Реферат: Движение вод в мировом океане

Содержание

1. Введение

Морская вода – очень подвижная среда, поэтому в природе она находится в непрерывном движении. Это движение вызывают различные причины и прежде всего ветер. Он возбуждает поверхность течения в океане, которые переносят огромные массы воды из одних районов в другие. Однако непосредственное влияние ветра распространяется на сравнительно небольшое (до 300 м) расстояние от поверхности. Подвижность вод океана проявляется и в вертикальных колебательных движениях – таких, например, как волны и приливы. С последними связаны и горизонтальные движения воды – приливные течения. Ниже в толще воды и в придонных горизонтах перемещение происходит медленно и имеет направления, связанные с рельефом дна.

2. Движение вод Мирового океана

Рис.1. Схема циркуляции вод Мирового океана.

Поверхностные течения образуют два больших круговорота, разделенных противотечением в районе экватора. Водоворот северного полушария вращается по часовой стрелке, а южного - против. При сопоставлении этой схемы с течениями реального океана можно увидеть значительное сходство между ними для Атлантического и Тихого океанов. В то же время нельзя не заметить, что реальный океан имеет более сложную систему противотечений у границ континентов, где, например, располагаются Лабрадорское течение (Северная Атлантика) и Аляскинское возвратное течение (Тихий океан). Кроме того, течения у западных окраин океанов отличаются большими скоростями перемещения воды, чем у восточных. Ветры прилагают к поверхности океана пару сил, вращающих воду в северном полушарии по часовой стрелке, а в южном - против нее. Большие водовороты океанических течений возникают в результате действия этой пары вращающих сил. Важно подчеркнуть, что ветры и течения не относятся «один к одному». Например, наличие быстрого течения Гольфстрим у западных берегов Северной Атлантики не означает, что в этом районе дуют особенно сильные ветры. Баланс между вращающей парой сил среднего поля ветра и результирующими течениями складывается на площади всего океана. Кроме того, течения аккумулируют огромное количество энергии. Поэтому сдвиг в поле среднего ветра не приводит автоматически к сдвигу больших океанических водоворотов.

На водовороты, приводимые в движение ветром, накладывается другая циркуляция, термохалинная («халина» - соленость). Вместе температура и соленость определяют плотность воды. Океан переносит тепло из тропических широт в полярные. Этот перенос осуществляется при участии таких крупных течений, как Гольфстрим, но существует также и возвратный сток холодной воды в направлении тропиков. Он происходит в основном на глубинах, расположенных ниже слоя возбуждаемых ветром водоворотов. Ветровая и термохалинная циркуляции представляют собой составные части общей циркуляции океана и взаимодействуют друг с другом. Так, если термохалинные условия объясняют в основном конвективные движения воды (опускание холодной тяжелой воды в полярных районах и ее последующий сток к тропикам), то именно ветры вызывают расхождение (дивергенцию) поверхностных вод и фактически «выкачивают» холодную воду обратно к поверхности, завершая цикл.

Представления о термохалинной циркуляции менее полны, чем о ветровой, но некоторые особенности этого процесса более или менее известны. Считается, что образование морских льдов в море Уэдделла и в Норвежском море имеет важное значение для формирования холодной плотной воды, распространяющейся у дна в Южной и Северной Атлантике. В оба района поступает вода повышенной солености, которая охлаждается зимой до температуры замерзания. При замерзании воды значительная часть содержащихся в ней солей не включается в новообразующийся лед. В результате соленость и плотность остающейся незамерзшей воды увеличиваются. Эта тяжелая вода опускается ко дну. Обычно ее соответственно называют антарктической донной и североатлантической глубинной водой.

Другая важная особенность термохалинной циркуляции связана с плотностной стратификацией океана и ее влиянием на перемешивание. Плотность воды в океане с глубиной возрастает и линии постоянной плотности идут почти горизонтально. Воду с разными характеристиками значительно легче перемешать в направлении линий постоянной плотности, чем поперек них.

Термохалинную циркуляцию трудно с определенностью охарактеризовать. По сути, и горизонтальная адвекция (перенос воды морскими течениями), и диффузия должны играть важную роль в термохалинной циркуляции. Определение относительного значения этих двух процессов в каком-либо районе или ситуации представляет важную задачу.

Главные черты поверхностной циркуляции вод мирового океана определяются ветровыми течениями. Важно отметить, что движение водных масс в Атлантическом и Тихом океанах очень сходно. И в том и в другом океане существуют два огромных антициклонических круговых течения, разделенных экваториальным противотечением. В обоих океанах есть, кроме того, мощные западные (в северном полушарии) пограничные течения (Гольфстрим в Атлантическом и Куросио в Тихом) и такие же по характеру, но более слабые восточные течения (в южном полушарии) - Бразильское и Восточно-Австралийское. Вдоль их западных побережий прослеживаются холодные течения - Ойясио в Тихом океане, Лабрадорское и Гренландское течения в Северной Атлантике. Кроме того, в восточной части каждого бассейна к северу от основного круговорота обнаружен циклонический круговорот меньшего масштаба.

Некоторые различия между океанами связаны с различиями в очертаниях их бассейнов. Атлантический, Индийский и Тихий океаны имеют разную форму. Но некоторые из различий определяются особенностями поля ветра, как, например, в Индийском океане. Циркуляция в южной части Индийского океана в основных чертах сходна с циркуляцией в южных бассейнах Атлантического и Тихого океанов. Но в северной части Индийского океана она явно подчиняется муссонным ветрам, где в период летнего и зимнего муссонов картина циркуляции полностью меняется.

