Динамика водной среды морей и океанов

Мировой океан — это сложнейшая глобальная экосистема, одним из условий существования которой является постоянное движение масс воды. Причины, вызывающие движение воды, многочисленны и разнообразны: это силы Кориолиса (центробежная и отклоняющая сила вращения Земли), ветры, изменение солености, плотности и температуры воды, влияние Солнца и Луны и результат эндогенных процессов — землетрясений и извержений вулканов. He менее разнообразны и формы движения воды: течения, волны, приливы — отливы, цунами.

Течения. В зависимости от причин, вызывающих течения и обстановки, в которой они существуют, течения подразделяются на поверхностные, глубинные, придонные, прибрежные, а по температуре воды — холодные и теплые.

Главные черты поверхностных течений, охватывающих значительные площади океанов, определяются ветрами. Такими являются пассатные экваториальные течения, направленные с востока на запад, вызывающие повышение уровня воды в океанах в низких широтах — в Атлантическом около 0,2 м, а в Тихом — около 0,5 м, в результате чего происходит зарождение стоковых поверхностных и подповерхностных течений. К ним же относятся мощные западные течения (в северном полушарии) — Гольфстрим в Атлантическом и Куросио в Тихом океанах и такие же по характеру, но более слабые восточные течения (в южном полушарии) Бразильское и Восточно-Австралийское.

Глубинные (подповерхностные течения) открыты сравнительно недавно и по своему характеру могут быть названы компенсационными. Это течения восточного направления Кромвелла в приэкваториальной части Тихого океана, Ломоносова — в Атлантическом, Тареева — в Индийском океанах. Кроме того, севернее и южнее экватора, примерно около 20° широты, существуют подповерхностные течения, направленные на восток, и иногда достигающие поверхности океана.

Придонные течения возникают обычно в высоких широтах, где холодные арктические воды с большой плотностью опускаются на глубину и движутся в южном направлении, а холодные антарктические воды, также образуя придонные течения, движутся в северном направлении. Причиной таких разнонаправленных течений является компенсационный механизм, который вызывает подъем вод с глубины и их расхождение (дивергенцию) или схождение (конвергенцию), сопровождаемое погружением вод в глубину. Такие течения получили название апвеллинга.

Придонные течения играют значительную роль при образовании форм подводного рельефа и формировании донных осадков, например турбидитов. Турбидиты — это осадки турбидитных (суспензионных, мутьевых) потоков, состоящие из чередующихся песков, алевритов и прослоев глинистых частиц с градационной слоистостью, широко распространенные на материковом склоне и подножии океанов. Отложения турбидитных потоков играют важную роль в формировании флиша.

Существуют и другие течения, менее масштабные по распространению, это прибрежные и сгонно-нагонные течения, охватывающие наиболее мелководные прибрежные части морских и океанических бассейнов. Прибрежные течения подразделяют на вдольбереговые и перпендикулярные по отношению к берегу. Причиной их возникновения являются ветровые волны.

Сгонно-нагонные течения также возникают под действием ветров. Нагон водных масс происходит под действием ветра, направленного к берегу, в результате чего в устьевых частях рек возникают наводнения. При увеличении скорости ветра до шторма нагонное течение «запирает» сток реки и поднимает в ней уровень воды. Классическим примером образования нагонных течений является Санкт-Петербург, где устье Невы «запирается» нагонами воды с Финского залива. Крупнейшее наводнение при подъеме воды на 3,89 м над ординаром (ординар — средний уровень подъема воды за 100 лет) произошло 7 ноября 1824 г., когда воды Невы затопили 2/3 территории города. Его описание с достаточно ясным указанием причин и следствий дал А.С. Пушкин в «Медном всаднике».

После окончания шторма происходит обратное движение водных масс, образующих сгонные потоки.

Волновые движения возникают под действием ветра на поверхности воды. Волны характеризуются определенной регулярностью и имеют общие характеристики: размеры (длину, высоту) и период. Состоят волны из чередующихся валов и впадин, и в них выделяются следующие элементы (рис. 19.4, а):

1) гребень волны — ее самая высокая точка;

2) подошва волны — ее самая низкая точка;

3) длина волны — расстояние от гребня (подошвы) одной волны до гребня (подошвы) соседней;

4) высота волны — расстояние по перпендикуляру от подошвы до гребня;

5) период волны — время, в течение которого совершается полный путь частиц по орбите;

6) фронт волны — линия, проходящая вдоль гребня, перпендикулярная к направлению движения волны.

