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

ительство рыбных портов на Балтийском, Черном морях, в районе Владивостока и в ряде других мест. Бурно развивается строитель­ ство морских нефтепромыслов. Строятся судоподъемные сооруже­ ния — сухие доки, слипы, эллинги. Большие работы намечаются по берегоукреплению.

Указанные тенденции в развитии морского строительства вы­ зывают необходимость предъявления повышенных требований к материалам, характеризующим физико-географические условия района строительства, с тем, чтобы при проектировании морских гидротехнических сооружений с достаточной полнотой учесть влия­ ние морской среды на эти сооружения и обеспечить их устойчи­ вость, прочность и долговечность при надлежащей экономичности Для решения этой проблемы, прежде всего, следует определить ха­ рактер и величину волновых нагрузок на сооружения, подвержен­ ных воздействию волн, для чего необходимо исследовать процесс развития и трансформации волн на мелководье.

Не менее важным является вопрос изучения инженерно-геологи­ ческих свойств морских отложений в районе строительства и прог­ ноз переформирования морских берегов при возведении гидротех­ нических сооружений. С последней проблемой непосредственно связан вопрос перемещения наносов в прибрежной зоне, что влечет за собой необходимость изучения кроме волнения также и морских прибрежных течений.

Таким образом, для гидротехников наибольший интерес пред­ ставляет относительно узкая прибрежная часть моря, которая за редким исключением никогда не являлась предметом специальных исследований океанографических экспедиций. Изучение процессов, наблюдающихся в этой зоне (волнения, течения, перемещения на­ носов и др.), велось, в основном, инженерами-гидротехниками, что вызывалось практикой строительства морских портов и других объ­ ектов на берегу моря.

Первые действительно научные исследования этих процессов принадлежат Леонардо да Винчи, который много занимался изуче­ нием волнения и проектированием гидротехнических сооружений. В некоторых работах Леонардо да Винчи имеется ряд вполне сов­ ременных положений о волнах и их воздействии на берега и соору­ жения.

В XVI и XVII вв. не было специальных работ по динамике бере­ говой зоны несмотря на широкое строительство портов, и только во второй половине XVIII в. появляются работы, написанные инжене­ рами-гидротехниками (Симптон в Англии и Ломбарди во Франции) і: посвященные описанию естественного режима морских побе­ режий.

С развитием морского гидротехнического строительства, в на­ чале XIX в. появляются работы непосредственно по динамике бе­ реговой зоны [Эми (1831 г.), Пальмер (1834 г.), Эме (1845 г.) и др.], в которых разбираются вопросы воздействия волн на сооружения, движения наносов, образования аккумулятивных форм; предприни­ маются попытки решения проблемы берегоукрепления; указывается

11

на наличие асимметрии донных волновых скоростей; определяется глубина проникновения волновых движений и т. д.

Во второй половине XIX в. разрабатывается гидродинамическая теория волнения (Рэнкин, Буссинеск, Эри, Стокс), что позволило инженерам-гидротехникам более обоснованно подойти к решению вопросов взаимодействия волн с сооружениями и берегами. Вопро­ сам динамики береговой зоны посвящены многочисленные работы второй половины XIX в. *.

В начале XX в. число работ, посвященных динамике береговой зоны, резко возросло по сравнению с предыдущим периодом. Наи­ более крупной из них является работа Джонсона. Из русских ра­ бот следует указать работы Л. С. Берга (1908 г.) по Аральскому морю и В. А. Обручева (1908 г.) о продольном перемещении наносов.

Начиная с 1917 г., работы в Советском Союзе по изучению ди­ намики береговой зоны активизируются. В 20-х годах проводятся крупные работы по описанию районов портов, портовым изыскани­ ям и берегоукреплению. С 1929 г. начато изучение берегов в Госу­ дарственном океанографическом институте: ведутся исследования берегов северных морей (Ермолаев, 1927—1929 гг.), Черного моря (Добрынин, 1938 г.; Свищевский, 1939 г.). В 1937 г. создается при Географическом факультете МГУ комиссия по изучению морских побережий, которая работала до Отечественной войны (1941 г.).

В послевоенные годы работы по изучению береговой зоны возоб­ новились, была создана лаборатория берегов в Институте океано­ логии АН СССР, которая развернула широкое изучение береговой зоны. В 1946 г. вышла книга В. П. Зенковича, где автор обобщил весь накопленный до этого материал и сформулировал основные положения науки о береговой зоне [28].