По ряду причин по мере приближения к берегу отклонения от общей картины циркуляции становятся все более существенными. В результате взаимодействия основных климатических характеристик течений с такими же характеристиками побережий часто возникают устойчивые или квазиустойчивые вихри. Заметные отклонения от средней картины циркуляции могут вызывать у побережий и местные ветры. В отдельных районах возмущающими факторами режима циркуляции служат речной сток и приливы.

В центральных районах океанов средние характеристики течений вычисляются по малому количеству точных данных и потому особенно ненадежны.

Западные пограничные течения - Гольфстрим и Куросио

Известно, что западные пограничные течения в северном полушарии (Гольфстрим и Куросио) лучше развиты, чем их аналоги в южном полушарии.

Представляя себе в общем плане циркуляцию океанических вод в виде системы обширных антициклонических вихрей, необходимо отметить, что течения, в сумме образующие круговороты, весьма сильно отличаются в их разных участках. Западные пограничные течения, такие, как Гольфстрим и Куросио, - узкие, быстрые, глубокие потоки с довольно хорошо выраженными границами. Направленные к экватору течения на другой сторонне океанических бассейнов, такие, как Калифорнийское, Перуанское и Бенгальское, напротив, широкие, слабые и неглубокие потоки с расплывчатыми границами, некоторые исследователи даже считают, что эти границы есть смысл проводить на мористой стороне течений такого типа.

Калифорнийское течение считается наиболее изученным из них. Глубина этого потока ограничивается в основном верхним 500-метровым слое. Оно складывается из ряда крупных вихрей, наложенных на слабый, но широкий поток воды, направленный к экватору. Скорости и направления движения воды, измеренные в зоне Калифорнийского течения, в любой данный момент могут оказаться совершенно отличными от средних значений. Такая же картина, видимо, характерна и для других восточных пограничных течений.

Прибрежный поток воды обычно отличается особой сложностью, и при описании его часто выделяют из более широкой системы вдольбереговых течений, присваивая ему другое название.

В зоне многих восточных пограничных течений главным фактором, определяющим распределение температуры, солености и химических характеристик воды на поверхности, является апвеллинг. Апвеллинг имеет важное биологическое значение, так как благодаря ему глубинные воды выносят питательные вещества в верхние слои воды и тем способствуют увеличению продуктивности фитопланктона. Зоны апвеллинга - это биологически самые продуктивные районы мира[1].

3. Циркуляция глубинных вод

Основные факторы, определяющие циркуляцию глубинных вод , - температура и соленость.

В приполярных районах Мирового океана вода на поверхности охлаждается. При образовании льда из него выделяются соли, которые дополнительно осолоняют воду. В результате вода становится более плотной и опускается на глубину. Области интенсивного образования глубинных вод находятся на севере Атлантического океана у Гренландии и в морях Уэдделла и Росса у Антарктиды.

Из приполярных районов глубинные воды распространяются по океанам. Скорость их движения очень мала. Например, антарктическим глубинным водам на пересечение Тихого океана с юга на север требуются десятки лет.

Распространение глубинных вод существенно зависит от рельефа дна. Установлено, например, что североатлантические глубинные воды, следуя рельефу дна, пересекают Атлантический океан и частично вовлекаются в мощное течение Западных ветров.

Районы интенсивного формирования глубинных вод находятся несколько юго-западнее Гренландии и в приатлантическом и притихоокеанском районах Антарктиды. Отсюда они по глубоким районам растекаются в разных направлениях, проникая в центральные и северные районы Мирового океана.

Начиная с 1950-х годов последовали открытия подповерхностных и глубинных противотечений. Подповерхностные противотечения были обнаружены в экваториальных зонах Тихого (течение Кромвеля), Атлантического (течение Ломоносова) и Индийского (течение Тареева) океанов. Подповерхностные противотечения направлены с запада на восток. Это целая система противотечений протяженностью 26 тыс. км, переносящая до 80 млн м³/с воды. Она состоит из трех струй: срединной, наиболее мощной на экваторе, и двух симметричных – в Северном и в Южном полушариях. Экваториальная струя охватывает слой 50 – 300 м и имеет скорость до 1,5 м/с.

Глубинные противотечения открыты под Гольфстримом и Куросио. Верхняя граница противотечений находится на глубинах 1000 – 2000 м. Скорости обычно не превышают 0,2 – 0,3 м/с [2].

4. Циркуляция полярных вод

Циркуляция вод Мирового океана в полярных районах северного и .южного полушарий совершенно различна. Арктический океан скрыт под покровом дрейфующих льдов. Существующие сведения о течениях в Северном Ледовитом океане указывают на наличие медленного переноса воды в направлении против часовой стрелки. Свободному перемешиванию глубинных холодных вод Арктики с глубинными водами Атлантического и Тихого океанов препятствуют два довольно мелководных порога между континентами. Глубина мелководного порога в Беринговом проливе, разделяющем Чукотку и Аляску, не достигает и 100 м, но сильно препятствует водообмену между Атлантическим и Тихим океанами через Северный Ледовитый.

