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

всего вследствие изменения температуры воды, но в некоторых слу­ чаях и вследствие изменения солености. Многочисленные наблюде­ ния показали, что на границе слоев различной плотности под воз­ действием внешних факторов могут возбуждаться колебательные движения частиц жидкости, которые получили название внутренних волн.

В зависимости от характера возмущения и величины вертикаль­ ного градиента плотности одновременно могут возникать внутрен­ ние волны с различными периодами и различными длинами, т. е. наблюдается спектр внутренних волн.

Приливные движения воды в океане возбуждают прогрессивные внутренние волны с периодом, равным периоду приливных волн, но значительно меньшей длины. Внутренние волны могут появиться вследствие резонанса с флуктуациями атмосферного давления, по­ добно тому как это происходит при генерации поверхностных волн. При определенных условиях в этом случае могут образовываться внутренние волны значительной амплитуды. По мнению некоторых исследователей [69] вероятно возбуждение внутренних волн в ре­ зультате резонанса с поверхностными волнами, имеющими разное направление распространения, но близкими по частотам. В этом случае внутренние волны имеют частоту много меньше частоты по­ верхностных волн и распространяется перпендикулярно к их сред­ нему направлению.

Наличие течений в неоднородном море с различными скоростя­ ми также ведет к образованию внутренних волн. Наконец, движе­ ние твердого тела в неоднородном море также может привести к образованию внутренних волн.

Впростейшем случае рассматривают двухслойное море. В ре­ альных условиях неоднородного моря всю его толщу приходится разбивать не на два, а на большее число слоев.

Внутренние волны могут быть поступательными и стоячими, в зависимости от соотношения между толщиной слоев воды и длиной волны — короткими и длинными.

Внеоднородном море внутренние волны существуют -как обыч­ ное явление, что объясняется незначительной величиной силы, не­ обходимой для их возбуждения: при небольшой разнице в плотно­ стях соседних слоев воды, порядка р—р' = Др = 1-102—1 - 1 0 г/см3, энергия внутренних волн примерно в 1000 раз меньше энергии по­ верхностных волн при одной и той же амплитуде. По этой же при­ чине высота внутренних волн значительно больше высоты поверх­ ностных волн, и нередко достигает 30—40 м и больше, о чем можно судить по выбрасыванию на поверхность воды поплавка, уравно­ вешенного на определенной глубине. Максимальная высота внутрен­ них волн наблюдается в слое с максимальным градиентом плотно­ сти, т. е. в слое скачка, и убывает по экспоненциальному закону вверх и вниз от этого слоя. Обычно на поверхности воды амплиту­ да внутренних волн незначительна.

Наличие внутренних волн обнаруживается по изменению темпе­ ратуры и солености морской воды во времени при систематических

180

измерениях на одной и той же глубине при достаточно длительной стоянке судна на одной и той же станции.

Общая теория внутренних волн дает биквадратное уравнение относительно скорости распространения внутренних волн и, следо­ вательно, каждому периоду соответствуют две системы волн.

Практический интерес представляют короткие и длинные внут­ ренние волны. Когда длина внутренних волн мала по сравнению с толщиной слоев воды, образуются две системы коротких волн, рас­ пространяющихся со скоростью, равной скорости поверхностных

волн,

2 _ gh,

Сі — 2я

где р II р' — плотности нижнего и верхнего слоев воды толщиной Я и Н' соответственно.

Если принять, что р' плотность воздуха, то с2 = сі, так как р^>р' и, следовательно, короткие поверхностные волны являются частным случаем внутренних волн.

При указанных выше пределах изменения разности в значениях плотности в верхнем и нижнем слоях воды скорость внутренних волн С2 будет соответственно меньше скорости поверхностных волн в 15—45 раз.