Высота и длина волны зависят от силы ветра. По данным В.П. Зенковича, при силе ветра 4 балла высота волны составляет 2,1 м, а при силе в 10 баллов возрастает до 10,2 м. Соответственно увеличивается и длина волны с 51 до 195 м. Максимальная высота волн при сильных штормах достигает 18 м и более. Энергия волны описывается формулой

где E — энергия; е — плотность воды; g — ускорение силы тяжести; А в и l — высота и длина волны.

Отсюда видно, что главное значение для характеристики энергии имеет высота волны.

Волны, возникающие на поверхности, с глубиной затухают, меняя и уменьшая в размере форму своей орбиты (рис. 19.14, б). Глубина проникновения волн зависит от размера ее орбиты (или высоты) и соотношения между глубиной воды и длиной волны. С увеличением глубины волновое движение быстро уменьшается, поэтому уже на глубине, равной половине длины волны, оно становится слабым, но слабое волнение может достигать морского дна даже в том случае, если длина волны меньше 1/20 глубины. На поверхности частицы воды перемещаются по круговым орбитам в вертикальной плоскости параллельно направлению ветра. Поступательного движения воды при этом не происходит, водные массы в целом не перемещаются, движется только поверхностный слой, захваченный волной. При подходе к берегу на мелководье волны захватывают уже всю толщу воды и, испытывая трение о дно, меняют свою орбиту на эллипсоидальную. Деформация орбиты происходит из-за разной скорости движения воды: на гребне она движется быстрее, а у подошвы — медленнее. Колебательное движение волны сменяется поступательным. Приближаясь к берегу, волна начинает разрушаться. При трении о дно и замедлении скорости длина волны сокращается, а высота возрастает. Замедленное движение вызывает поворот (опрокидывание) волны, который обычно происходит на глубине, равной ее полуторной высоте, и образование прибоя (прибойные волны). Волны прибоя в зависимости от характера берега формируют своеобразные прибрежные абразионные или аккумулятивные формы.

Приливно-отливные движения связаны с периодическими колебаниями уровня моря, вызванными дифференцированным притяжением Луны и Солнца. Один или два раза в сутки (приливы бывают полусуточные и суточные) уровень воды в океанах и морях поднимается, создавая приливы, и опускается — отливы. В открытом океане эти колебания уровня воды мало заметны, а в области шельфа, узких заливах и проливах и в устьях крупных рек они достигают значительной величины. Высота подъема воды колеблется от 6—7 до 15—21 м. Приливы максимальной высоты наблюдаются на побережьях открытого моря, например в проливе Ламанш. Высота прилива в Пенжинской губе Охотского моря достигает 12,9 м, а в Кандалакшском заливе Белого моря — свыше 11 м. Во внутренних водоемах — Средиземное, Черное море — приливы имеют небольшую амплитуду.

Наибольшей величины приливы достигают в сизигии (от греч. сизигий — сопряжение), когда Луна и Солнце находятся примерно на одной линии с Землей и притяжения их суммируются (рис. 19.5, а). Наименьшая величина приливов наблюдается в квадратуре (в первую и последнюю четверти), когда линия Земля—Луна перпендикулярна линии Земля — Солнце (рис. 19.5, б). Связь приливов с фазами Луны впервые правильно удалось объяснить И. Ньютону в опубликованных им знаменитых «Началах» (1687).

Приливно-отливная энергия движения воды используется на приливных гидроэлектростанциях. Такие гидроэлектростанции построены на побережье Белого моря — Кислогубская ГЭС, на северном и западном побережьях Франции, на берегах Англии, США и в других странах.

Цунами — это гигантские волны, возникающие при подводных землетрясениях, сопровождающихся заметными подвижками коры, и в результате крупных взрывных извержений вулканов. Наиболее часто цунами возникают в пределах активных окраин Тихого океана. Распространяются они со скоростью до 500—700 км/час. В открытом океане эти волны почти незаметны. Накатываясь на отмели и берега, особенно в узких заливах и бухтах, при торможении о дно они резко увеличивают свою высоту до 20—30 м, превращаясь в гигантский пенистый вал. Разрушительная сила цунами колоссальна. Более других испытывают на себе их пагубные последствия побережья Камчатки, Курил, Сахалина, Японии.

В результате 8,5-балльного землетрясения в Чили (22 мая 1960 г.) цунами разрушило на его побережьях десятки городов, а затем произвело разрушения на берегах Австралии, Новой Зеландии, Филиппин. В Японии, за 9000 км от Чили, где высота цунами достигала 20 м, погибло 180 чел.

Такие волны, обрушиваясь на берег, проделывают огромную разрушительную работу, уничтожая пляжи, вызывая оползни и мутьевые потоки.