В южном полушарии все выглядит иначе. Широкий (300 миль) и глубокий (3000 м) пролив Дрейка - между Южной Америкой и Антарктидой - обеспечивает беспрепятственный водообмен между Атлантическим и Тихим океанами. Благодаря этому направленное на восток Антарктическое циркумполярное течение простирается до дна и при расчетной величине расхода воды оказывается величайшим течением Мирового океана.

Антарктическое циркумполярное течение приводится в действие господствующими здесь западными ветрами, а его средняя скорость и расход воды определяются балансом между касательной силы ветра на поверхности и силой трения о дно. Установлено, что над понижениями дна течение отклоняется к югу, а над поднятиями - к северу, что указывает на несомненное влияние рельефа дна на направление этого течения.

Наиболее хорошо выраженные адвективные потоки воды в глубоководной области океанов отмечаются вдоль западных границ бассейнов [1].

5. Течения

Горизонтальное поступательное перемещение вод в океанах и морях обобщенно называют морскими течениями. Они создаются под воздействием различных природных факторов. Морские течения на поверхности океанов и морей вызываются главным образом ветром (ветровые течения). Его касательное напряжение создает трение, а движущийся воздух оказывает давление на водную поверхность. В результате этого верхний слой воды толщиной около 1,5 км начинает перемещаться в пространстве. Если ветер, вызвавший течение, устойчиво действует длительное время примерно в одном направлении, то образуется постоянное течение. Оно может распространяться на 1000 км. Если ветер, образующий течение, действует кратковременно, то создается эпизодическое случайное течение, существующее лишь сравнительно небольшое время. Главную роль в Мировом океане играют постоянные течения. Именно они осуществляют обмен водами между различными частями океана, именно они переносят тепло и соли, т.е. обеспечивают единство Мирового океана.

Перемещение вод в пространстве создает температурные различия течений. Соответственно они подразделяются на: теплые течения – их вода теплее окружающих вод; холодные – их вода холоднее окружающих вод; нейтральные – их вода близка по температуре к окружающим водам.

Основные характеристики морского течения: скорость (V м/с) и направление. Последнее определяется обратным способом по сравнению со способом определения направления ветра, т.е. в случае с течением указывается, куда течет вода (северо-восточное течение идет на северо-восток, южное – на юг и т.п.), тогда как в случае с ветром указывается, откуда он дует (северный ветер дует с севера, западный с запада и т.д.).

По направлению движения вод течения бывают прямолинейные, когда воды перемещаются по относительно прямым линиям, и круговые, образующие замкнутые окружности. Если движение в них направлено против часовой стрелки, то это – циклонические течения, а если по часовой стрелке – то антициклонические, иногда их называют антициклональными.

Морские течения охватывают всю толщу вод от поверхности до дна Мирового океана. По глубине своего протекания они подразделяются соответственно на поверхностные, глубинные и придонные. Скорость движения наиболее высока в самом верхнем (0 – 50 м) слое. Глубже она снижается. Глубинные воды движутся значительно медленнее, а скорость перемещения придонных вод 3 – 5 см/с. Скорости течений неодинаковы в разных районах океана.

Горизонтальное движение вод океана приближенно характеризуется симметрией относительно экватора, хотя в каждом полушарии имеются свои особенности.

В тропической зоне Мирового океана, где господствуют пассаты северо-восточного направления в Северном полушарии и юго-восточного – в Южном, по обе стороны экватора возникают мощные пассатные течения. Под действием силы Кориолиса они приобретают широтное направление и пересекают с востока на запад Атлантический, Индийский (кроме его северной тропической части) и Тихий океаны. В Северном полушарии – это Северное пассатное течение, его средняя скорость 80 см/с, а в Южном – Южное пассатное течение, его средняя скорость 95 см/с . Пассатные течения переносят большие массы воды, что создает ее нагон и соответственно повышает уровень у восточных берегов материков. Вследствие этого происходит отток воды у побережий и между Северным и Южным течениями образуется Межпассатное (экваториальное) противотечение, скорости которого в разных районах составляют от 50 до 130 см/с . Оно находится на 2 – 8˚ с.ш., что связано с асимметричностью расположения материков и океанов.

В Южном полушарии примерно около 50˚ ю.ш. постоянные и сильные западные ветры вызывают мощное Антарктическое циркумполярное течение (течение Западных ветров). Оно идет с запада на восток со средней скоростью 25 – 75 см/с, окаймляя южные части Атлантического, Индийского и Тихого океанов, т.е. охватывает все океанские пространства этой части земного шара.

Таким образом, Северное и Южное пассатные течения, Межпассатное (экваториальное) противотечение и Антарктическое циркумполярное течение – основные течения Мирового океана в целом.

В Мировом океане хорошо выражены вихревые движения вод, различные по происхождению, размерам и т.п. Так, основная струя Гольфстрима движется не прямолинейно, а образует горизонтальные волнообразные изгибы – меандры. Длина волны между гребнями 35 – 370 км. Вследствие неустойчивости потока меандры иногда отделяются от Гольфстрима севернее мыса Гаттерас и образуются самостоятельно существующие вихри. Их диаметр 100 – 300 км, толщина от тысячи до нескольких тысяч метров, продолжительность существования от нескольких месяцев до нескольких лет, скорость движения воды может достигать 300 см/с. Слева от струи Гольфстрима образуются теплые антициклонические вихри, а справа от нее – холодные циклонические. И те и другие дрейфуют со средней скоростью около 7 км/сут в сторону, противоположную направлению самого течения.