Если длина волн больше толщины слоев воды, образуются две системы длинных волн, распространяющихся со скоростями

Так как сумма Н + Н' равна глубине моря, то скорость сі со­ ответствует скорости длинных поверхностных волн, и следовательно, в неоднородном море возникают длинные внутренние волны, рас­ пространяющиеся с той же скоростью, что и поверхностные волны в однородном море. '

Если принять, что Н' — высота атмосферы и р '— плотность воздуха и так как Н'^>Н и р!Э>р', то приближенно можно записать

Тогда из выражения (Ѵ-121) получим c22=gH, т. е. скорость распро­ странения длинных волн на поверхности моря глубиной Я. Следо­ вательно, эти волны также можно рассматривать как частный слу­ чай внутренних волн.

Если внутренние волны образуются на границе раздела между верхним слоем легкой, талой или пресной воды и нижним слоем

181

тяжелой морской воды, причем #'<СЯ, то для этого случая ско­ рость распространения внутренних волн получим из выражения (IV-121), приняв H' + HeéH,

В соответствии с этой формулой при тех же значениях Ар, что и раньше, скорость внутренних волн будет меньше скорости поверх­ ностных волн в 100—1000 раз при одной и той же амплитуде. Из теории длинных внутренних волн известно, что отношение амплитуд поверхностных и внутренних волн равно

(IV-123)

~а = (7Н + pH'

Здесь знак (—) взят из-за того, что поверхностные волны, как пока­ зывают наблюдения и расчеты, при определенных условиях нахо­ дятся в противофазе с внутренними волнами.

Если Я'<сЯ, то из (ІѴ-123) получим

Для этого случая, если Др=1-10_3 г/см3 и амплитуда волн на гра­ нице раздела а = 30,0 м, амплитуда волн на поверхности составит всего лишь а '= 3,0 см.

182

Г л а в а V

КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ ОКЕАНОВ И МОРЕЙ. ЯВЛЕНИЕ ПРИЛИВОВ

§ 1. ХАРАКТЕР И ПРИЧИНЫ КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ

Основная сила, действующая на массы воды океанов и морей,— это сила тяжести, которая стремится привести частицы воды в со­ стояние покоя. Этому состоянию соответствует поверхность геоида, являющаяся уровненной поверхностью потенциала силы тяжести и везде нормальная к направлению силы тяжести. Поверхность геои­ да, совпадающая с поверхностью среднего уровня океана, принимает­ ся за математическую поверхность Земли, от которой отсчитывают высоты точек земной поверхности. Положение уровенной поверхно­ сти в какой-либо точке называется уровнем моря в данном месте.

Другие силы, к которым относятся приливообразующие силы, си­ лы, возникающие в результате действия солнечной радиации на ат­ мосферу и водные массы океана, и силы, развивающиеся вследствие внутренней энергии Земли, действуют на водные массы океана в це­ лом значительно меньше, чем сила тяжести. В отличие от последней все эти силы стремятся вывести водные массы из состояния равно­ весия и вызывают отклонения поверхности океана от состояния по­ коя. В силу того, что одновременно на водные массы действуют раз­ личные силы и в водах океана одновременно развиваются различные процессы, наблюдаются весьма сложные изменения положения уро­ венной поверхности, которые в фиксированной точке проявляются в виде колебаний уровня моря. Эти колебания могут быть п е р и о д и ­ ч е с к и м и , н е п е р и о д и ч е с к и м и и в е к о в ы м и .

К периодическим колебаниям уровня относятся: приливно-отлив­ ные*, метеорологические (см. гл. IV); колебания, происходящие в результате годового хода осадков, испарения и стока вод, и колеба­ ния, связанные с периодическим изменением направления ветра, на­ пример, в области действия муссонов **.

* П р и л и в н о -о т л и в н ы е к о л е б а н и я п о д р о б н о р а с с м а т р и в а ю т с я в п о с л е д у ю щ и х п а р а г р а ф а х н а с т о я щ е й гл а в ы .

