Раздел Гидрология
Тепловой режим Мирового океана, факторы его определяющие. Закономерности вертикального и горизонтального изменения температуры в Мировом океане.
Мировой океан является колоссальным аккумулятором тепла на нашей планете, и благодаря динамике вод и атмосферы это тепло перераспределяется по поверхности Земли. Основным источником тепла для Мирового океана служит коротковолновая солнечная радиация, состоящая из прямой радиации и радиации, рассеянной атмосферой. Дополнительное тепло Мировой океан получает в результате конденсации паров на поверхности моря, за счет теплового потока, идущего из недр, энергии биологического вещества океана, энергии теплового контраста вод, энергии дифференциации плотности вод и энергии вращения вод вместе с Землей и др.
В тоже время океан теряет тепло при испарении, эффективном излучении и водообмене. Алгебраическая сумма количества тепла, поступающего в воду и теряемого водой в итоге всех тепловых процессов, называется тепловым балансом моря. Все тепловые потоки в сумме равны нулю, поэтому средняя температура воды Мирового океана за многолетний период наблюдений остается неизменной. Температура воды Мирового океана изменяется в довольно широких пределах как по горизонтали и вертикали, так и во времени. Главными причинами пространственно-временной изменчивости являются: значительные различия подогрева и охлаждения воды в разных районах океана, перераспределение тепла течениями, перемешивание верхних и нижележащих слоев, образование и таяние льда в высоких широтах.
В Мировом океане существуют мощнейшие гидродинамические образования, получившие название волн Россби. В основном они формируют движения вод океана в горизонтальном и вертикальном направлениях, оказывая существенное влияние на температурный режим вод океана. Горизонтальные движения участвуют в создании океанских течений, среди которых всем известные Гольфстрим, Куросио, мощные экваториальные течения. Вертикальные и горизонтальные движения вод формируют температурный режим вод океана и его поверхности. Потоки тепла между океаном и атмосферой активно участвуют в формировании термодинамики атмосферы и, следовательно, погоды и климата Земли. В частности, вертикальные движения вод океана формируют известные, определяющие погоду и климат, явления: апвеллинг – даунвеллинг, циклоны, тайфуны, торнадо.
Классификация течений. Дрейфовые течения и спираль Экмана. Движение воды в проливах. Значение океанических течений.
Выделяют три группы течений:
Градиентные течения, вызванные горизонтальными градиентами гидростатического давления, возникающими при наклоне изобарических поверхностей относительно изопотенциальных (уровневых) поверхностей
Плотностные, вызванные горизонтальным градиентом плотности
Компенсационные, вызванные наклоном уровня моря под воздействием ветра
Бароградиентные, вызванные неравномерным атмосферным давлением над морской поверхностью
Сейшевые, возникающие в результате сейшевых колебаний уровня моря
Стоковые или сточные, возникающие в результате возникновения избытка воды в каком-либо районе моря (как результат притока материковых вод, осадков, таянияльдов)
Течения, вызванные ветром
Дрейфовые, вызванные только влекущим действием ветра
Ветровые, вызванные и влекущим действием ветра, и наклоном уровня моря и изменением плотности воды, вызванными ветром
Приливные течения, вызванные приливами.
Отбойное течение
Приливные течения наиболее сильные, особенно проявляются у берега, на мелководье, в проливах и устьях рек.
В океанах и морях течения обычно обусловлены совокупным действием нескольких сил. Течения, которые продолжают существовать после окончания действия вызвавших их сил, называют инерционными.
По изменчивости течения разделяют на периодические и непериодические.
Периодические течения меняются с определённым периодом. К таким течениям относят приливные течения.
Непериодические течения связаны с временными причинами (например, возникают под воздействием циклона).
Выделяют течения, скорости и направления которых мало меняются за сезон (муссонные) или за год (пассатные).
Течения, которые не изменяются во времени, называют установившимися течениями, а изменяющиеся во времени — неустановившимися.