В северной Атлантике обнаружены вихри, созданные рельефом дна и ветрами. Они бывают циклонические и антициклонические, имеют диаметр порядка 100 км, захватывают слой воды толщиной порядка сотен метров и перемещаются со скоростями примерно несколько километров в сутки. Распространены в открытых районах океана[3].

Таблица 1

Основные течения Мирового океана

6. Апвеллинг

Термин происходит от английского слова upwelling, переводящегося как «всплывание», и означает вертикальное восходящее движение воды (рис.2). Это явление играет очень большую роль в процессе обмена поверхностных и глубинных вод океана. Глубинные воды, богатые биогенными веществами, выходя к поверхности в освещенную, эвфотическую зону, дают возможность увеличить продуктивность водной массы, так как при этом возрастает количество первичной продукции. Фитопланктон в процессе жизнедеятельности переводит неорганические соединения в органические – первичную продукцию, которая служит началом дальнейшего развития биоты, первым звеном пищевых цепей. Кроме того, фитопланктон производит и кислород, обеспечивающий жизнь не только в океане, но и на всей Земле. Поэтому образно океан можно назвать «легкими планеты» – океан дает кислорода в атмосферу гораздо больше, чем леса всей суши.

Рис.2.Апвеллинг

Апвеллинги возникают в результате особой динамики вод: в открытом океане – в районах дивергенции течений, а в прибрежной зоне апвеллинги – это эффект, порождаемый сгонными ветрами.

В зонах дивергенции, где потоки расходятся в стороны, в компенсацию ушедшей воды всплывают нижние воды. Процесс идет медленно, вертикальные скорости имеют порядок 10^-5 см/с и выделить воды апвеллинга здесь трудно. Поэтому апвеллинги открытого моря очень слабо изучены.

В Тихом океане довольно отчетливо выделены зоны дивергенции: субтропическая, северная тропическая, южная тропическая и субантарктическая. Но это выделение производится лишь по системе течений, по физическим же характеристикам эти области почти не отличаются от окружающих вод.

Кроме указанных постоянных апвеллингов, в открытом океане могут существовать области временных апвеллингов, возникающих в результате воздействия рельефа дна и атмосферных барических систем. Последние, как правило, непостоянны и существуют в течение нескольких суток.

Гораздо большее значение имеют апвеллинги прибрежные. Они бывают двух типов: один связан с внешним воздействием, вызван ветром, а другой создается процессами в водах самого океана.

Ветровой апвеллинг вызывается сгоном, уходом поверхностной воды от берега в открытый океан, что понижает уровень воды у берега, и в компенсацию на поверхность выходят воды из нижних слоев. Это наиболее обычный вид апвеллинга.

Внутренние же причины, порождающие апвеллинг, – это особенности движения вод, не связанные с ветром: внутренние волны и усиление прибрежных вдольбереговых течений.

По характеру устойчивости различают квазистационарные, сезонные, синоптические и периодические (или квазипериодические) апвеллинги.

В районе апвеллинга наблюдается подразделение вод на три слоя: поверхностные, толщиной 10 – 40 м, с заметной скоростью – 10 – 30 см/с, двигающиеся от берега; подповерхностный, с меньшей скоростью – 2 – 20 см/с, двигающийся к берегу, занимающий всю толщу воды до 30 – 10 м от дна; придонный слой с течением, сходящим к нулю у дна.

Ширина зоны апвеллинга зависит от района и факторов, создающих апвеллинг. Обычно наиболее интенсивный подъем вод происходит в полосе 10 – 30 км от берега, причем скорость вертикального потока составляет 10^-2 см/с, а глубина распространения – 25 – 50 м. Внешний край зоны апвеллинга представляет собой гидрологический фронт, формируемый большими горизонтальными градиентами солености, температуры, а также течениями.

Сложность динамической картины в апвеллинге еще усиливается существованием в тонком поверхностном слое поперечных течений, которые уходят от берега в открытый океан на десятки и даже сотни километров. Природа их не выяснена, а наблюдаются они не во всех апвеллингах.

В Мировом океане существует несколько стационарных прибрежных апвеллингов, расположенных, как правило, у западных окраин материков: в Атлантическом океане это Канарский (Западно-Африканский), Гвинейский, Бенгальский, Бразильский, Южно-Африканский. Последний можно отнести и к Индийскому океану, в котором есть еще и Сомалийский апвеллинг. В Индийском океане выделение зон апвеллинга довольно трудно, потому что в северной его части динамика вод определяется циркуляцией атмосферы, характеризующейся периодичностью смены муссонов – юго-западного и северо-восточного. Это вызывает смену направления течений. В Тихом океане существует обширный стационарный Перуанский апвеллинг, менее обширный Калифорнийский и сезонный Орегонский.

Обнаружен апвеллинг и в Северном Ледовитом океане – он расположен в море Бофорта. Этот апвеллинг характерен тем, что на поверхность из глубины поднимается не холодная, а теплая вода атлантического происхождения («теплая прослойка»). Есть основания думать, что апвеллинг есть и на северных окраинах сибирских арктических морей, где существует «великая сибирская полынья». Это наиболее вероятный путь включения тепла атлантической промежуточной прослойки в процесс теплообмена в водах Северного Ледовитого океана. Именно так отдается атлантическое тепло: ведь входит в океан вода температуры 4 – 3˚С, а выходит (Восточно-Гренландское течение) вода температуры – 1,5 – 1,9˚С.