* * М у с с о н ы , — д о с т а т о ч н о у с т о й ч и в ы е т е ч е н и я о б щ е й ц и р к у л я ц и и а тм о с ф е р ы , м е н я ю щ и е с в о е н а п р а в л е н и е о т з и м ы к л е т у н а п р о т и в о п о л о ж н о е ; в у м е р е н н ы х ш и р о т а х з и м о й м у с с о н ы в ы н о с я т в о з д у х с м а т е р и к а н а о к е а н , л е т о м — н а о б о р о т ,

183

Непериодические колебания уровня моря вызываются случайны­ ми изменениями величины осадков, испарения и стока, действием ветра случайного направления, подводными землетрясениями и из­ вержениями (в результате чего могут образоваться цунами), времен­ ными течениями, непериодическим изменением атмосферного давле­ ния, изменением плотности воды и другими причинами.

Зависимость уровня от величины осадков, испарения и стока оче­ видна и характер изменения уровня в годовом разрезе определится климатологическими характеристиками района. Непериодические колебания уровня, вызванные изменениями испарения, осадков и стока составляют обычно порядка 10—20 см. В отдельных же слу­ чаях колебания уровня по этим причинам могут достигать и боль­ ших значений в зависимости от местных условий, особенно в морях, в значительной степени изолированных от океана.

Изменение уровня при действии ветра связаны со сгонно-нагон­ ными явлениями, наблюдающимися в прибрежной зоне моря. В ре­ зультате трения между воздухом и водой возникает поступательное движение частиц воды на поверхности, распространяющееся затем на некоторую глубину. Иногда в движение вовлекается слой воды толщиной до нескольких дёсятков метров. В мелких морях и в мел­ ководных районах глубоких морей движение воды совпадает с на­ правлением ветра. Если ветер дует в сторону берега, то в резуль­ тате притока воды уровень у берега повышается — происходит на­ гон воды; при направлении ветра от берега происходит понижение уровня — наблюдается сгон воды. В глубоких морях полный поток ветрового течения отклоняется от направления ветра, примерно, на 90° и в этом случае сгонно-нагонные явления будут иметь место при ветре вдоль берега.

Величина сгонно-нагонных колебаний зависит от местных усло­ вий, в частности, от рельефа дна и конфигурации береговой линии. Наибольшие колебания уровня при сгонно-нагонных явлениях на­ блюдаются у отмелых берегов, в длинных сужающихся заливах, узких проливах и устьях рек. В этих условиях колебания уровня достигают 2—3 м и более при скорости изменения уровня воды до десятков сантиметров в час; продолжительность самого явления ко­ леблется от нескольких часов до 2—3 суток.

Значительные сгонно-нагонные колебания уровня в Советском Союзе наблюдаются в Азовском море, где разность уровней у наветреннего и подветренного берегов составляет иногда до 3,0 м и более. Были случаи, когда в районе Таганрога при сгонных ветрах вода уходила от берега на 5 км. В Каспийском море, в устье Волги, подъем воды при нагоне достигает 2,0 м, а спад при сгоне— 1,0 м. Обычная же величина сгонно-нагонных колебаний относительно не­ велика и изменяется в довольно узких пределах. Так, например, для

в с в я з и с р а з в и т и е м н а д м а т е р и к а м и о б л а с т и в ы с о к о го д а в л е н и я з и м о й и н и з ­ к о г о — л е т о м ; в з о н е т р о п и к о в м у с с о н ы м е н я ю т с в о е н а п р а в л е н и е через п о л го д а и з -з а р а з л и ч н о г о н а г р е в а н и я п о л у ш а р и й и д в и ж у т с я из « з и м н е г о » в « л е т н е е » п о л у ­ ш а р и е .

184

прибрежных районов морей Советского Союза понижение уровня 95%-ой обеспеченности при сгоне не превышаете 50 см (табл. Ѵ-1).