Дрейфовые течения обусловлены влекущим действием ветра. Поскольку скорость и давление в воздушном потоке постоянно меняются, то их изменения создают на поверхности воды неровности. А это в свою очередь увеличивает трение между слоями воздуха и воды. Ветер передаёт касательное напряжение поверхностному слою моря и вызывает таким образом дрейфовое течение.
Опираясь на данные ледовых наблюдений, выполненных Нансеном во время дрейфа „Фрама", шведский физик Вальфрид Экман разработал теорию океанских течений, получившую всеобщее признание. Согласно этой теории, ветер, постоянно дующий над безграничным однородным океаном бесконечной глубины, создает дрейфовое течение, направленное в поверхностном слое под углом 45° вправо от направления ветра (в северном полушарии). На больших глубинах течение все больше отклоняется вправо, так что на некоторой глубине (порядка 100 м) вода должна двигаться в сторону, противоположную направлению ветра. При этом скорость течения с глубиной уменьшается, так что кривая, описываемая концом вектора скорости по мере увеличения глубины, представляет собой спираль. Она вошла в науку под названием „спираль Экмана".
Океан со всеми его морями и заливами от поверхности и до дна представляет собой неразрывное целое, и течения осуществляют водообмен между его самыми отдаленными и глубокими частями, образуя непрерывный круговорот морских вод — систему «кровообращения» гигантского организма.
Роль течений в жизни океана огромна. От их изменчивости, режима, характера зависят климат и погода на значительной части земного шара, ледовитость северных вод, возможности мореплавания. Они переносят тепло и холод, кислород, питательные минеральные соли, нужные для развития жизни.
Северо-Атлантическое течение, например, влияет на климат нашей страны. Его теплые воды доходят до Баренцева моря, благодаря чему у Мурманского побережья оно не замерзает. Ветвь теплого течения оттесняет в этом море границу постоянных льдов на север, до 81° с. ш. Тепло течения ощущает вся Западная Европа и восточные районы Северной Америки. Благодаря теплу, приносимому ветвью Северо-Атлантического течения к северо-западным берегам Европы, на западном берегу Норвегии, в Тромсё, расположенном на 70° с. ш., температура воздуха на 22 °С выше средней для данной широты.
Волны Мирового океана. Элементы и классификация волн. Образование и затухание волн. Цунами, волны сжатия, внутренние. Сейши.
Воды Мирового океана постоянно двигаются. На берег то набегают, то откатываются волны. Вода в волнах не перемещается в горизонтальном направлении. В этом легко убедиться, наблюдая за поплавком на воде. С приближением волны он поднимается на ее гребень, а затем опускается на ее подошву (рис.). При этом поплавок не приближается к берегу и не удаляется от него. Он только качается на волнах: вверх-вниз. Это свидетельствует о том, что вода в волнах осуществляет вертикальные движения, которые называют колебательными. Движение воды в волнах можно сравнить с пшеничным полем, которое волнуется от ветра. При этом сама пшеница, как и поле, никуда не перемещается. Главной причиной возникновения волн является ветер. Он словно вдавливает водную поверхность и выводит ее из равновесия. Даже слабый ветер создает волны. Обычно высота волн не превышает 4 м. Наивысшие волны более 20 м порождаются штормовыми ветрами. Крупнейшая из ветровых волн высотой 34 м (это высота 10-этажного дома) была замечена в центральной части Тихого океана в 1933 г. Когда ветер слабеет, высокие волны меняются рябью - низким волнением. Чем сильнее и длительный ветер и больший водное пространство, тем выше волны. С глубиной волнение уменьшается и становится не заметным.
Волны выполняют разрушительную и созидательную работу. В одних местах они с силой бьют о берег, разрушая горные породы, которыми он составлен. На берегах Черного моря сила удара волны может достигать 25 т на 1 м2. Не всякая постройка выдержит такой натиск. При этом вода поднимается вверх на высоту до 60 м. При шторма волны способны перемещать камни весом в несколько тонн. Чтобы защитить берега и портовые сооружения от разрушения, строят специальные волноломы с железобетонных плит. Творческая работа волн - откладывание измельченных частиц и создание песчаных и галечных пляжей. Кроме того, волны перемешивают воду, способствуют обогащению ее кислородом и теплом. Это способствует жизнедеятельности организмов в Океане.