Апвеллинги наблюдаются также и в морях. Так, в Каспийском море летом существует стационарный апвеллинг у восточного берега средней части моря. Он создан преобладающими восточными ветрами, сгоняющими поверхностную теплую воду, на смену которой поднимаются глубинные воды температуры на 2 – 4 ˚С ниже.

На Черном море, на Южном берегу Крыма, нередко возникают кратковременные ветровые апвеллинги, вызывающие понижение температуры прибрежной воды на 3 – 5 ˚С за короткие промежутки времени. Бывают понижения и на 10 ˚С, и более[2].

7. Волнение

Волнение – одно из разновидностей волновых движений, существующих в океане. Это волны, вызванные воздействием ветра на поверхность моря. Кроме волнения в океанах и морях существуют другие виды волн: приливные, сейшевые, внутренние и т.п. Все волновые движения представляют собой деформацию массы воды под воздействием внешних сил. Сила может быть разовой (единичной), постоянно действующей или периодически, но в любом случае эта сила, выведя массу воды из равновесия, возбуждает в ней колебательное периодическое движение, выражающееся двояко: колеблется форма поверхности воды около поверхности покоя и колеблются отдельные частицы вокруг своих точек равновесия. Так как это колебание развивается во времени, то можно определить и скорость этих движений. Для деформации поверхности это будет скорость распространения волны, или фазовая скорость, а для частицы – скорость обращения ее вокруг точки равновесия – центра орбиты, т.е. орбитальная скорость. Это характеристика волн поступательных или прогрессивных, которые перемещаются на большие расстояния. Есть еще волны стоячие, в которых деформация происходит на месте, без распространения.

Волны разделяются на длинные и короткие. К длинным относятся волны, у которых длина значительно больше глубины места, например приливные, имеющие длину в сотни и даже тысячи километров, к коротким – ветровые размерами в десятки и сотни метров при средней глубине океана около 4 км. Существуют волны вынужденные, находящиеся непрерывно под воздействием силы, и свободные, распространяющиеся по инерции после окончания действия силы, вызвавшей их. Именно к такому виду относятся волны зыби, волны оставшиеся после прекращения ветра, вызвавшего ветровое волнение[3].

7.1. Ветровые волны

Воздействуя на поверхность воды, ветер, благодаря трению о воду, создает касательные напряжения и влекущие усилия, а также вызывает местные колебания давления воздуха. В результате на поверхности воды даже при ветре со скоростью 1 м/с образуются маленькие волны, имеющие высоту, измеряемую в миллиметрах, и длину – в сантиметрах. Эти едва зародившиеся волны имеют вид ряби. Так как существование таких волн связано с поверхностным натяжением, их называют капиллярными. Если ветер прошел над водой кратковременным порывом, то образованные им пятна ряби исчезают с прекращением ветра – поверхностное натяжение стремится сократить площадь поверхности воды. Если ветер устойчивый, то капиллярные волны, интерферируя, увеличиваются в размерах, прежде всего по длине. Рост волн приводит к их объединению в группы и удлинению до нескольких метров. Волны становятся гравитационными.

Процессы передачи энергии от воздуха к воде и начальные стадии развития волн очень сложны и недостаточно изучены.

Существенное отличие ветрового волнения от зыби состоит в том, что оно развивается под действием не двух (сила тяжести и центробежная сила), а многих сил. Добавляется влияние ветра (трение и давление). Это приводит к нарушению симметрии формы волны – передний склон становится круче заднего, следовательно, и короче его. Частицы воды приобретают поступательную скорость и, закончив один оборот, возвращаются не в точку начала движения, а оказываются чуть впереди в сторону распространения волны – орбита не замыкается. Эта асимметрия профиля, увеличение крутизны переднего склона может дойти до срыва гребня, до образования переднего барашка, беляка. Наконец, из-за того, что скорость ветра часто неравномерна вдоль фронта (гребня) волны, становится неравномерной и высота волны вдоль гребня, иначе говоря, волна оказывается не двумерной, а трехмерной. Вот такие волны и бывают в море чаще всего.

Размеры трехмерных волн тем больше, чем ветер сильнее, продолжительнее и чем больше его разгон, т.е. расстояние, которое он пробегает над водой, а это зависит от его направления. Наибольшие волнения наблюдаются в районах с частыми и продолжительными штормами. Обширные площади сильного волнения расположены в умеренных широтах, которые даже получили название «ревущие сороковые» (roaringforties). Большие волнения часты в океаническом кольце южного полушария, в районах квазистационарных атмосферных фронтов и т.д. Самые большие высоты волн – 34 м в середине северной части Тихого океана, самые большие длины – около 800 м у южных берегов Британских островов и в экваториальной части Атлантического океана. Отмечались также гигантские волны у южных берегов Африки, ставшие причиной катастроф нескольких судов, «волны-убийцы», единичные волны высотой больше 20 м. Однако в огромном большинстве случаев высоты волн не достигают и 4 м, а волны выше 7,5 м встречаются далеко не часто. Обычная длина больших волн тоже значительно меньше максимальных значений: 130 – 170 м.

