії виникають внаслідок зміни розподілу атмосферного тиску, який приводить до зниження рівня в областях підвищеного тиску та підвищення його в областях зниженого тиску.

в) Стокові течії утворюються в результаті нахилу поверхні моря, який виникає внаслідок притоку берегових вод (Карське і море Лаптєвих), атмосферних опадів, випаровування, притоку вод з інших басейнів або стоку вод в інші райони.

г) Компенсаційні течії утворюються внаслідок порушення рівноваги: за рахунок зменшення або відтоку вод з одного району в інший під впливом згінно-нагінної циркуляції та інших факторів.

Припливно-відпливні течії виникають під дією припливно-утворювальних сил Місяця та Сонця. Найбільшу швидкість ці течії мають у вузьких протоках (до 22 км/год.), а у відкритому океані – до 1 км/год.

Інерційні течії — це залишкові течії, які спостерігаються після закінчення дії усіх збуджуючих рух факторів. На частинки води в інерційній течії діють тільки дві зрівноважені сили — Коріоліса та відцентрова.

2. За глибиною розміщення:

1) поверхневі (до 100 м)

2) придонні (прилеглі до дна)

3. За тривалістю існування або стійкістю:

1) постійні — це течії, які зберігають середнє значення швидкості та напрямок тривалий час. Вони змінюються по сезонах року або не змінюються. Це Гольфстрім, Куросіо, пасатні та інші;

2) періодичні — течії, які змінюють свої елементи протягом часу з визначеним періодом (припливно-відпливні);

3) тимчасові течії — виникають під дією тимчасових вітрів, різких раптових змін атмосферного тиску, випадіння опадів.

4. За фізико-хімічними властивостями можуть бути:

1) теплими;

2) холодними;

3) розпрісненими;

4) солоними;

5) нейтральними.

Раз на 7 років до узбережжя Перу підходить тепла течія, яка замінює холодну Перуанську течію. Цю течію назвали “Ель-Ніньо” (“немовля”), тому що вона приходить на Різдво.

5. За характером руху поділяють на:

1) прямолінійні;

2) криволінійні;

3) циклонічні;

4) антициклонічні.

6. за масштабом явища(за Степановим):

- мікро течії;

- мезотечії;

- макроциркуляційні системи.

Загальна схема течій в Світовому океані

Загальна схема течій в Світовому океані формується головним чином під впливом складних процесів взаємодії океану та атмосфери. Сучасні уявлення про океанічні течії сформувалися на підставі багатьох вимірювань під час тривалих спостережень. Загальна схема течій у Світовому океані приблизно відповідає циркуляції нижніх шарів атмосфери. Вся система поверхневих течій — це закономірна зміна кругообігів. Ця схема характеризується наявністю антициклонічного (в низьких широтах) та циклонічного (який в північних полярних областях знову змінюється на антициклонічний) кругообігів в північній та південній півкулях і змінюючи одна одну за годинниковою та проти годинникової стрілки .

У тропічній зоні, де переважають стійкі пасати, виникають потужні пасатні течії західного напрямку. Зустрівши на своєму шляху східні береги материків, вони роздвоюються; менша частина води повертає до екватора, а більша — до полюсів. На сорокових широтах обох півкуль під впливом західних вітрів і сили Коріоліса ці течії повертають на схід. Поблизу західних берегів материків вони також роздвоюються; частина води спрямовується до екватора, замикаючи коло тропічної циркуляції, частина течії повертає в північній півкулі до полюса, даючи початок самостійним циркуляціям помірних широт. У південній півкулі між 40 та 55° південної широти, де немає суходолу, під впливом західних вітрів води рухаються лише на схід, утворюючи три струмені течії Західних Вітрів (Антарктичної Циркумполярної). Це Прибережна Антарктична, південний струмінь Антарктичної Циркумполярної та сама Антарктична Циркумполярна. Зону течії Західних Вітрів через часті та сильні шторми називають “ревучими сороковими” широтами.

Між течіями пасатних зон виникають протитечії, спрямовані на схід. Вони виникають у результаті нерівномірності розподілу вітру, який зароджується в тропічній зоні, а також різниці густини води та зміни рівнів води у західній і східній частинах океанів (наприклад, Міжпасатна протитечія). Разом з пасатними течіями ці протитечії утворюють приекваторіальні кругообіги.

У помірних широтах (між 45˚ та 65˚) північної частини Атлантичного та Тихого океану течії утворюють кільця циркуляції проти годинникової стрілки, але вони не є стійкими. Винятком є течії, які утворилися в результаті існування постійного нахилу рівня моря від екватора до полюсів (наприклад, Північноатлантична).

У Північному Льодовитому океані загальний рух води відбувається проти годинникової стрілки.

Крім великих, в океані існують вихори менших розмірів, від 100 до 400 км у поперечнику. Такі мезоциркуляційні системи відкриті у 1970 р. і названі синоптичними вихорами. Вони охоплюють значну товщу води, період їх існування від кількох місяців до 5 років. Зустрічаються скрізь — навіть у таких течіях, як Гольфстрім і Куросіо. У великих течіях синоптичні вихори обертаються швидше і краще виражені, ніж в інших частинах океану. Їх назвали рингами. Ринги бувають циклональні та антициклональні. У циклональних рингах відбувається спливання глибинних вод, а в антициклональних — поринання поверхневих вод. Вважають, що саме в синоптичних вихорах сконцентровано не менше 90% кінетичної енергії океану.

Реально циркуляція водних мас Світового океану є набагато складнішою. Течії вигинаються, утворюючи гігантські меандри, поділяються на окремі струмені, ускладнюються вихорами і навіть змінюють напрямок руху на протилежний.

Завдяки дослідженням встановлено, що під Південною Пасатною течією Тихого океану на схід рухається вузький і швидкий потік течії Кромвеля. Вона простягається від району Нової Гвінеї до Галапагоських островів на 15000 км. Під Південною Пасатною течією в Атлантичному океані діє течія Ломоносова протяжністю 5000 км, а в Індійському океані - у смузі між 2° пд. ш. і 2° пн. ш. уздовж екватора на схід прямує течія Тареєва.

Розглянемо основні течії кожного з океанів.