Цунами. Вы уже знаете, что иногда причиной образования волн становятся подводные землетрясения и извержения вулканов. Они вызывают огромные волны - цунами, которые распространяются во все стороны от места возникновения и охватывают всю толщу воды от дна до поверхности. Цунами катятся через весь океан со скоростью реактивного самолета - более 700 км / ч. Эти волны такие мощные, что достигая берегов, отражаются от них и трогаются в обратном направлении.
Высота цунами в открытом океане невелика - до 1 м при длине волны 200 км. Поэтому среди водных просторов большого волнения нет и цунами нельзя не заметить. Все меняется с ее приближением к берегу. Перед цунами море, обнажая дно, отходит от берегов на сотни метров, будто для разбега. А потом стремительно накатывается волна. Зажата берегами в узкой гавани, она вырастает до 20-30 м. Вот почему дословно японское слово "цунами" переводится как "волна в гавани ". Стена воды цунами всей тяжестью обрушивается на побережье. Она переворачивает судна, разрушает здания, а отступая, несет в океан все, что попадается на ее пути. Чаще цунами случаются на западном побережье Тихого океана. Предотвратить ее невозможно. Можно только заранее предупредить о приближении цунами.
Приливы и отливы. Издавна было замечено, что каждые 6 ч уровень воды в Мировом океане то поднимается, то опускается. Вода то наступает на берег и продвигается далеко на сушу, то отступает от него, обнажая дно. Поднятие уровня воды в Океане называется притоком, а ее спад - оттоком. На побережьях морей ширина приточной полосы достигает иногда нескольких километров. В приток там можно плавать на лодке и ловить рыбу. В отлив - гулять дном и собирать ракушки, водоросли, морских животных.
Приливы - Это тоже волны. Они вызваны гравитацией Луны и Солнца. Вместе им удается привлекать на свою сторону жидкую и подвижную воду Мирового океана на несколько метров, создавая приливную волну. В отличие от обычной, она всепланетный характер действия. Огромный водный простор Мирового океана то поднимается, то опускается, будто дышит.
Волны в океанах и морях представляют собой распространяющиеся периодические колебания частиц воды около положения их равновесия. Наиболее легко поддаются наблюдению поверхностные волны, распространяющиеся по морской поверхности. Часть волны, расположенная выше среднего волнового уровня, называется гребнем (наивысшая точка гребня - вершина волны), а часть волны ниже этого уровня - ложбиной (наивысшая точка ложбины - подошва волны). Форма и размеры волн характеризуются их элементами. Основными геометрическими элементами двумерной (плоской) волны являются высота и длина. Высота волны представляет собой превышение вершины волны над соседней подошвой на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн. Длина волны - это горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн. Отношение высоты данной волны к её длине называется крутизной волны. Интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль называется периодом волны. Скорость перемещения гребня волны в направлении её распространения, определяемая за короткий интервал времени (порядка периода волны), называется скоростью волны. В зависимости от вызывающих их сил (т.е. по происхождению) выделяют следующие виды волн: ветровые, анемобарические, сейсмические, приливные и корабельные. Процесс формирования, развития и распространения вызванных ветром волн в океанах и морях называется ветровым волнением. Если вызванные ветром волны продолжают находиться и развиваться под его воздействием, то они называются ветровыми волнами. Если же эти волны продолжают распространяться после ослабления ветра или изменения его направления, то они называются зыбью (зыбью также называют вызванные ветром волны, пришедшие из области волнообразования в другую область, где действует ветер с другой скоростью и другим направлением). Распространяющаяся при безветрии (штиле) зыбь называется мертвой. Волны, обусловленные изменением атмосферного давления, сгонно-нагонным действием ветра и другими метеорологическими причинами, приводящими к изменению уровня моря, называются анемобарическими. Волны, образующиеся в океанах и морях под действием землятрясений и вулканических извержений на морском дне или вблизи берегов, называются сейсмическими (цунами). Приливообразующие силы Луны и Солнца вызывают в океане приливные волны. При движении судов образуются волны, называемые корабельными. Из вышеперечисленных волн наибольшее распространение в океанах и морях имеют ветровые и приливные.