Измерение элементов волн связано с очень большими техническими трудностями, к тому же измерения в одной точке мало характеризуют все трехмерное волновое поле. Лучший способ его изучения – стереофотография, которая дает полную картину топографии, рельефа волновой поверхности моря, но только на один момент, на момент съемки. Чтобы изучить движение, развития явления во времени, можно использовать стереокиносъемку, дающую избыток материала, который требуется не очень часто. Поэтому в массовых наблюдениях пользуются приближенными приемами для качественной оценки размеров волнения в баллах (таблица 2).

Таблица 2

Шкала степени волнения (по Л. А. Жукову, 1976)

7.2. Деформация волн у берега

При подходе к берегу, где глубина уменьшается до нуля у уреза воды, в волне происходят существенные изменения: изменяются ее профиль и направление движения – волнового луча. Волна, отражаясь от берега, может образовывать стоячую волну, может разрушаться. При разрушении волны возникает прибой (накат), или взброс, бурун. Различные варианты деформации волны связаны с характером берега и прибрежного рельефа дна. При пологом дне и неизменной прибрежной полосе передний склон волны становится круче, гребень догоняет впереди идущую подошву и наконец обрушивается, образуя прибой. Гребень волны устремляется на сушу, возникает заплеск. Чем больше волна, тем большую часть берега заливает заплеск. Ширина заплеска зависит от размеров волны и уклона берега и бывает от нескольких метров до десятков метров. В результате постоянной работы волн формируются пляжи и продольные (вдоль береговой линии) и поперечные (от берега в открытое море) потоки наносов. При отлогом дне и высоком крутом береге срывающийся гребень ударяет в берег и вода вскидывается вверх, образуя взброс. Вода при взбросах у берегов океана поднимается на десятки метров, наблюдались взбросы до 60 м. При крутом береге и приглубом дне может происходить отражение волн и интерференция падающей и отраженной волн, т.е. образование стоячей волны. Если недалеко от уреза на дне есть гряда с меньшими глубинами (вроде рифа), то волна, не доходя до уреза, разрушается, образуя бурун. При больших волнах бурун может образовываться и далеко от уреза на сравнительно большой (в десятки метров) глубине.

Прибой, особенно взброс, обладает огромной энергией. Существует множество фактов разрушения береговых сооружений, сдвигов и даже переносов огромных бетонных и каменных массивов массой в десятки и даже сотни тонн. Такая огромная энергия объясняется тем, что при прибое гребень, срываясь, становится переносной волной: вся масса воды приобретает не колебательное, а поступательное движение.

При подходе к урезу воды, начиная с глубины в половину длины волны, скорость, длина и высота ее уменьшаются. Но начиная с глубины приблизительно в 1/5 длины волны высота волны начинает возрастать, причем особенно быстро с глубины, равной 0,1 λ (кратчайшее расстояние между двумя соседними вершинами), затем волна разрушается, образуется прибой.

Одновременно с деформацией профиля волны меняется и положение фронта волны. Под каким бы углом к берегу ни проходил он в открытом море, на берег волна выкатывается параллельно урезу или под очень острым углом к нему. Это объясняется тем, что волна у берега из класса коротких волн переходит в класс длинных. А длинные волны распространяются по другому закону: скорость их зависит не от длины волны, как у коротких волн, а от глубины места, она пропорциональна корню квадратному из глубины. Поэтому, как только волна вышла на глубину меньше половины длины волны, разные участки фронта (гребня) будут двигаться с разной скоростью: участок, ближайший к урезу, замедлит движение, и линия фронта станет искривляться – преломляться, подравнивая направление фронта к линии уреза. Возникает рефракция волн. Если береговая линия не прямая, а изрезанная, то возникает очень сложное волновое поле. Искривляются не только фронт волны, но и волновой луч, поэтому создается очень замысловатая система рефракции и интерференции. Волновые лучи сходятся к мысам берега и расходятся у заливов, сильно усложняя процессы формирования берега, образование абразионных и аккумулятивных участков. При этом могут образовываться и разрывные течения, идущие от берега в открытое море поперек фронта и разрывающие его. Лучевая картина волнения имеет очень важное значение не только для изучения геоморфологии берегов, но и для планирования и ведения гидротехнических работ в береговой зоне (постройка портов, берегоукрепительных сооружений и др.)[3].

7.3. Волны цунами

Волны цунами возникают вследствие подводных землетрясений, которые деформируют дно. Эта деформация дна приподнимает или опускает здесь всю толщу воды, что приводит ее в движение на некоторой ограниченной площади океана. От нее на поверхности начинает перемещаться длинная волна или несколько волн. Высота волны в месте зарождения всего 1 – 2 м, а длина – несколько километров, поэтому ее крутизна ничтожна и волна цунами практически незаметна для визуального наблюдения. Лишь при подходе к берегу, волна трансформируется и достигает высоты 5 – 10 м, а в исключительных случаях – 35 м. Обрушиваясь на берег, она производит катастрофические разрушения в прибрежной зоне. Это грозное стихийное бедствие с негативными экономическими и экологическими последствиями[2].

Подсчитано, что за последнее тысячелетие в Тихом океане было около 1000 цунами. В Атлантическом и Индийском океанах их было всего несколько десятков. Чаще всего цунами бывают у берегов Японии (само название «цунами» - японское), Чили, Перу, Алеутских и Гавайских островов. Приуроченность цунами к Тихому океану объясняется сейсмической и вулканической его активностью. Из 400 действующих вулканов земного шара в Тихом океане находится 330. Большинство сильных землетрясений (около 80%) тоже происходит в зоне Тихого океана.

