книги из ГПНТБ / Смирнов Г.Н. Океанология (в инженерном изложении) учебник

Г. Н. С М И Р Н О В

ОКЕАНОЛОГИЯ

(В . И Н Ж Е Н Е Р Н О М И З Л О Ж Е Н И И )

Допущено Министерст­

вом высшего и среднего

специального образова­

ния СССР в качестве

учебника для студентов специальности «Гидротехническое строитель­

ство водных путей и пор­ тов» высших учебных за­ ведений

М О С К В А « В Ы С Ш А Я Ш К О Л А » 1974 г.

Смирнов Г. Н.

делы: зарождение и развитие ветровых волн, расчет их параметров, транс­ формация волн на мелководье, воздействие волн на сооружения и берега, дви­ жение наносов и др.

Учебник написан в соответствии с программой по курсу «Океанология» и предназначен для студентов вузов по специальности «Гидротехническое строи­ тельство водных путей и портов».

Рецензенты: Одесский институт инженеров морского флота (ка­ федра «Гидравлики и водных исследований», зав. каф. проф. Г. С. Башкиров); начальник отдела морской гидравлики Союзморниипроекта — проф. Ю. М. Крылов.

© Издательство «Высшая школа», 1974

I

ВВЕДЕНИЕ

Экономически выгодно и технически целесообразно проектиро­ вать и строить морские гидротехнические сооружения можно толь­ ко, располагая достаточно полными и достоверными сведениями о тех условиях, в которых эти сооружения будут работать.

Само название морских гидротехнических сооружений говорит о том, что они подвержены воздействию моря, которое может быть механическим, химическим, термическим, биологическим и т. п. и определяется процессами, протекающими в океанах и морях.

Изучением этих процессов занимается океанология, которая представляет собой систему знаний о природе Мирового океана и к настоящему времени сформировалась как совокупность нескольких естественных наук: физики моря, химии моря, геологии моря и др.

Физика моря изучает физические свойства морских вод и льдов и процессы, протекающие в них. Специальный раздел океанологии посвящается взаимодействию атмосферы и океана.

Химия моря изучает химические свойства и состав вод Мирового океана, а также развитие в них химических процессов.

Морская геология — наука, изучающая состав, строение и раз­ витие дна и берегов морей и океанов, а также условия образования

исостав морских отложений на дне.

Впоследнее время быстро развивается морская геоморфология, занимающаяся изучением форм рельефа и законов их развития.

Одно из ее направлений — динамика и морфология морских бере­ гов и дна — рассматривает процессы формирования форм рельефа в береговой зоне под воздействием волновых и неволновых факто­ ров. Эта дисциплина непосредственно соприкасается с общей гео­ морфологией, океанологией и инженерными дисциплинами.

Биология моря — наука об органической жизни в океанах и морях.

Поскольку в океане физические, химические и другие процессы взаимосвязаны и взаимообусловлены, то и отдельные отрасли нау­ ки, изучающей океан, также связаны между собой. Многие процес­ сы, происходящие в океане, зависят от атмосферных явлений. Вол­ нение и морские течения, в основном, вызываются ветром. Колеба­ ния уровня в ряде случаев зависят от направления ветра и изменения атмосферного давления.

В свою очередь океаны и даже небольшие внутренние моря оказывают сильное воздействие на атмосферу, определяют разви­

5

тие в ней различных процессов, влияют на тепловой режим матери­ ков, на силу и направление ветра и т. и. Таким образом, океаноло­ гия оказывается тесно связанной с метеорологией.

При изучении явлений приливов, которые обусловлены Бездей­ ствием на воды океана Луны и Солнца, необходимо располагать сведениями из астрономии.

Процессы развития морских берегов и дна в первую очередь зависят от рельефа, геологической структуры берегов, вида пород и от динамических воздействий моря на берега и дно, т. е. от факто­ ров и явлений, которые изучают геология и физика моря.

При исследовании различных процессов в океане широко исполь­ зуются: математика, гидродинамика, физика, химия и другие от­ расли науки, а также современная измерительная и вычислитель­ ная техника.

Рассматривая воздействие морской среды на инженерные соору­ жения, необходимо привлекать прикладные дисциплины: теорию строительных материалов, статику и динамику сооружений, меха­ нику грунтов, инженерную геологию и др.

История строительства морских гидротехнических сооружений изобилует примерами аварий этих сооружений. Если не считать разрушений военного характера, то подавляющее большинство аварий происходит в результате недостаточной изученности или недооценки, физико-географических условий района строительства.

Наиболее частыми причинами разрушения морских гидротех­ нических сооружений являются занижение величин расчетных па­ раметров волнения и неправильная оценка несущей способности грунтов основания. Поэтому для инженера-портостроителя необ­ ходимо всестороннее и глубокое изучение жизни моря и всех наблю­ дающихся в море процессов.

Первые сведения о природе океанов и морей стали появляться задолго до начала океанографических исследований. На протяже­ нии веков жители побережий в процессе труда постоянно наблюда­ ли волны, приливы, течения в море и постепенно накапливали фактические знания о них. Длительный период — от древнейших времен до начала эпохи великих географических открытий — пред­ ставляет собой предысторию океанографических исследований. Для него характерно практическое ознакомление людей с природными условиями посещаемых ими акваторий.

Самыми древними мореплавателями были предки современных полинезийцев, малайцев и японцев, население о. Крит, египтяне и финикийцы. Они имели представления о географическом распро­ странении известных им акваторий, попутных ветрах и течениях.

Первые письменные и картографические документы о морях встречаются в трудах греков и римлян. Они создали концепции о распределении воды и суши на известном им пространстве Земли и много писали о физических явлениях в море. Геродот (V в. дон.э.), Посидоний (II в. до н. э.), Плиний Старший (начало н. э.) описали приливные колебания уровня моря и, пытаясь объяснить их, пра­ вильно указали на связь этого явления с положением Луны относи­

6

тельно Земли. Аристотель указывал на различие температуры мор­ ской воды на поверхности и на глубине; Страбон отметил морские

.льды в Керченском проливе и т. д. Таким образом, ученые антично­ го мира знали относительно много о географии и физических свой­ ствах океана.

В средние века имели место плавания арабов в Индию и Китай, норманнов в Гренландию и к берегам Северо-Восточной Америки, русских поморов в Баренцевом и Карском морях. Они расширили географический кругозор человечества тех времен, но не дали су­ щественных океанографических результатов по сравнению с антич­ ным периодом.

С эпохой великих географических открытий связан первый исто­ рический этап в познании Мирового океана — этап поисков (XV в. — начало ХѴІГІ в.). Он характеризуется экспедициями, про­ ходившими без плана, вслепую, снаряжаемыми, главным образом, для открытия новых земель и торговых целей. Попутно они получа­ ли новые сведения о природе океанов и очертаниях их берегов. Так, португальские мореплаватели открыли Канарское, Гвинейское и Бенгальское течения в Атлантическом океане. Испанец Альминос в 1513 г. впервые сообщил о Гольфстриме. Христофор Колумб про­ извел наблюдения над течениями в открытом океане и обнаружил Северное Пассатное течение. Плавания у атлантических берегов Южной Америки привели к открытию Бразильского и Гвианского течений.

Промежуток времени от начала XVIII в. до третьей четверти XIX в. — этап обследования Мирового океана. Он характеризуется планомерными экспедициями, которые сопровождались общегео­ графическими и отчасти специальными океанографическими обсле­ дованиями посещаемых акваторий.

В плаваниях иногда участвовали ученые-естествоиспытатели. Первые значительные результаты принесли экспедиции Беринга в 1728 г. и Беринга с Чириковым в 1741 г. в северной части Тихого океа­ на и у берегов Северного Ледовитого океана. Плодотворными были плавания Дж. Кука (1768—1780 гг.), обследовавшего обширные про­ странства от антарктических до арктических вод. Новые материалы о западных районах Тихого океана дали экспедиции Бугенвиля (1768 г.) иЛаперуза (1785—1788 гг.).

Выдающимися для своего времени были исследования русских мореплавателей во время их кругосветных путешествий. Во время плавания Крузенштерна и Лисянского (1803—1806 гг.) впервые оп­ ределены температура и удельный вес воды на разных глубинах. Эти работы были продолжены и расширены Э. Ленцем, участвовав­ шем в экспедиции (1823—1826 гг.) Коцебу. На их основе Ленц первый установил движение холодных глубинных вод к экватору, а теплых поверхностных вод в обратном направлении.

На этапе обследования океана начали появляться обобщения накопленных сведений. Ломоносов дал первые наметки общей схе­ мы течений в океанах. Итальянец Марсильи в 1725 г. опубликовал первую сводку данных по температуре, удельному весу и цвету

7

морских вод, рельефу дна и грунтам океана. Мори в 1848 г. опубли­ ковал книгу «Карты ветров и течений» для районов морских путей. Датчанин Форхгаммер в 1865 г. впервые довольно точно определил солевой состав океанской воды. Все это свидетельствовало о значи­ тельных успехах в ознакомлении человека с океаном.

Основной характерной чертой этапа океанографического иссле­ дования океана (конец третьей четверти XIX в. — начало XX в.) ста­ ло проведение специальных морских экспедиций по изучению оке­ ана с применением специфических методов океанографических ис­ следований. В них сначала преобладал описательный подход: сбор фактических данных и отчасти попытки объяснить наблюдаемые явления.

Первая специализированная океанографическая экспедиция бы­ ла снаряжена англичанами на паровом корвете «Челленджер» (1872—1876 гг.). В результате ее работы стало известно распреде­ ление океанографических характеристик по глубине в разных райо­ нах океана, составлено представление о рельефе дна океанов, разработаны новые методы физико-химических и геологических работ в море. По примеру «Челленджера» стали проводиться и дру­ гие, чисто океанографические исследования в океанах и морях. Значительные результаты дали научные экспедиции на судне США «Альбатрос» (1900—1905гг.), германских судах «Вальдивия» (1898—1899 гг.) и «Гаусс» (1901—1903 гг.), английском судне «Дисковери» (1901 —1904 гг.) и др. Уникальные океанографические ра­ боты провел Ф. Нансен на судне «Фрам» (1893—1896 гг.). Во вре­ мя дрейфа в Северном Ледовитом океане он выяснил общий ха­ рактер движения льдов в Арктическом бассейне, установил проникновение теплых атлантических вод в его глубокие слои, сде­ лал попытки дать теоретическое объяснение сделанным наблюде­ ниям.

Большой вклад в изучение океана на этом этапе внесли русские исследователи. Адмирал С. О. Макаров измерил поверхностные и глубинные течения в Босфоре и вывел важные закономерности во­ дообмена в проливах. Во время кругосветного плавания на корабле «Витязь» (1886—1889 гг.) он произвел большое число определений температуры, удельного веса воды и скорости течений на разных глубинах. Обобщив эти данные, Макаров создал капитальный труд: «Витязь и Тихий океан» (1894 г.).

В Черном море работала океанографическая экспедиция Шпиндлера и Врангеля (1890—1891 гг.), впервые обнаружившая серово­ дородное заражение глубинных слоев Черного моря. В эти же годы в Баренцевом море начала исследования первая специализирован­ ная научно-промысловая экспедиция под руководством Н. М. Книповича.

В первые годы XX в. сравнительно многочисленные данные наб­ людений в океанах и морях стали обобщаться в виде карт, атласов, монографий. Наиболее значительными трудами по океанографии

8

Ю. М. Шокальского, которая подвела итог и завершила описатель­ ный этап в истории науки о море.

Следующая, более высокая ступень развития океанографии — этап детального изучения океанов и морей (промежуток времени между первой и второй мировыми войнами). Для него характерно перерастание отдельных разрозненных экспедиций в систематичес­ кие исследования, начало стационарного изучения океанов и морей,

арктических морей от Норвегии до Аляски и датского судна «Дана» (1921—1922 гг.) в Атлантике.

Широко развернулись океанографические исследования в нашей стране после Октябрьской революции. Декрет о создании Плавуче­

значение, которое сохраняется и в наши дни.

В 20-е годы проводились значительные советские экспедиции на Баренцевом, Белом, Черном и Каспийском морях. Во время второго Международного полярного года (1932—1933 гг.) наши морские экспедиции обследовали Гренландское, Баренцево, Карское, Чукот­ ское и Берингово моря. В дальнейшем (1934—1935 гг.) в эти моря снаряжались советские высокоширотные экспедиции на э/с «Литке», э/с «Персей», л/к «Садко». В 1937 г. впервые в мире была органи­ зована дейфующая станция на льдине у Северного полюса (СП-1) во главе с И. Д. Папаниным, а в 1941 г. состоялась воздушная эк­ спедиция в район «полюса относительной недоступности» (севернее о. Врангеля). Дрейфующая станция и воздушная экспедиция поло­ жили начало принципиально новому и весьма эффективному спо­ собу изучения Северного Ледовитого океана.

Детальное изучение океанов и морей в 20-х — 40-х годах дало обширный фактический материал не только для выяснения законо­ мерностей распределения океанографических характеристик в мор­ ских водах, но и для исследования важнейших процессов в Мировом океане. В это время в нашей стране отчетливо сформировалось но­ вое направление в науке о море — океанология, содержание кото­ рой составляет исследование природных процессов в океанах и мо­ рях. Ее основы были заложены в трудах Н. Н. Зубова, В. В. Шулей­ кина, С. В. Бруевича, М. В. Кленовой, В. В. Тимонова, Л. А. Зенке­ вича, где показаны важнейшие закономерности развития физических, биологических и геологических процессов, протекающих в водах Мирового океана, на его берегах и дне и в атмосфере над ним.

Современная океанология находится на этапе проблемных, про­ филированных исследований океанов и морей. Ее характерной чер­ той стали специализированные экспедиционные, лабораторные и теоретические исследования по отдельным крупным проблемам, связанным с изучением морских течений, приливов, волнения, мор­ ских льдов, акустики моря и другим разделам физической океано­ логии. Вместе с тем проводятся и комплексные океанологические

9