Под влиянием ветра волны растут одновременно в высоту и в длину, при этом увеличиваются период и скорость. Чем больше скорость волны, тем слабее давление ветра на ее наветренный склон. Поэтому интенсивность роста волны определяется отношением ее скорости к скорости ветра. Когда скорость ветра и скорость волны становятся равными, волны теоретически достигают наибольшей высоты.
Когда скорость ветра уменьшается, волнение начинает затухать. Сначала исчезают мелкие волны, затем крупные, и остаются только очень длинные пологие волны — мертвая зыбь.Волны зыби имеют длину несколько сотен метров при высоте несколько метров. Волны зыби уходят на тысячи километров от места возникновения.
При неодинаковом атмосферном давлении на разные части моря или озера их поверхность принимает наклонное положение. С прекращением воздействия силы, вызвавшей наклон, поверхность стремится возвратиться в положение равновесия, а это приводит к колебаниям всей массы воды, которые постепенно затухают под влиянием трения. Колебания массы воды происходят около одной или нескольких горизонтальных осей (узлов), остающихся неподвижными. Такие колебания образуют стоячие волны, называемые сейши.
Для внутренних волн, которыми буквально пронизана почти вся толща вод Мирового океана, существенно наличие изменение плотности в поле силы тяжести. Наличие же свободной границы не важно. Источником возникновения внутренних волн обычно является местное нарушение состояния равновесия на границе раздела вод различной плотности. Все виды внутренних волн на склоне разрушаются, производя на него динамическое воздействие. Под действием внутренних волн происходит перераспределение концентрации частиц внутри слоя.
Приливообразующие силы и их действие. Понятие прилива и его характеристики. Виды приливов, факторы влияющие на прилив. Неравенства приливов.
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.
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. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды – приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана (см. также ОКЕАН).
В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, «застаивается».
Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.
Периодические колебания уровня воды Мирового океана, происходящие под влиянием силы притяжения Луны и Солнца, называются приливами и отливами.
Приливообразующая сила Луны в 2,17 раза больше, чем Солнца, поэтому Луна является основным фактором для приливов и отливов.
Это явление было известно еще в глубокой древности, но правильное объяснение причин данного явления впервые было дано Ньютоном, открывшим закон всемирного тяготения.
Сила притяжения каждой точки Земли массой Луны всегда направлена по линии, соединяющей данную точку Земли с центром Луны. Таким образом, две силы — сила притяжения массой Луны и центробежная сила от вращения системы «Луна—Земля» — одновременно действуют на каждую точку Земли. Одна из них направлена от Луны, другая — к Луне. Эти две силы, каждая в отдельности, не уравновешивают друг друга. Разность между ними и образует приливообразую-щую силу Луны на данную точку Земли.
Колебания уровня воды в морях и океанах достигают больших величин. Например, в проливе Бристоль колебания уровней достигают 13 м, а в заливе Фунди на западном берегу Атлантического океана — 16,2 м. Приливы и отливы оказывают большое влияние на развитие судоходства и безопасность плавания.
При плавании вблизи берегов необходимо знать величину прилива в данном месте. Сведения о приливах опубликованы в специальных навигационных пособиях. Судоводители обязаны хорошо представлять природу явления и знать терминологию приливов, чтобы, пользуясь пособиями, использовать даваемые ими сведения для решения различных навигационных задач.
Характер приливов. Колебания уровня воды в морях и океанах очень сложны по своей структуре, а поэтому предсказание и расчет величины и времени их наступления в данном месте являются весьма сложной задачей. Для облегчения вычисления характеристик приливов они сгруппированы и классифицированы. В соответствии с этим в навигационных пособиях принято следующее подразделение приливов.