Далеко не каждое цунами бывает катастрофическим. Так, в Японии из 99 цунами только 17, на Гавайских островах из 49 – 5, на Камчатке из 16 – 4 катастрофические. Катастрофические цунами приводят к ужасным бедствиям. Например, при цунами 1703 г. в Японии погибло около 100 тыс. человек, от цунами после взрыва вулкана Кракатау в Зондском проливе (1883) погибло около 40 тыс. человек.

В связи с большой опасностью цунами была организована специальная служба предупреждения цунами. В основе ее работы – инструментальные сейсмологические наблюдения за подводными землетрясениями и гидрологические наблюдения за изменением уровня океана. Полученные этой службой данные о приближении цунами передаются административным органам для обеспечения безопасности людей.

Служба цунами раньше всего была организована в Японии, затем после Алеутского цунами (1946) – в США, а после курило-камчатского цунами 1952 г. – и в нашей стране. Эти службы действуют исправно и помогли избежать многих потерь.

Небольшие цунами случаются и в морях. Так, даже в Черном море небольшие цунами наблюдались в 1927 и в 1966 гг.

Явления, подобные цунами, наблюдаются у берегов тропических стран. Их порождают тайфуны – тропические циклоны. Они приносят ветры огромной силы, которые нагоняют воду на берег и заливают его. Такое явление чаще всего называют штормовым нагоном, но из-за сходства результатов иногда называют «метеорологическим цунами»[3].

7.4. Внутренние волны

Внутренние волны представляют собой колебательное волновое движение в толще воды океанов и морей на поверхности раздела ее слоев различной плотности. Обычно эти слои движутся с разной скоростью относительно друг друга, что нарушает их равновесие. В результате частицы воды погружаются на глубину, в более плотные слои, откуда архимедовы силы плавучести выталкивают их вверх. Пройдя по инерции положение равновесия и оказываясь в верхних, более легких слоях, частица снова начинает тонуть. Их высоты могут достигать десятков и даже сотен метров, но на поверхности внутренние волны настолько мало проявляются , что зрительно они почти незаметны.

Известны случаи, когда воздействие внутренних волн ощущали надводные и подводные суда. Например, корабль «Фрам» Нансена при подходе к кромке льда вдруг резко замедлил ход, хотя машина работала на полных оборотах, никаких видимых препятствий не было. Как выяснилось, причиной этого была «мертвая вода», т.е. сильно развитые здесь внутренние волны. Эффект «мертвой воды» объясняется затратой энергии машины судна на преодоление внутренних волн, вследствие чего скорость движения корабля снижается.

Во время подводного плавания на мезоскафе «Бен Франклин» в Гольфстриме руководитель экспедиции Жак Пикар отметил, что внутренние волны периодически поднимали «Бен Франклин» вверх на 30 м и за несколько минут опускали его на 50 м вниз[2].

8. Приливы и отливы

Приливы и отливы это периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики.

Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива – малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня – стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря – условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже – во время отливов. Это результат осреднения больших рядов срочных наблюдений. Средняя высота прилива (или отлива) – осредненная величина, рассчитанная по большой серии данных об уровнях полных или малых вод. Оба этих средних уровня привязаны к местному футштоку.

Вертикальные колебания уровня воды во время приливов и отливов сопряжены с горизонтальными перемещениями водных масс по отношению к берегу. Эти процессы осложняются ветровым нагоном, речным стоком и другими факторами. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды – приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправлено, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана[4].

В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, «застаивается».

Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Объяснение происхождения приливообразующих сил. Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно большую роль, чем массы тел.

Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли в 81,3 раза больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.

Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30–60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.

За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной – обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.

Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива около 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.

Неравенства величин прилива. Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться: 1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны; 2) амплитудой прилива и 3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды. Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.

Полусуточный эффект. Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе – вращению Земли вокруг своей оси – образуются два полных приливных цикла. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, – против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы, и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.

Полумесячное неравенство. Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 14³ /₄ суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой. До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными.

Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т.е. когда Луна находится в первой или последней четверти), их приливообразующие силы противодействуют, поскольку прилив, вызванный притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызванный Луной. В таких условиях приливы не столь высоки, а отливы – не столь низки, как если бы они были обусловлены только силой притяжения Луны. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом. В Атлантическом океане как сизигийные, так и квадратурные приливы обычно запаздывают на сутки по сравнению с соответствующей фазой Луны. В Тихом океане такое запаздывание составляет лишь 5 ч. В портах Нью-Йорк и Сан-Франциско и в Мексиканском заливе сизигийные приливы на 40% выше квадратурных.

Лунное параллактическое неравенство. Период колебаний высот приливов, возникающий за счет лунного параллакса, составляет 27¹ /₂ суток. Причина этого неравенства состоит в изменении расстояния Луны от Земли в процессе вращения последней. Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. Этот расчет справедлив для порта Нью-Йорк, где эффект пребывания Луны в апогее или перигее обычно запаздывает примерно на 1¹ /₂ суток относительно соответствующей фазы Луны. Для порта Сан-Франциско разница в высотах приливов, обусловленная нахождением Луны в перигее или апогее, составляет только 32%, и они следуют за соответствующими фазами Луны с запаздыванием на двое суток.