При постоянном действии ветра, например, пассатов * может иметь место постоянно высокое или постоянно низкое стояние уров­ ня. Это является одной из причин того, что у восточных и западных берегов Центральной Америки разность уровней достигает 50 см.

Т а б л и ц а Ѵ - 1

Обобщенные сгонные уровни 95%-ной обеспеченности для разных морей СССР

(п о Т . П . М а р ю т и н у )

При изменении количества тепла, поступающего от солнца (сол­ нечной радиации), изменяется температура, а следовательно, и плотность воды, что вызывает непосредственное изменение уровня,— повышение его при уменьшении плотности и понижение при увели­ чении плотности. В некоторых случаях значительное изменение плотности большее, чем от действия солнечной радиации, происхо­ дит вследствие перемещения масс воды течениями.

Непериодическое изменение различных факторов и главным об­ разом атмосферного давления над морем вызывает при определен­ ных условиях колебания уровня в результате образования сейш (см. гл. IV). При медленном изменении давления на достаточно боль­ шом пространстве, когда поверхность воды успевает занять новое положение равновесия, происходит изменение уровня из-за стати­ ческого действия давления. При изменении высоты столба ртути в барометре на 1 мм уровень воды изменяется на 13,3 мм, или изме­ нение давления на 1 мбар вызывает изменение уровня на 1 см. Од­ нако измеренные величины колебания уровня при изменении ста­ тического давления в некоторых случаях отличаются от указанной величины и тем больше, чем больше влияние местных условий.

Движение барической системы над ыевозмущенной поверх­ ностью моря вызывает динамические изменения уровня, которые как показывают расчеты, значительно больше статических.

Обычно изменение уровня происходит в результате совместного действия указанных факторов, что объясняется их взаимообуслов-

* Пассаты — в е т р ы , н е п р е р ы в н о д у ю щ и е н а д о к е а н а м и в т р о п и ч е с к и х з о н а х о б о и х п о л у ш а р и й с п р и м е р н о п о с т о я н н о й с и л о й в 3— 4 б а л л а ; п а с с а т ы в о з н и к а ю т в р е з у л ь т а т е н а л и ч и я с у б т р о п и ч е с к о г о а н т и ц и к л о н а (о б л а с т и в ы с о к о г о д а в л е н и я ) и з а х в а т ы в а ю т с и л о й в о з д у х а т о л щ и н о й в н е с к о л ь к о к и л о м е т р о в .

185

ленностыо и взаимосвязанностью: одновремен­ ное действие давления и ветра объясняется не­ посредственной связью между характером рас­ пределения давления и направлением ветра; понижение давления, как правило, сопровож­ дается уменьшением испарения и увеличением осадков и стока.

Так, например, у западных берегов Индии и Бирмы уровень понижается при зимнем севе­ ро-восточном муссоне и повышается — при лет­ нем юго-западном (рис. Ѵ-1, 2).

В этом же направлении здесь действуют изменения давления (так как область низкого давления летом смещается в северное полу­ шарие) и обильное выпадение осадков, обу­ словленное поступлением в период летнего муссона влажного воздуха из экваториальной области.

Направленность действия отдельных факторов на изменение уровня моря зависит от ряда причин и, в частности, от характера береговой линии и может меняться от места к месту. Это, например, видно из сравнения рассмотренного хода уровня у берегов Индии и Бирмы с изменением уровня в порту Аден, расположенном в глу­ бине Аденского залива (северо-западная часть Индийского океана). Поскольку Аденский залив ориентирован примерно с юго-запада на северо-восток, то хотя характер изменения давления и осадков здесь тот же, что и в первом случае, высокий уровень в Адене на­ блюдается зимой при северо-восточном муссоне и низкий уровень — летом при юго-западном муссоне (рис. Ѵ-1, 1), так как изменения уровня, обусловленные изменением давления и осадков, всегда зна­ чительно меньше, чем вызванные действием ветра, дующего вдоль залива (сгон или нагон воды).