Полусуточные приливы — характеризуются тем, что в каждые сутки бывают две полные и две малые воды, вследствие чего период явления составляет половину лунных суток — в среднем 12 ч 25 мин. Высоты следующих друг за другом полных и малых вод почти одинаковы. Подъем и падение уровня протекают правильно и выражаются синусоидальной кривой. Приливы с большими величинами наблюдаются в дни полнолуния и новолуния (сизигийные приливы).
Хорошо выраженные полусуточные приливы наблюдаются вдоль Мурманского берега Баренцева моря, на большей части Белого моря и в пределах почти всего Атлантического океана.
Суточные приливы — характеризуются одной полной и одной малой водой, вследствие чего период явления равен суткам. Величина прилива увеличивается и уменьшается в зависимости от изменения склонения Луны. Во время прохождения Луны через экватор при суточных приливах могут наблюдаться стояния уровня. Подъем и падение уровня графически выражаются синусоидальной кривой. При малых склонениях Луны величины приливов малы (экваториальные приливы), а при достижении максимальных значений склонения Луны — наибольшие (тропические приливы).
Суточные приливы наблюдаются главным образом в Тихом океане и встречаются редко.
Смешанные приливы по своему характеру сложны и разнообразны. На протяжении месяца период приливных колебаний уровня меняется с полусуточного на суточный, и наоборот. Смешанные приливы подразделяются на две группы: неправильные полусуточные и неправильные суточные. Неправильные полусуточные приливы по своему характеру близки к полусуточным приливам и в них существует разница между временем роста и временем падения уровня. В неправильных суточных приливах преобладают особенности характера суточных приливов, и основные элементы этих приливов меняются в зависимости от изменения склонения Луны. Неправильные суточные приливы чаще всего встречаются в водах Тихого океана.
Аномальные приливы отличаются по отдельным признакам от перечисленных выше основных видов приливов.Такие приливы усложняются влиянием мелководья (так называемые «мелководные приливы»), у которых нарушается симметрия в подъеме и спаде уровня. Иногда в условиях мелководья полусуточные приливы становятся четверть-суточными с четырьмя полными и четырьмя малыми водами (двойные полусуточные). Такие приливы наблюдаются в некоторых портах пролива Ла-Манш и в Белом море. Кроме таких приливов, встречаются и другие разновидности, но наблюдаются они редко.
cизигийные приливы — это те приливы, которые наблюдаются в дни сизигий, т. е. в дни новолуния и полнолуния. Сизигийный прилив дает наибольшую высоту уровня hПВ — max, а отлив имеет наименьшую высоту уровня hMB — min. Сизигийные приливы к отливы бывают 2 раза в течение лунного месяца.
Квадратурные приливы — это приливы, которые наблюдаются в дни астрономических квадратур, т. е. в дни первой и последней четвертей Луны. В дни квадратур hПВ — min, a hMB — max. Величина прилива в квадратуре наименьшая.
Величины приливов в течение месяца постепенно меняются: 2 раза в месяц наблюдаются приливы с большими величинами и 2 раза — с малыми. Эти изменения называются полумесячными неравенствами в высотах и величинах приливов. При больших склонениях Луны приливы называются тропическими, а при прохождении Луны через экватор — экваториальными. Месячные неравенства приливов проявляются в зависимости от расстояния между Землей и Луной. В перигее наблюдаются наибольшие, а в апогее наименьшие приливы.
Лунный промежуток (Тл) — это промежуток времени между моментами кульминации Луны на данном меридиане и наступлением ближайшей за этой кульминацией полной воды.
Прикладной час порта (ПЧ) — средний из лунных промежутков в дни сизигий, выведенный из значительного числа наблюдений.
Приливные уровни. Высоты уровней отсчитываются от нуля глубин. На морских навигационных картах все глубины даны для этого уровня — нуля глубин.
НЕРАВЕНСТВО ПРИЛИВОВ - отклонения времен наступления и величин приливов от их средних значений для данного места.
5.Классификация подземных вод по условиям происхождения. Виды воды в грунте. Механизм движения подземных вод, формула Дарси.
Подзе́мные во́ды — воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии.