Океан и атмосфера
Шрифт:
При проектировании и строительстве морских портов исключительно важно знать основные характеристики ветрового волнения данного района — средние и, особенно, экстремальные, потенциально несущие в себе возможность будущих катастроф. Подход ко многим портам морских судов идет по искусственным морским каналам, которые постоянно нуждаются в очистке.
В перспективе — применение энергии волнения. Сущность ее основана на движении поплавка на волне: это колебание приводит в движение насосы, которые в свою очередь поднимают воду вверх, а падая, вода заставляет работать турбину. Есть и другой способ: ударяя в лопасти турбины, волны заставят их производить работу.
Огромная и бесполезная пока (а часто вредная) сила прибоя может быть направлена в специальные русла. Вода при этом будет подниматься прибоем и также использоваться для работы турбин. Разумно, со знанием характера волнения, выбранное для
Уровень
Уровенной поверхностью океанов называется поверхность, перпендикулярная направлению равнодействующей сил, влияющих на положение водной частицы в данном месте, — сил тяжести и центробежной. Такая поверхность может образоваться, если составляющие ее частицы достаточно подвижны. Этим условиям удовлетворяет свободная поверхность воды. Вследствие неодинакового распределения плотности земной коры свободная поверхность океанов несколько отличается от правильной математической формы эллипсоида вращения и имеет форму, которую в геодезии принято называть геоидом. Различие этих двух форм по сравнению с радиусом Земного шара очень невелико.
Помимо основных указанных сил, на уровень океанов и морей влияют и другие причины: ветры, атмосферное давление, течения, приливы, соленость и температура морской воды, осадки, сток рек. На общую форму геоида они не влияют, но в жизни людей и их деятельности имеют весьма существенное значение.
Довольно долго считалось, что средние уровни различных морей находятся на одинаковой высоте. Так полагали еще в середине прошлого столетия, когда начали производить точные нивелировки местности для измерения высот — средние уровни моря были взяты в качестве нулей высот. Но исследования, произведенные позднее, показали, что так делать нельзя. Тогда за нулевые высоты были приняты уровенные поверхности, проходящие через условные нули высот. В различных районах морей и океанов преобладают те или иные макропроцессы. Поэтому средний уровень океана в различных пунктах не совпадает в точности с поверхностью геоида. В морях без приливов, например Каспийском, при отсутствии нивелирной сети в каком-нибудь районе, средний уровень можно принять за нуль высот.
Отчего же колеблется уровень океана и моря? Основных причин три: гидрометеорологические процессы, которые обусловливают вертикальные и горизонтальные перемещения воды; действие космических приливообразующих сил Луны, Солнца и звезд; влияние геодинамических сил, возникающих при тектонических процессах в земной коре.
Рассмотрим более подробно первую группу сил, связанную непосредственно с влиянием атмосферы на поверхность океана. Уровень изменяется с изменением атмосферного давления над данным районом. Это статическая реакция водной массы: давление больше — уровень ниже, и наоборот. Величина статического давления теоретически основана на том, что плотность ртути в 13,3 раза больше плотности морской воды. Это значит, что при изменении давления атмосферы на 1 мб уровень меняется на 1 см. Этот расчет справедлив только при очень медленном изменении давления (например, если над данным районом моря располагается малоподвижный антициклон). Если же проходят циклоны с сильными ветрами, общая картина нарушается и усложняется. При работах над методами морских прогнозов установлен ряд эмпирических зависимостей, показывающих, что влияние статического давления на колебания уровня моря примерно в 10 раз меньше, чем динамического, т. е. определяемого не весом столба воздуха, а его движением. Так, колебания уровня, вызванные ветром, могут достигать очень больших величин — до 1–2 м. Продолжительные ветры одного направления вызывают вблизи берега подъемы и спады уровня, сгоны и нагоны. В небольших морях эти ветры называются сквозными — они охватывают все море и сгоны или нагоны иногда могут стать катастрофическими. Это временные, сравнительно быстротечные колебания. Существуют также сезонные и постоянные колебания уровня. Они относятся в основном к области пассатов. Например, пассаты Атлантического океана гонят воду в Карибское море и Мексиканский залив, в то время как пассаты Тихого океана отгоняют воду от Панамского перешейка. Таким образом, средний уровень в этом районе со стороны Атлантического океана выше, чем со стороны Тихого океана примерно на 0,5 м. Вдоль одного и того же берега материка средний многолетний уровень повышается с юга на север. Когда в Советском Союзе была проведена самая длинная в мире нивелировка — от Кронштадта до Владивостока, оказалось, что и здесь существует разница в 1,8 м. А нивелировкой между Балтийским и Черным морями обнаружена разность уровней в 0,25 м. Разница уровней в Архангельске
У северо-западного побережья Европы и Северной Америки происходят сезонные колебания уровня, обязанные своим происхождением зональным западно-восточным переносам — в осенне-зимний период уровень у континентов повышается, а летом понижается. Типичны сезонные колебания уровня в зоне муссонов. У наветренных берегов в этих областях уровень повышается, а у подветренных — понижается. В нашей стране такой областью являются дальневосточные моря. В зимнее время северо-западные муссонные ветры дуют с суши на море, и тогда в юго-восточных районах морей уровень выше, чем в северо-западных. А в летнее время, когда муссон направлен с моря на сушу, уровень ниже. Эту картину в целом легко обозреть, если построить графики годового хода среднего уровня для типичных условий муссонного и зонального режимов.
