4. Волнение. Течение, приливы.

В результате воздействия на воды океанов и морей различных природных сил возникают колебательные (волновые) и поступательные движения (течения) частиц воды. Распространение колебаний частиц в морской воде называется волновым движением или волнами. При этом под морскими волнами понимают такую форму периодического, непрерывно меняющегося движения, при котором частицы воды совершают колебания относительно своего положения равновесия.

Морские волны классифицируют по различным признакам. По силам, вызывающим морские волны, выделяют следующие виды волн:

• ветровые — вызываемые ветром;

• приливные — обусловленные действием гравитационных сил Луны и Солнца;

• анемобаритеские — появляются при изменении атмосферного давления;

• сейсмические (цунами) — возникающие при резких колебаниях морского дна, в первую очередь от подводных землетрясений и при извержении подводных вулканов;

• корабельные — возбуждаемые движущимися по морю судами.

ВЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ. Уже при слабом ветре скоростью 1 м/с на поверхности моря появляется рябь. При сильном ветре образуются волны, достигающие большой высоты и обладающие огромной силой.

Как это ни странно, но даже в наш век мощных двигателей и судов грузоподъемностью в десятки тысяч тонн волны нередко затрудняют мореплавание и бывают причиной гибели больших судов. Борясь со встречной волной, суда едва движутся. Побывав в зоне урагана, морские суда приходят в порт с поврежденными палубными надстройками, без спасательных шлюпок, снесенных волной. Волны разрушают берега и портовые сооружения. Сила удара волны о вертикальную стенку измеряется десятками тонн на квадратный метр. В Генуе в 1953 г. во время шторма был разрушен волнолом длиной 4 км и шириной 12 м. Строился он 18 лет и был рассчитан на волны высотой 5 м, а на него обрушились семиметровые волны.

Штормовые волны, вторгаясь на сушу, вызывают гибельные наводнения и разрушения, от которых особенно часто страдает население Центральной Америки и Японии. В 1963 г. волны, вызванные ураганом, затопили низменные районы острова Куба, в 1959 г. — разрушили японский город Нагоя с двухмиллионным населением.

Высота волны измеряется от подошвы до гребня по вертикали, длина — от одного гребня до другого. Чем дольше дует ветер, чем больше «разгон» волны, тем она выше и длиннее. Волны, следующие одна за другой, имеют разную высоту; она зависит от силы ветра, от наложения одних волн на другие, так что разговоры о самом высоком «девятом» вале ни на чем не основаны. В океане волны достигают 18—20 м высоты, но это бывает редко. Некоторые наблюдатели утверждают, что встречали волны высотой в 25 и 30 м. Преобладающая высота океанских волн около 4 м. На глубине 100 м от поверхности волнение уже не ощущается. С выходом на отмелый берег волны становятся короче, выше и на глубине, примерно равной их высоте, разрушаются, образуя пенистые буруны.

Между силой и продолжительностью действия ветра, с одной стороны; длиной и высотой волн — с другой, существует определенная взаимосвязь. Но встречаются довольно большие волны и при полном безветрии. Такие волны называются мертвой зыбью и являются как бы отголосками ветрового волнения в удаленных районах. По выходе из зоны урагана ветровые волны превращаются в пологую зыбь, которая почти никогда не прекращается, так как в океане всегда где-нибудь да бушует шторм, а волны «мертвой зыби» пробегают тысячи километров. Зыбь у берегов образует сильный прибой.

Есть районы, где сильное волнение никогда не утихает и где круглый год свирепствуют штормы. Таковы пользующиеся среди моряков плохой славой - сороковые широты южного полушария.

Влияние ветровых волн на судоходство проявляется в следующем:

• судно на волнении испытывает качку, которая физиологически плохо отражается на людях

• расшатываются связи корпуса судна и обусловливает повышенные требования к его прочности.

• потеря скорости на волнении может достигать 30%

• попадая в резонанс с волнами, т. е. когда период волны совпадает с периодом собственных колебаний судна, оно может потерять остойчивость и опрокинуться. Такие же последствия могут быть при подвижке сыпучего груза в трюмах во время сильной бортовой качки.