Работы после 1945 г. характеризуются изучением физических процессов с комплексным применением современных технических средств. Большое внимание уделяется изучению волнения в при­ брежной зоне; наиболее значительные работы в этой области при­ надлежат академику В. В. Шулейкину, П. К. Божичу, Н. Е. Конд­ ратьеву, Ю. М. Крылову, В. В. Лонгинову и другим исследователям.

При изучении движения наносов с успехом применяют окраши­ вание песка люминофорами, наблюдение со специально построен­ ных эстакад и проч. Крупным вкладом в развитие геоморфологии морских берегов, представлений о перемещении наносов и дейст­

За последние 25—30 лет широко развернулись работы по изуче­

* Достаточно подробное изложение этих работ можно найти в книге В. В. Лонгинова [40].

Г л а в а I

ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

§ 1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ) ВОДЫ И СУШИ

НА ЗЕМНОМ ШАРЕ

Части поверхности земного шара, занятые сушей и водой, дале­

суши и воды тоже неодинаково: в Южном полушарии вода занима­ ет 81%, в Северном — 61% поверхности. Большим кругом земной шар можно разделить на два полушария: с максимальной поверх­ ностью суши в одном, имеющем полюс в точке с координатами 47°15' с. ш. и 2°30/ з. д. около устья р. Лауры, и максимальной по­ верхностью воды в другом, полюс которого располагается в точке с координатами 47°15/ ю. ш. и 177°30/ в. д. у Новой Зеландии. Но и в этом случае поверхность воды в первом полушарии составит 53 %, во втором — 90 % ■

Материки в большей или меньшей степени разобщены между собой, тогда как воды океана образуют непрерывное водное про­ странство на поверхности земного шара, которое называется Ми­ ровым океаном. По физико-географическим особенностям послед­ ний подразделяется на отдельные океаны, моря, заливы, бухты и проливы.

Океан — крупнейшая часть Мирового океана, ограниченная с разных сторон не связанными между собой материками. В 1650 г. голландский географ Б. Варениус впервые предложил принять деление Мирового океана на пять отдельных океанов: Тихий, Ин­ дийский, Атлантический, Северный Ледовитый и Южный Ледови­ тый. В 1845 г. Лондонское географическое общество приняло такое же деление, но затем многие ученые выделяли только первые три океана. С 30-х годов XX в. приняты четыре океана: Тихий, Индий­

ский, Атлантический и Северный Ледовитый *. 1-------------

* В СССР это деление было официально утверждено постановлением ЦИК

СССР от 27 июня 1935 г.

13

Расчленяющие Мировой океан материки в какой-то степени определяют естественные границы между названными океанами и только в высоких южных широтах таких границ нет и они здесь принимаются условно: между Тихим и Атлантическим океанами—• по меридиану мыса Горн (68°04' з. д.), от острова Огненная Земля до Антарктиды, между Атлантическим и Индийским океанами — от мыса Игольный по меридиану 20° в. д., между Индийским и Ти­ хим океанами — от мыса Юго-Восточный на острове Тасмания по меридиану 146°55' в. д.

Самый большой по площади — Тихий океан. Его площадь со­ ставляет 50% площади Мирового океана, площадь Атлантическо­

*Данные приводятся по морям Советского Союза.

**В числителе приводятся площади океанов с морями, в знаменателе — без морей.

14

В свою очередь в каждом из океанов выделяют моря — более или менее обособленные и достаточно обширные районы океана, обладающие собственным гидрологическим режимом, создающим­ ся под влиянием местных условий и затрудненного водообмена с прилегающими районами океана.

Моря по степени их обособленности от океана и физико-геогра­ фическим условиям делятся на три основные группы: * 1) внутрен­ ние моря, которые в свою очередь подразделяются на а) средизем­ ные и б) полузамкнутые; 2) окраинные моря и 3) межостровные моря.

Средиземные моря окружены со всех сторон сушей и сообща­ ются с океаном или морем одним или несколькими проливами. Они характеризуются максимальной обособленностью природных усло­ вий, замкнутостью циркуляции поверхностных вод и наибольшей самостоятельностью в распределении солености и температуры. К таким морям относятся: Средиземное море, соединяющееся с Атлантическим океаном Гибралтарским проливом шириной 14— 21 км и глубиной на пороге до 366 м\ Белое море, соединяющееся

стым проливом Босфор длиной 30 км и глубиной от 27,5 до 121 м с Мраморным морем и далее через пролив Дарданеллы с Эгейским морем.