Периодические колебания уровня, в том числе, вызванные кли­ матическими факторами, наблюдаются не только в океанах, но и в морях. Так, например, в Черном море годовой ход уровня имеет максимум в июне месяце (рис. Ѵ-2, а), что связано с увеличением стока рек за счет весеннего паводка и выпадением большого коли­ чества осадков в апреле — мае, и минимум в октябре.

В Балтийском море (рис. Ѵ-2, б) изменение уровня вызывается изменениями барической обстановки и связанной с ней системы вет­ ров, а также изменением речного стока. Минимальный уровень на­ блюдается весной в апреле, когда восточные ветры вызывают сгон воды и осадков выпадает мало. В мае с поступлением паводковых вод и началом преобладания западных ветров, уровень начинает повышаться и достигает максимума в августе'— сентябре, когда над морем устанавливается низкое давление. С уменьшением стока рек в октябре имеет место понижение уровня, затем уровень снова по­ вышается и наблюдается второй максимум в январе вследствие дей­ ствия нагонных западных и юго-западных ветров.

186

г

Рис. Ѵ-2. Годовой ход уровня в различных районах Черного (а) и Балтийского (б) морей:

Сгонно-нагонные колебания сопровождаются сопутствующими явлениями, действующими в том же направлении. В мелком водое­ ме при понижении давления над морем и повышении давления над сушей и прибрежной зоной развивается ветер, дующий с суши на море, и уровень воды у берега понижается из-за сгона воды. Одно­ временно в прибрежной зоне уровень понижается вследствие ста­ тического действия давления; ветер сгоняет в море теплые с малой плотностью поверхностные воды и на их место к берегу по дну поступают холодные, более плотные воды с глубины, что также вы­ зывает понижение уровня. Наконец, в этом же направлении дей­ ствует и отсутствие осадков в прибрежном районе при расположе­ нии области повышенного давления над сушей. При обратном рас­ положении областей повышенного и пониженного давления будет иметь место повышение уровня.

Однако в зависимости от местных физико-географических усло­ вий сочетание действующих факторов может быть и отличным от приведенного.

Особенно большое изменение уровня происходит при совпаде­ нии по фазе сгонно-нагонных колебаний и метеорологических коле­ баний, если еще к тому же период последних совпадает с периодом собственных колебаний водоема (сейши). Именно этими причина­ ми объясняются наводнения в Ленинграде, когда повышение уровня относительно нуля Кронштадского футштока достигало 382 см (1924 г.) и 424 см (1824 г.).

187

Вековые колебания уровня происходят в результате медленных вертикальных движений материков, изменения гидрологического режима в бассейнах питающих рек (Каспийское море) и вследствие таяния ледников.

§ 2. ЯВЛЕНИЕ И ТИПЫ ПРИЛИВОВ

Из всех видов колебаний уровня наиболее полно изучены перио­ дические приливно-отливные колебания, разработанная теория ко­ торых позволяет прогнозировать это явление в пространстве и во времени, что имеет огромное практическое значение.

Приливно-отливные явления, или приливы, обусловленные взаи­ модействием между Землей, Луной и Солнцем, представляют собой волновые движения, проявлением ікоторых служат периодические изменения уровня и течения.

Процесс подъема уровня воды, который на отмелом берегу со­ провождается наступлением воды на берег, называется приливом; процесс понижения уровня воды, сопровождающийся на отмелом берегу отступлением воды от берега, называется отливом. Наивыс­ ший уровень воды в процессе подъема называется полной водой (ПВ), наинизший ее уровень во время отлива — малой водой (МВ). Разность уровня смежных полной и малой вод называется величи­ ной прилива.

