книги из ГПНТБ / Смирнов Г.Н. Океанология (в инженерном изложении) учебник
.pdfГ. Н. Смирнов
ОКЕАНОЛОГИЯ
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.
|
каѵнно-твхи'..-!ОСкая |
I |
|
б и б л и о те к а С С С Р |
I |
551.49 |
ЧИІЛj> Of О ЗАЛА J |
|
С50 |
||
УДК 551.46. |
|
|
Смирнов Г. Н.
С50 |
Океанология. Учебник для |
втузов. М., «Высш. шко |
|||
ла», |
1974. |
|
|
|
|
|
342 с. с ил. |
|
|
|
|
|
В учебнике излагаются необходимые для инженера-гидротехника основные |
||||
сведения о морях и океанах, химических и физических |
свойствах морской |
воды |
|||
и |
льда, |
а такж е о процессах, наблюдаемых в морях |
и океанах. |
|
|
|
Большое внимание уделено динамике морских вод, в частности ветровому |
||||
волнению, колебаниям уровня и течениям. |
формул и графиков изложены |
раз |
|||
|
Подробно, с привлечением расчетных |
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».
с |
0296-517 |
551.49 |
------------------113—74 |
||
|
001(01)—74 |
|
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
«Изучая движение воды, не за будь из каждого обнаруженного явления сделать вывод для прак тики, чтобы твоя наука не оста лась бесполезной».
Леонардо да Вити
ПРЕДИСЛОВИЕ
После Великой Отечественной войны успешно развиваются -внешнеторговые связи Советского Союза, из года в год увеличива ется объем перевозок между Советским Союзом и другими страна ми, решающая роль в которых принадлежит морскому торговому
флоту. Возрастает также объем перевозок между отечественными портами.
Быстро растет общий тоннаж отечественного торгового морско го флота, который пополняется новыми крупнотоннажными судами с осадками до 15—16 м. Одновременно отечественные порты прини мают все возрастающее число иностранных крупнотоннажных судов. Отсюда — необходимость строительства новых и реконструкции существующих портов с выходом на глубины до 20—25 м и более.
В последнее время уделяется большое внимание освоению шель
фа, в частности, с целью добычи полезных |
ископаемых и в первую |
очередь добычи нефти. Гидротехнические |
сооружения морских |
нефтепромыслов, — эстакады, отдельные |
основания, подводные |
трубопроводы, — различной конструкции возводятся к настоящему времени на глубинах до 60—100 м и более.
Широкое строительство на морских побережьях городов, курор тов и промышленных предприятий влечет за собой возведение при чалов на открытых побережьях, берегоукрепительных сооружений различных типов и конструкций, крупных водозаборов и водовыпусков и других сооружений.
Все это определило значительный объем, новое качество и высо кие темпы морского гидротехнического строительства, осуществле ние которого должно вестись высококвалифицированными инжене рами-гидротехниками, обладающими глубокими знаниями свойств морской среды и ее воздействий на сооружения.
Поэтому появилась необходимость создать краткий учебник океанологии для студентов строительных вузов, в котором бы рас сматривались вопросы, представляющие наибольший интерес с точки зрения проектирования, строительства и эксплуатации морских гидротехнических сооружений. Кроме того, в учебнике следует кратко изложить общие разделы океанологии, поскольку в строи тельных вузах этот курс является единственным, в котором буду щие инженеры-гидротехники знакомятся с комплексом вопросов, посвященных изучению морей и океанов.
з
На основании изложенного автор попытался написать учебник по океанологии для студентов, обучающихся по специальности «Строительство водных путей и портов» в строительных и транс портных вузах.
При написании учебника использованы материалы лекций по курсам «Океанология», «Портовые технические изыскания» и «Пор ты и портовые сооружения» (разделы компоновки портов и огради тельные сооружения), которые автор читает с 1957 г. в Московском инженерно-строительном институте им. В. В. Куйбышева на кафед ре «Водное хозяйство и морские порты», а также по курсу «Морские портовые изыскания и динамика береговой зоны», который читает ся автором с 1967 г. на Географическом факультете МГУ им.
М.В. Ломоносова.
Всвязи с поставленной задачей в учебнике излагаются общие вопросы океанологии, с доступной для краткого курса подробностью освещаются протекающие в море химические, физические и механи ческие процессы, которые определяют выбор материала, тип и кон струкцию сооружений, их расположение и общую компоновку пор
та. В том числе кратко описываются химические и физические свой ства морской воды, термика моря, рельеф и геология дна океанов
иморей. Относительно подробно излагается динамика моря: изме нения уровня, течения, волнение, перемещение наносов. При этом с возможной для учебника полнотой рассматривается динамика вод в прибрежной зоне, имеющая весьма важное значение для портостроения. В отличие от наметившейся в литературе за последние го ды тенденции автор считает методически более правильным не вы делять динамику береговой зоны в самостоятельный раздел, а изло жить отдельные вопросы в соответствующих главах, подчеркнув генетическую связь течений и волнения на глубокой и мелкой воде
иих воздействия на берега и дно моря.
Вучебнике практически только упоминается о таких разделах океанологии, как взаимодействие океана и атмосферы, перемеши вание вод и др. Наконец, ряд вопросов вообще опущен либо пото му, что они изучаются в смежных курсах (круговорот воды в приро
де, молекулярное строение воды, теория растворов, расчет нагрузок, расчет заносимости и др.), либо потому, что являются частными и не имеют прямого отношения к строительству морских гидротехни ческих сооружений. При необходимости читатель может обратить ся к общим курсам океанологии и специальной литературе.
Автор выражает благодарность проф. докт. техн. наук Ю. М. Кры лову и проф. докт. техн. наук Г. С. Башкирову за рецензирование рукописи и сделанные при этом ценные указания.
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
были труд О. Крюммеля (1907—1911 |
гг.), Шпиндлера |
(1914 — |
1915 гг.) и, наконец, фундаментальная |
«Океанография» |
(1917 г.) |
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,
становление океанологии — науки о |
процессах в Мировом океане. |
|
К первым значительным |
экспедициям того времени относятся |
|
работы норвежского судна |
«Мод» |
(1918— 1920 гг.) вдоль берегов |
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
го |
морского научного |
института, |
подписанный |
В. И. Лениным |
16 |
марта 1921 г., придал |
советской |
науке о море |
государственное |
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