Полузамкнутые моря частично ограничены материками и отде­ лены от океана полуостровами или цепью островов, пороги в про­ ливах между которыми затрудняют водообмен, но он все же осу­ ществляется значительно свободней, чем в предыдущем случае. В формировании природных условий полузамкнутых морей в боль­ шей или меньшей степени участвует прилегающий водоем; глу­ бинные воды этих морей ниже отметки самого низкого порога ха­ рактеризуются высокой однородностью. Это объясняется тем, что котловину заполняют либо воды, охлаждающиеся зимой ниже тем­ пературы воды прилегающего океана на отметке порога, либо воды океана, если они на отметке порога имеют более низкую темпера­ туру, чем воды морей на поверхности зимой. К полузамкнутым мо­ рям, например, относятся моря: Берингово, Охотское и Японское, которые отделены от Тихого океана соответственно Алеутскими, Курильскими и Японскими островами.

Берингово море соединяется с Северным Ледовитым океаном Беринговым проливом глубиной около 50 м, что затрудняет сво­ бодный водообмен между ними, но между Тихим океаном и Берин­ говым морем наблюдается почти свободный водообмен через четы­ ре пролива в Алеутской гряде с глубинами от 1000 до 4000 м. Водообмен между Охотским морем и Тихим океаном более затруд­ нен, так как они соединяются проливами Курильской гряды, с глу­

*Существуют и другие классификации, например, предложенная академиком

Ю.М. Шокальским [71].

15

бинами не более 2300 м (пролив Буссоль). Еще более затруднен водообмен Японского моря с Тихим океаном и соседними морями, который осуществляется через проливы: Сангарский с глубиной до 200 м, Корейский с глубиной до 150 м и Лаперуза с глубиной до 50 м.

Окраинные моря являются более или менее открытыми частями океана, отделенными от океана полуостровами или островами. Во­ дообмен между морями этого типа и океаном практически свободен; на формирование системы течений и на распределение солености и температуры в равной мере влияют и материк, и океан. К окраин­ ным морям относятся наши арктические моря, за исключением Белого моря.

Межостровные моря — это части океана, окруженные кольцом островов, пороги в проливах между которыми препятствуют в ка­ кой-то степени свободному водообмену. В результате непосредст­ венного влияния океана природные условия этих морей подобны природным условиям океана. Имеет место некоторая самостоятель­ ность в характере течений и распределении температуры и соленос­ ти на поверхности и по глубине этих морей. К морям этого типа относятся моря Восточно-Индийского архипелага: Сулу, Целебес­ ское, Банда, Яванское и др. Ниже отметки самого низкого порога, отделяющего моря этого типа от океана, котловину заполняют водные массы *, близкие по своим характеристикам к водам от­ крытого океана на глубине порога, так как в условиях тропиков температура на глубине всегда ниже поверхностной.

Более мелкими подразделениями океана являются заливы, бух­ ты и проливы. Различие между заливом и бухтой достаточно ус­ ловное.

Заливом называют часть моря, вдающуюся в сушу и достаточно открытую для воздействия прилегающих вод. Наиболее крупные заливы: Бискайский, Гвинейский, Бенгальский, Аляска, Гудзонов, Анадырский и др.

Бухтой называют небольшой залив с устьем уже самого зали­ ва, ограниченный островами или полуостровами, несколько затруд­

На севере Советского Союза глубоко вдающиеся в сушу зали­ вы, куда обычно впадают реки, называют губами-, на дне губы име­ ются следы речных отложений, вода сильно опреснена. Крупней­ шие губы — Обская, Двинская, Онежская, Пенжинская и др.

Извилистые, узкие, глубоко вдающиеся в материк заливы, обра­ зовавшиеся в связи с ледниковой эрозией, называют фиордами.

* Водной массой следует называть некоторый сравнительно большой объем воды, формирующийся в определенном районе Мирового океана очаге — источнике этой массы, обладающий в течение длительного времени почти постоянным и непрерывным распределением физических, химических и биологических характери­ стик, составляющих единый комплекс, и распространяющийся как одно, единое целое [20].

16

Распространены они на берегах Исландии, Новой Зеландии, Нор­ вегии, Новой земли. Крупнейшим фиордом является Кольский залив.

Лиманом называют затопленную морем устьевую часть речной долины, или балки, в результате незначительного опускания суши. Лиманы развиты на побережье северных морей, на острове Саха­ лине, в северо-западной части Черного моря, в Азовском море.