Суточное неравенство. Период этого неравенства составляет 24 ч 50 мин. Причины его возникновения – вращение Земли вокруг своей оси и изменение склонения Луны. Когда Луна находится вблизи небесного экватора, два прилива в данные сутки (а также два отлива) слабо различаются, и высоты утренних и вечерних полных и малых вод весьма близки. Однако с увеличением северного или южного склонения Луны утренние и вечерние приливы одного и того же типа различаются по высоте, и, когда Луна достигает наибольшего северного или южного склонения, эта разница максимальна. Известны также тропические приливы, называемые так из-за того, что Луна находится почти над Северным или Южным тропиками.

Суточное неравенство существенно не влияет на высоты двух последовательных отливов в Атлантическом океане, и даже его воздействие на высоты приливов мало по сравнению с общей амплитудой колебаний. Однако в Тихом океане суточная неравномерность проявляется в уровнях отливов втрое сильнее, чем в уровнях приливов.

Полугодовое неравенство. Его причиной является обращение Земли вокруг Солнца и соответствующее изменение склонения Солнца. Дважды в год в течение нескольких суток во время равноденствий Солнце находится близ небесного экватора, т.е. его склонение близко к 0. Луна также располагается вблизи небесного экватора приблизительно в течение суток каждые полмесяца. Таким образом, во время равноденствий существуют периоды, когда склонения и Солнца и Луны приблизительно равны 0. Суммарный приливообразующий эффект притяжения этих двух тел в такие моменты наиболее заметно проявляется в районах, расположенных вблизи земного экватора. Если в то же самое время Луна находится в фазе новолуния или полнолуния, возникают т.н. равноденственные сизигийные приливы.

Солнечное параллактическое неравенство. Период проявления этого неравенства составляет один год. Его причиной служит изменение расстояния от Земли до Солнца в процессе орбитального движения Земли. Один раз за каждый оборот вокруг Земли Луна находится на кратчайшем от нее расстоянии в перигее. Один раз в год, примерно 2 января, Земля, двигаясь по своей орбите, также достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелия). Когда эти два момента наибольшего сближения совпадают, вызывая наибольшую суммарную приливообразующую силу, можно ожидать более высоких уровней приливов и более низких уровней отливов. Подобно этому, если прохождение афелия совпадает с апогеем, возникают менее высокие приливы и менее глубокие отливы.

Наибольшие амплитуды приливов. Самый высокий в мире прилив формируется в условиях сильного течения в бухте Минас в заливе Фанди. Приливные колебания здесь характеризуются нормальным ходом с полусуточным периодом. Уровень воды во время прилива часто поднимается за шесть часов более чем на 12 м, а затем в течение последующих шести часов понижается на ту же величину. Когда воздействие сизигийного прилива, положение Луны в перигее и максимальное склонение Луны приходятся на одни сутки, уровень прилива может достигать 15 м. Такая исключительно большая амплитуда приливо-отливных колебаний отчасти обусловлена воронкообразной формой залива Фанди, где глубины уменьшаются, а берега сближаются по направлению к вершине залива.

Ветер и погода. Ветер оказывает существенное влияние на приливо-отливные явления. Ветер с моря нагоняет воду в сторону берега, высота прилива увеличивается сверх обычной, и при отливе уровень воды тоже превосходит средний. Напротив, при ветре, дующем с суши, вода сгоняется от берега, и уровень моря понижается.

За счет повышения атмосферного давления над обширной акваторией происходит понижение уровня воды, так как добавляется наложенный вес атмосферы. Когда атмосферное давление возрастает на 25 мм ртутного столба, уровень воды понижается приблизительно на 33 см. Понижение атмосферного давления вызывает соответствующее повышение уровня воды. Следовательно, резкое падение атмосферного давления в сочетании с ветром ураганной силы способно вызвать заметный подъем уровня воды. Подобные волны, хотя и называются приливными, на самом деле не связаны с воздействием приливообразующих сил и не обладают периодичностью, характерной для приливо-отливных явлений. Формирование упомянутых волн может быть сопряжено либо с ветрами ураганной силы, либо с подводными землетрясениями (в последнем случае они называются сейсмическими морскими волнами, или цунами)[5].

9. Заключение

Циркуляцию глубинных вод океана обычно рассматривают как термохалинную. Холодная вода в высоких широтах опускается на глубину и распространяется в направлении экватора под более теплой и менее плотной поверхностной водой. Поверхностные течения в океане имеют преимущественно ветровое происхождение. Вращение Земли оказывает всестороннее влияние на океаны (сила Кориолиса). В северном и южном полушариях основные океанические течения образуют антициклонические вихри (круговороты); в зоне климатического экватора они разделяются Экваториальным противотечением восточного направления. Течения на западной стороне круговоротов, такие, как Гольфстим и Куросио, более сильные и переносят больше воды, чем течения на восточной стороне океанических бассейнов.

10. Список литературы

1. http://www.ed.vseved.ru

2. Залогин Б.С., Кузьминская К.С. Мировой океан: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2001. – 192с.

3. Михайлов В.Н., Добровольский А.Н. Общая гидрология: учебник для геогр. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1991. – 368.: ил.

4. http://ru.wikipedia.org

5. http://www.krugosvet.ru

6. Пирожник И.И. География мирового океана. – М.: ТетраСистемс, 2006, 320с.