Бризовые ветры, изменяющие свое направление 2 раза в сутки, вызывают соответствующие колебания уровня, они периодически повторяются и относительно невелики — это как бы маленькие муссонные колебания. Без какой-либо видимой периодичности время от времени происходят значительные колебания уровня. Они обусловлены большими изменениями атмосферного давления и ветра, связанными с прохождением над морем циклонов и антициклонов. При этом могут произойти катастрофичные нагоны или сгоны уровня — первые наиболее опасны. С ними, в частности, связаны ленинградские наводнения. Так, известное наводнение 23 сентября 1923 г. было вызвано глубоким циклоном, с давлением в центре ниже 735 мб и скорости ветра в среднем до 25 м/с (при порывах 40 м/с). Именно в этих условиях уровень воды достиг наиболее интенсивного подъема. Метеорологическая наука не смогла донести до нас условия наводнения, происходившего за 100-летие до этого и описанного А. С. Пушкиным в «Медном всаднике».
В течение уже нескольких десятилетий в Ленинграде гидрометеорологическая служба ведет большую работу по предсказанию наводнений. Здесь используются теоретические и эмпирические методы, моделирование, налажена четкая оперативная информация, использующая все современные средства связи. Делается все, чтобы вовремя оповестить население, уберечь здания, службы, имущество. А наводнения продолжаются. В настоящее время принят проект сооружения плотины, которая оградила бы город на Неве от стихийных бедствий. Какую роль после ее сооружения будут играть прогнозы, сказать пока трудно, но надо полагать, что в какой-то степени и форме они останутся необходимыми.
Из чего складывается величина колебаний уровня при сгонно-нагонных ветрах, от чего она зависит? Прежде всего от ветра. Само влияние ветра складывается из его силы, продолжительности, направления по отношению к береговой черте. Кроме того, имеет значение глубина моря и рельеф дна. Данные условия можно было бы учесть в общем виде и установить зависимости от них колебаний уровня. Однако в настоящее время это еще не удалось сделать ни одному ученому. И. Н. Зубов расчленил задачу на ряд более простых, элементарных случаев, в которых рассматривается циркуляция, вызываемая ветром в прямоугольном длинном бассейне.
Катастрофические сгонно-нагонные колебания уровня время от времени происходят практически на всех морях. 10–13 ноября 1952 г. в северо-западной части Каспийского моря нагон был вызван штормовыми ветрами, достигавшими 28 м/с. Поднявшаяся вода затопила западное побережье моря и берега в дельте Волги. Этот нагон был близок лишь к одному в наше столетие, имевшему место на Каспии в ноябре 1910 г.
Изменения уровня происходят, когда в данный район поступают дополнительные количества воды. Основная роль в этом принадлежит передвижению морской и речной воды (в пределах одного года и от года к году), второстепенная — осадкам и испарению. Обмен водами между морями, соединенными с океаном, а также сток рек в общем не вызывают заметного колебания уровня. Но в морях, отделенных от океана, материковый сток играет очень большую роль. Например, на Каспийском море во время весеннего половодья на реках (в первую очередь на Волге) уровень достигает наибольшей величины. Общеизвестно также падение уровня Каспия (с 1933 г.), связанное с резким уменьшением стока Волги.
В течение ряда лет изучались причины падения уровня Каспия. Проводились также работы по долгосрочным прогнозам его уровня. Советский океанолог Н. А. Белинский предложил метод, успешно применяющийся на практике. В основе его лежит учет атмосферной циркуляции на обширных пространствах, формирующих цепочку процессов, конечным итогом которых явилось падение уровня Каспия.
В прогнозах уровня Каспия на год (по месяцам) и на пятилетие заинтересованы многие отрасли народного хозяйства: гидростроительство, рыбная промышленность и промысел морского зверя (на Каспии водятся тюлени) и др.