Лагуной называют: а) неглубокий водоем, отделенный от моря в результате отложения наносов в виде берегового бара и соеди­ ненный с морем узким проливом; б) участок моря между матери­ ком и коралловым рифом или внутри атолла.

Проливом называют относительно узкую часть Мирового океа­ на, соединяющую два водоема с достаточно самостоятельными при­ родными условиями.

§ 2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СОЛЕНОСТЬ

МОРСКОЙ ВОДЫ

Морская вода отличается от пресной горько-соленым вкусом, удельным весом, прозрачностью и цветом, более агрессивным воз­ действием на строительные материалы и другими свойствами, что объясняется содержанием в морской воде значительного количест­ ва растворенных твердых веществ и газов, а также взвешенных частиц органического и неорганического происхождения.

Благодаря сильно выраженной полярности и большому диполь­ ному моменту молекул, вода обладает высокой диссоциирующей способностью. Поэтому различные соли растворены в воде в ион­ нодисперсной форме, и морская вода по существу является слабым, полностью ионизированным раствором со щелочной реакцией, что определяется превышением суммы эквивалентов катионов над сум­ мой анионов сильных кислот в среднем на 2,38 мг-экв/л (щелочной резерв).

Приведенное к вакууму весовое количество, выраженное в грам­ мах, всех твердых веществ, растворенных в 1 кг морской воды, при условии, что все галогены заменены эквивалентным количеством хлора, все карбонаты превращены в окислы, и органические веще­ ства сожжены, принято называть соленостью морской воды. Обоз­ начается соленость символом S. За единицу солености принимают 1 г солей, растворенных в 1000 г морской воды, и называют промилле, обозначая знаком %о. Среднее количество минеральных веществ, растворенных в 1 кг морской воды, составляет 35 г, и, сле­ довательно, средняя соленость Мирового океана равна S = 35°/oo-

Теоретически в морской воде находятся все известные химиче­ ские элементы, но весовое содержание их различно. Выделяют две группы элементов, содержащихся в морской воде. К первой группе относят 11 основных элементов (табл. 1-2), которые и определяют собственно свойства морской воды; ко второй группе относят все остальные элементы, — их часто называют микроэлементами,— общее содержание которых не превышает 3 мг/кГ. Отдельные эле-

Гог. ^7

н:уччо-Тсхм:; :Ъскаг *

биигиотѵ/аа С С О '

ОКЭЁМПЯЯЙ

менты этой труппы присутствуют в морской воде в исчезающе ма­ лых количествах, иногда в виде следов. Так, например, в 1 кГ мор­ ской воды содержится 3-10~7 f серебра, 5-10~7 Г золота, а такие элементы, как кобальт, никель, олово и некоторые другие обнару­ живаются только в крови морских животных, улавливающих их из воды.

Основные элементы находятся в морской воде обычно в виде

30 Г/кГ), но их процентное соотношение с достаточной для практи­ ческих целей точностью может быть принято постоянным. Эта за­

Здесь содержание хлора понимается как суммарное количество его в 1 кГ воды, при условии замещения хлором всех галогенов и так­ же измеряется в промиллях.

В приведенной формуле число 1,8050 выражает отношение об­ щей солености к содержанию хлора (S/C1) и носит название

хлорный коэффициент.

Зная содержание хлора, можно либо по формуле (1-1), либо по специальным таблицам ** найти соленость морской воды. В силу принятого стандартного определения численного значения соленос­ ти методом титрования по хлору будет всегда наблюдаться некото­ рая разница между истинным общим содержанием солей, которое является суммой отдельных составляющих, и вычисленным значе­ нием солености. Считается, что эта разница не превышает 0,25%.

Соотношение (1-1) получено для условий открытого океана и морей, свободно сообщающихся с океанами. Для морей с ограни-

* Эта работа была проделана по поручению Международного Совета по изу­ чению моря в 1901 г. комиссией в составе М. Кнудсена, К. Форха, С. Серенсена.

** Впервые таблицы для определения солености и плотности морской воды по содержанию хлора были составлены Кнудсеном в 1861 г. В Советском Союзе аналогичные таблицы были впервые помещены в книге Н. Н. Зубова — Океано­ графические таблицы. 1931 г., которые переиздавались в 1940 и 1957 гг. под назва­ нием «Океанологические таблицы» [30].

19