• порты, расположенные у открытого побережья, вынуждены ограждать свою акваторию дорогостоящими волноломами, которые «гасят» волну

• грузовые работы приостанавливаются, как правило, при волнении свыше 4 баллов. То же самое относится и к танкерам, производящим грузовые операции у точечных причалов в море.

Цунами (япон.) — морские волны, возникающие главным образом в результате сдвига вверх или вниз протяженных участков морского дна при подводных и прибрежных землетрясениях. Скорость распространения цунами от 50 до 1000 км/ч; высота в области возникновения от 0,1 до 5 м, у побережий от 10 до 50 м и более. Цунами производят опустошительные разрушения на суше (например, в 1933 г. у берегов Японии). Они часто причиняют большой материальный ущерб прибрежным районам и нередко сопровождаются многочисленными жертвами.

В отличие от ветровых волн цунами охватывают всю толщу воды. Одновременно с волной цунами при подводных землетрясениях возникает «ударная волна», которая распространяется в воде со скоростью звука — 5400 км/ч, т. е. в 6—7 раз быстрее, чем волна цунами. Система подводных звукоуловителей (гидрофонов) регистрирует ударную волну, а по направлению, откуда она пришла, устанавливает место ее возникновения, что позволяет высчитать время, через которое придет волна цунами.

В 1755 г. в Лиссабоне во время землетрясения толпа численностью около 60 тыс. человек, спасавшаяся на набережной от обломков рухнувших зданий, была унесена в море хлынувшей на город волной высотой 12 м.

В 1883 г. при извержении вулкана Кракатау на небольшом островке у берегов Индонезии образовалась огромная волна высотой 35 м, которая обошла вокруг всего земного шара и унесла с собой 36 тыс. человеческих жизней. Особенно часто страдает от цунами побережье Японии.

БАРИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ При прохождении циклона, в центре которого атмосферное давление иногда снижается до 660 мм, на поверхности океана образуется выпуклость высотой до 1 м. Эта выпуклость создает барическую волну, которая, подобно цунами, может привести к тяжелым последствиям. Так, в 1953 г. циклон в Северном море у берегов Англии вызвал мощную барическую волну, совпавшую по времени с высоким приливом. Усиленная ветровыми волнами, она выросла на мелководье до десятиметровой высоты, дошла до берегов Голландии и, прорвав знаменитые плотины, отделяющие страну от моря, произвела страшные опустошения: погибло 1400 человек, было разрушено 143 тыс. домов, уничтожено около 400 тыс. голов скота, затоплено 2500 км² территории.

ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ Приливы и отливы — 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.

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 ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.

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.

Устойчивый ветер оказывает не только непосредственное влияние на судно, но и косвенное, через создаваемые им течения. Такие течения называются дрейфовыми.

Морскими течениями называется поступательное перемещение масс воды в море, характеризующееся направлением и скоростью (в узлах).

Основные силы (причины), вызывающие морские течения, делятся на внутренние и внешние. К внутренним относятся силы, возникающие вследствие неравномерного распределения по горизонтали плотности водных масс; к внешним - ветер, атмосферное давление, приливообразующая сила Луны и Солнца.

Кроме внутренних и внешних сил, вызывающих течения, сразу же после возникновения движения водных масс появляются вторичные силы, к которым относят отклоняющую силу вращения Земли (силы Кориолиса) и силу трения, замедляющую всякое движение. На направление течения оказывают влияние также конфигурация берегов и рельеф дна морей и океанов. Мощные океанические течения, встречая на своем пути препятствия в виде материков или островов, изменяют направление, раздваиваются, распадаются на отдельные ветви. Еще больше они деформируются в небольших мелководных бассейнах. Их направление и скорость зависят там от конфигурации берегов и рельефа дна.

Наиболее важными характеристиками течений являются их постоянство, скорость, температура. Особенно важное значение для судоходства имеет последний фактор, так как на стыке теплого и холодного течений (например, Северо-Атлантического и Лабрадорское) возникает туман, затрудняющий мореплавание. Еще важнее воздействие течений на климат прибрежных районов, определяющий сезонность работы портов в высоких широтах. Благодаря течениям климат пунктов, лежащих на одинаковой широте, но на противоположных берегах океанов, существенно отличается (например, климат Западной Европы из-за влияния Гольфстрима значительно теплее, чем в районах Американского континента на тех же широтах).

Течения обязательно учитываются в навигации, так как они ускоряют или замедляют плавание судов, отклоняют судно от курса. На североатлантических трассах суда, следующие в Европу, благодаря течению, идущему в том же направлении, совершают переход быстрее, чем при плавании на запад. В узкостях и проливах течения образуют водовороты, опасные для небольших судов.

Морские течения классифицируют по следующим признакам:

-по происхождению (по силам или факторам, их вызывающих). Здесь различают ветровые (дрейфовые) и градиентные (в т. ч. плотностные и приливо-отливные). Ветровые (дрейфовые) возникают под действием силы трения ветра о водную поверхность. Градиентные вызываются действием градиента гидростатистического давления, возникающего при наклоне поверхности моря относительно уровенной поверхности; наклон поверхности моря может происходить вследствие ветрового нагона, изменения атмосферного давления, речного стока, неравномерного распределения плотности морской воды в горизонтальном направлении. Приливо-отливные течения вызываются приливными волнами, возникающими в результате воздействия на водные массы приливообразующих сил Луны и Солнца. Течения, наблюдаемые после прекращения действия силы, вызвавшей течения, называют инерциальными.

-по устойчивости выделяют постоянные, периодические и временные. Постоянными называют течения, мало изменяющиеся по направлению и скорости в течение длительного периода (сезон или год) - пассатные течения Атлантического, Тихого и Индийского океана. Однако в действительности в строгом смысле постоянных течений нет. Все они в той или иной мере подвержены изменениям. Поэтому постоянными обычно понимают течения, наблюдаемые в одних и тех же районах морей и океанов. Периодическими называют течения, направление и скорость которых изменяется с определенным периодом (повторение через равные промежутки времени и в определенной последовательности). Это характерно для приливо-отливных течений. Временными называют течения, изменение которых имеет непериодический характер. Они вызываются непериодическим воздействием внешних сил, в первую очередь кратковременным воздействием ветра.

-по глубине расположения разделяют:

поверхностные наблюдаются в т. н. навигационном слое, соответствующем осадке надводных судов (0-15 м);

глубинные (на некоторой глубине между поверхностным и придонным течениями;

придонные, наблюдаемые в слое, прилегающем ко дну.

-по характеру движения подразделяют на прямолинейные и криволинейные. В криволинейные входят и т. н. циклонические, представляющие собой круговые течения против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой — в южном, и антициклоническими, движущимися наоборот.

-по физико-химическим свойствам течения разделяются на теплые и холодные, соленые и распресненные. При этом характер течения определяется соотношением температуры или, соответственно, солености масс воды, формирующих течение.

Основная причина поверхностных течений в океане - действие ветров. В связи с тем, что существует связь между направлениями и скоростью течений и преобладающими ветрами, карты течений следует рассматривать как схемы, дающие общую картину.

В тропической зоне Мирового океана, где наблюдаются устойчивые пассатные ветры северо-восточного направления в северном полушарии и юго-восточного - в южном, по обе стороны от экватора возникают два постоянных и мощных пассатных (экваториальных) течения на запад.

Экваториальные течения, встретив на своем пути восточные берега материков, создают нагон воды (повышение уровня) и поворачивают вправо в северном полушарии и влево - в южном.

В широтах около 40° на водяные массы воздействуют преимущественно западные ветры. В силу этого течения поворачивают на восток и северо-восток, а затем, встречая на своем пути западные берега материков, - на юг в северном полушарии и на север - в южном, образуя замкнутые кольца течений между экватором и широтой 40-45°. Часть восточного течения в северном полушарии поворачивает на север, образуя ветвь циркуляции умеренных широт. Между течениями пассатных зон северного и южного полушарий в экваториальной зоне возникают противотечения, направленные на восток.

Отличная от описанной схемы картина течений наблюдается только в тропической зоне северной половины Индийского океана. Глубоко выдающийся на юг п-ов Индостан и обширный азиатский материк создают благоприятные условия для развития муссонных ветров. По этой причине течения северной части Индийского океана имеют сезонный ход в соответствии с сезонным ходом атмосферной циркуляции.

В умеренных широтах 45-65° в северных частях Атлантического и Тихого океанов течения образуют кольцо циркуляции против часовой стрелки. Однако вследствие неустойчивости атмосферной цир­куляции в этих широтах течения также характеризуются малой устойчивостью, кроме тех ветвей, которые поддерживаются постоянным уклоном уровня океана от экватора к полюсам, например, теплые течения Северо-атлантическое и Северо-тихоокеанское.

В полярных широтах, как показывают наблюдения над дрейфом льдов, в Северном Ледовитом океане поверхностные течения следуют от берегов Азии через полюс к восточным берегам Гренландии.

Такой характер течений, с одной стороны, вызван преобладанием восточных ветров, а с другой - является компенсацией притока вод из Северной Атлантики.

У побережья Антарктиды течения имеют преимущественно западное направление и образуют узкую полосу циркуляции вдоль берегов Антарктиды, направленную с востока на запад. В некотором удалении от берегов течения имеют восточное направление, следуя за господствующими западными ветрами умеренных широт.

Но самые опасные течения вызываются приливами. По сравнению с дрейфовыми течениями приливо-отливные гораздо стремительнее. Особенно сильны они вблизи берегов, что опасно для тихоходных судов, так как скорость приливных течений может достигать 8 уз. При этом трудно удержать судно на заданном курсе, а при отливе оно может оказаться на мели. Это нужно учитывать и при постановке судна на якорь. В открытом океане приливы имеют правильный полусуточный характер, но вблизи берегов, вследствие местных особенностей, регулярность и амплитуда приливо-отливных течений различны в разных частях Мирового океана. Наибольшие колебания бывают в узких воронкообразных заливах и в устьевых участках рек. Во время прилива в устьях рек иногда наблюдается водяной вал, поднимающийся вверх против течения реки. Такой вал, называемый бором, бывает опасен для судов.

Приливо-отливные явления не всегда создают препятствия для судоходства, они имеют и положительное значение, позволяя крупнотоннажным судам посещать некоторые устьевые порты на сравнительно небольших и неглубоких реках. С этой целью в таких портах устраивают закрывающиеся бассейны — доки, в которых поддерживают уровень высокой воды. Доковые устройства характерны для многих портов Северо-Западной Европы. Расписания движения линейных судов обязательно согласованы с периодичностью приливов. В противном случае приходится терять до 8 ч на ожидание полной воды для входа в порт. Глубоководные порты, где амплитуда приливов не превышает 2 м, доков обычно не имеют, но при колебании воды в 4 м появляются большие технические трудности при производстве грузовых работ.

При более значительных колебаниях уровня воды без доков обойтись нельзя, так как грузовые работы при таких условиях невозможны. Приливы, которые можно заранее рассчитать и предусмотреть последствия, не создают угрозы судоходству. Но когда приливы, ветер и волнение действуют совместно, они могут нанести прибрежным районам серьезный ущерб.

Так в ночь с 31 января на 1 февраля 1953 г. у берегов Европы разыгралась трагедия, известная под названием «голландской катастрофы». Во время прилива, совпавшего по времени с сильным штормом, водяной вал высотой 8 м перехлестнул через оградительные дамбы, прорвал их и хлынул на голландские прибрежные острова Сховен и Оверфлакке. Погибли 1600 человек. Позднее на улицах и прилегающих полях были найдены небольшие суда.