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.