Высота уровня воды над н у л е м г л у б и н ы называется высо­ той прилива, или поправкой глубин, причем на советских морских картах поправка глубин всегда положительна, поскольку в СССР

за нуль глубины принят теоретический нуль глубин (ТНГ). Промежутки времени от момента малой воды до момента после­

дующей полной воды и от момента полной воды до последующей малой воды называются соответственно продолжительностью роста или подъема (Гр) и падения (Гп) уровня воды. Промежуток време­ ни между двумя последовательными полными или малыми водами называется периодом прилива, значение которого меняется в зави­ симости от типа прилива от одних лунных суток, равных 24 ч 50 мин среднего солнечного времени, до четверти суток.

В дни астрономических сизигий, когда Земля, Луна и Солнце находятся в одной плоскости, перпендикулярной земной орбите, наблюдаются, так называемые, сизигийные приливы, характеризую­ щиеся наивысшим уровнем полных вод и наинизшим уровнем ма­ лых вод, что определяет наибольшее значение величины прилива.

Когда Луна и Солнце располагаются относительно Земли в плос­ костях, взаимно перпендикулярных, что бывает в дни астрономиче­ ских квадратур, наблюдаются, так называемые, квадратурные при­ ливы; при этом имеет место наименьшие подъем и падение уровня и, следовательно, наименьшее значение величины прилива.

Величина прилива зависит также от склонения * Луны: при

* В первой экваториальной системе небесных координат основным кругом служит небесный экватор и полюсом — полюс мира. Через светило и полюс мира проводят круг склонения. Длина дуги этого круга от экватора до светила есть первая координата — склонение светила б.

188

максимальном склонении б?»28°, южном или северном, величина прилива наибольшая — наблюдается тропический прилив (Луна на­ ходится вблизи тропиков); при нулевом склонении Луны имеют место экваториальные (равноденственные) приливы, величина ко­ торых наименьшая.

Из-за влияния местных физико-географических условий наступ­ ление максимального прилива запаздывает относительно момента времени астрономической сизигии и максимального склонения Лу­ ны. В первом случае это запаздывание называется возрастом полу­ суточного прилива, во втором — возрастом суточного прилива.

Промежуток времени от момента кульминации Луны на мери­ диане места до момента наступления первой после этого полной воды называется лунным промежутком (рис. Ѵ-3).

Средняя величина лунных промежутков за половину лунного месяца*, постоянная для данного места, называется средним при­ кладным часом. Средний из лунных промежутков в сизигии при на­ хождении Луны и Солнца в плоскости экватора, т. е". при склоне­ нии, равном нулю, на среднем расстоянии от Земли называется прикладным часом порта. Теоретически вычислить эту величину не представляется возможным, так как невозможно найти момент вре­ мени, удовлетворяющий всем указанным условиям, и, кроме того, очень трудно учесть влияние местных условий на величину лунных промежутков. Поэтому прикладной час порта определяют по дан­ ным достаточно большого числа наблюдений, как средний из лун­ ных промежутков в дни сизигий. Поскольку последняя величина меняется от места к месту, то и прикладной час порта для каждого пункта имеет конкретное значение.

Некоторые дополнительные термины для смешанного прилива показаны на рис. Ѵ-3.

Длительные наблюдения за приливами позволили установить на­ личие отклонений от средних значений величин приливов и времени наступления полных и малых вод, которые вызываются изменением взаимного расположения Земли, Луны и Солнца. Эти отклонения получили название неравенств приливов и могут быть суточными, полумесячными, месячными (параллактическими) и длиннопериод­ ными.

Суточные неравенства приливов выражаются в неравенстве вы­ сот двух смежных полных и малых вод и неравенстве во времени их роста и падения в течение суток** (рис. Ѵ-3). Величина суточных неравенств имеет наибольшее значение при максимальном склоне­ нии Луны и Солнца и наименьшее — при склонении, равном нулю.

Полумесячные неравенства бывают по высоте и по времени. Не­ равенства по высоте представляют собой изменение в течение полу­ месяца величины прилива в соответствии с фазой Луны и в зависи­

* Лунный (звездный или сидерический) месяц — средний период возвраще­

189