2.2. Волнение и течения

Волнение. В результате воздействия на воды океанов, морей, озер и водохранилищ различных сил возникают колебательиые и поступательные движения частиц воды *. Распространение колебаний в воде называют волновыми движениями или волнами. Волна может представлять собой распространение возмущения любого вида: одиночная волна (рис. 2.1, а), ограниченная волна (рис. 2.1,6) и бесконечная волна (рис. 2.1, в). Особое значение имеет последний случай.

Частицы воды при распространении волн совершают только колебательные движения около своего среднего положения. Следовательно, при распространении волн не имеет места перенос массы, наблюдается только перенос энергии.

В зависимости от характера действующих сил, величин элементов волн и их изменений во времени, соотношения между элементами волн и глубиной воды и другими факторами в море могут наблюдаться разнообразные системы волн, классификацию которых можно произвести по различным признакам. Прежде всего волны можно классифицировать по вызывающим их силам. При этом различают ветровые волны, возбуждаемые ветром; приливные, возникающие под воздействием притяжения Луны и Солнца, анемобарические, возникающие при изменении уровня моря под влиянием изменения атмосферного давления; сейсмические, образующиеся в результате главным образом динамических процессов внутри земной коры в пределах океана; корабельные, возбуждаемые на поверхности воды при движении корабля, и др.

По силам, стремящимся вернуть поверхность воды в положение равновесия, различают капиллярные и гравитационные волны, находящиеся под воздействием соответственно сил поверхностного натяжения и сил тяжести. Капиллярные волны имеют высоту и длину (мм) и образуются в начальной стадии развития ветровых волн или на поверхности крупных волн; все остальные волны относятся к гравитационным.

По характеру движения формы волны могут быть: прогрессивными (поступательными), когда форма волны перемещается в пространстве; стоячими, образующимися при наложении двух прогрессивных волн с равными высотами и периодами и распространяющимися в противоположных направлениях (при стоячих волнах нет поступательного перемещения формы волны); прогрессивно-стоячими, образующимися при наложении прогрессивной волны на стоячую.

По соотношению длины волны и глубины воды различают волны на глубокой воде — короткие волны, когда полудлина волны меньше глубины воды и скорость распространения волн определяется только длиной волны; волны на конечной глубине, когда длина волны одного порядка с глубиной воды и скорость распространения зависит одновременно и от длины волны и от глубины воды; волны на малой глубине; волны длинные, когда длина волны значительно больше глубины воды и скорость распространения зависит только от глубины воды.

Волны, распространяющиеся под воздействием вынуждающих сил, называют вынужденными; волны, вышедшие из-под влияния вынуждающих сил или распространяющиеся после прекращения действия этих сил, называют свободными. Вынужденные волны могут быть развивающимися и установившимися. Волны свободные в природных условиях всегда затухающие.

По глубине расположения различают волны поверхностные и внутренние.

В зависимости от соотношения высоты и длины волны могут быть крутые и пологие.

В зависимости от величины периода наблюдается широкий спектр волн с периодом от долей секунды до нескольких лет.

По форме выделяют двумерные волны, когда длина гребня (по фронту волны) в несколько раз больше длины волны, гребни строго параллельны друг другу и высота волны вдоль гребня постоянна; трехмерные волны, когда длина гребня соизмерима с длиной волны; одиночные волны, когда волна имеет только один гребень, поднятый над спокойным уровнем, и не имеет впадины.

Из многочисленных типов волн наибольшее значение имеют ветровые, гравитационные волны. Ветровые волны могут быть вынужденными, свободными и смешанными. Вынужденными ветровыми волнами называют волны, находящиеся под воздействием ветра. Волны, вышедшие из района действия ветра или распространяющиеся после прекращения ветра, называют свободными волнами или зыбью. В результате сложения вынужденных волн и зыби, пришедшей, например, в данный район из другой области океана, образуются смешанные волны. Совокупность всех систем волн, образовавшихся на поверхности моря при воздействии ветра, называют ветровым волнением.

Кроме коротких ветровых волн наблюдаются длинные волны (см. выше). Длинные поступательные волны с небольшой амплитудой, вызванные действием внешних сил (изменением атмосферного давления, ветрового нагона, сейсмических явлений), распространяются после прекращения их действия как свободные волны от места возникновения к берегу и полностью от него отражаются. В результате интерференции падающей и отраженной волн образуются свободные стоячие волны, которые встречаются во всех природных водоемах. Они получили название сейш.

максимальная).

Амплитуды сейш на озерах меньше, чем в морях, и составляют 20...30 см, редко 50 см (Аральское море). Так же как и в морях, сейши в озерах могут быть поперечными и продольными.

Течения, которыми сопровождаются сейши, сильно влияют на формирование гидрологического и биологического режимов озера.

В водохранилищах, как правило, сейши не наблюдаются. Длинные волны в этом случае образуются при резком изменении режима работы гидроузла. Например, при увеличении сброса воды в нижний бьеф вверх по водохранилищу распространяется отрицательная волна. При остановке турбины вверх по водохранилищу будет распространяться положительная волна.

Течения. Поступательные перемещения водных масс называют течениями. Течения могут подразделяться: по продолжительности— на постоянные, временные и периодические; по силам, их вызвавшим: силы могут быть внешние — ветер, давление, приливообразующие силы Луны и Солнца — и внутренние, появляющиеся в силу неравномерного распределения плотности воды; по расположению в толще воды — поверхностные и глубинные.

Под воздействием ветра в зависимости от времени его действия в верхнем слое водоема могут возникнуть постоянные течения— дрейфовые, создаваемые господствующими и длительными ветрами, и временные—-ветровые, возникающие при временном и непродолжительном ветре.

Одновременно с приливно-отливными изменениями уровня наблюдается горизонтальное перемещение водных масс — периодические приливно-отливные течения, которые могут быть только в океанах и морях.

При повышении уровня в каком-то районе моря в силу различных причин (выпадения атмосферных осадков, сток рек, нагон и др.) возникают стоковые течения. При ветровом нагоне эти течения располагаются от поверхности воды до дна и их называют градиентными течениями. При неравномерном распределении плотности возникают плотностные течения, которые могут быть и поверхностными, и глубинными.

Наблюдающиеся в водоемах течения в действительности являются суммарным течением, образующимся в результате действия многих сил. Из всего многообразия течений наибольшее практическое значение имеют течения, вызванные ветром (постоянные и временные), и приливно-отливные в морях.

В озерах и водохранилищах течения выражены значительно слабее. Как правило, постоянные (дрейфовые) течения в озерах, за исключением самых крупных, отсутствуют. Преобладают течения стоковые, временные ветровые и конвекционные как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Стоковые течения хорошо прослеживаются в озерах вблизи устьев и истоков рек и в водохранилищах в их верхней части (течения в затопленных руслах рек) и вблизи гидроузлов при открытии затворов или включении турбин. В последнем случае скорости течений достигают иногда порядка 1,0 м/с

(Куйбышевское водохранилище). Ветровые течения в озерах и озеровидных водохранилищах отличаются непостоянством по величине и во времени, что связано с изменчивостью поля ветра, орографией и морфометрическими особенностями озер и водохранилищ.