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 h – разность уровней гребня и подошвы волны; длина λ – кратчайшее расстояние по горизонтали между двумя смежными гребнями или подошвами волн; крутизна α – угол между склоном волны и горизонтальной плоскостью. Скорость перемещения формы волны υ – расстояние, которое проходит любая точка профиля в единицу времени (м/с). Период волны τ – промежуток времени, в течение которого каждая точка волны проходит расстояние, равное длине волны. Длина волны, период и скорость распространения волн связаны уравнением λ = υ* τ. 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.

Рис. 84. Форма свободной волны (λ – длина волны, h – высота волны)

Ветровые волны возникают вследствие трения на границе воздуха и воды. Ветер повсюду служит главной причиной возникновения волн. Первоначальная форма ветровых 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 отлива 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 долгопериодичные 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 уровенной 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. Приливная 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.