Глава 5. Динамический режим Мирового океана 73
3. В узких скалистых берегах (воротах больших замкнутых бухт Авачинская на Камчатке и Владивостокская) цунами разбиваются о скалистые берега, теряя при этом свою энергию. Внутри таких бухт происходит незначительный подъем воды, не представляющий серьезной опасности (рис. 17).
Поэтому при оповещении о приближении цунами многие морские суда находят убежище в Авачинской или Владивостокской бухтах. Имеются такие бухты и у берегов США и Канады.
Предсказание и оповещение цунами. На протяжении многих столетий жителями прибрежных государств накоплен опыт сведений о приближении цунами.
1. Çà 10-40 мин до появления этой страшной волны происходит отступление (втягивание) воды, т. е. обнажение на несколько десятков, а иногда и сотен метров океанической прибрежной зоны дна.
2. Незадолго до отступления морской воды, над океаном воцаряется гнетущая тишина, сменяющая шум или стон прибоя.
3. На приближение цунами очень активно реагируют домашние животные - кошки, собаки, лошади и др., а из диких - ласки, крысы, мыши, суслики, змеи. Можно наблюдать и за неожиданным поведением птиц (крики фазанов, многие птицы улетают подальше от берега).
4. За приближением цунами следят приборы (мореографы).
 последние десятилетия установлен постоянный обмен информацией по предупреждению цунами между учеными США, России, Японии. Международный центр информации о возникновении и распространении цунами расположен в г. Гонолулу (Гавайские острова). С 1975 г. международная связь оповещения налажена по линии Гонолулу - Токио - Хабаровск.
Волны цунами могут вызываться не только землетрясениями
è вулканическими извержениями, но и тайфунами, циклонами, ураганами. Правда, в этих случаях их называют не словом “цунами”, а “барическими волнами”, т. е. волнами, вызванными глубокими и внезапными изменениями атмосферного давления. От таких волн особенно страдают побережья Атлантического океана - Бристольский залив в Северном море, устье реки Темзы; в пределах Балтийского моря - Финский залив. Такие цунами здесь получили название солитоны. Они распространяются не в виде серии волн, а в виде одной-единственной (солирующей), т. е. солитона . В большей части они вызываются циклонами. Если циклон надолго устанавливается на значительном участке морской
74 Глава 5. Динамический режим Мирового океана
поверхности и сопровождается выпадением обильных осадков, тогда он успевает вызвать заметное поднятие (вспучивание) поверхности моря. Этому способствуют и ветры, сгоняющие воду к центру циклона. Солитоны часто застаиваются в Северном и Балтийском морях, в результате чего здесь на долгое время устанавливается низкое давление, а постоянные дожди вызывают вспу- чивание, поднятие (на 80 см) поверхности моря вокруг циклонального центра. В результате внезапного изменения атмосферного давления, сопровождающегося сильными порывистыми ветрами западного направления, солитон устремляется на восток. Волны “солитоны” несут ответственность за известные наводнения в Бристольском заливе в Лондоне (Великобритания), в Санкт-Пе- тербурге (Россия).
Солитоны - это единичные волны, образующиеся над морской поверхностью, где на длительное время устанавливается циклональная погода с постоянными дождями.
Сейши . Нередко в морях наблюдаются колебания уровня поверхности, охватывающие все море в целом. Эти колебания напоминают стоячие волны огромной протяженности, с характерными для них “узлами”. Амплитуда таких стоячих волн может достигать нескольких метров. Подобные волны получили название сейши (фр. seiche, что означает свободные колебания, или от лат. siccus - сухой). Образуются сейши в замкнутых водоемах (морях, бухтах, заливах, озерах). Представляют собой колебательные движения всей массы воды без распространения профиля волн по поверхности, в результате чего у берегов наблюдаются особые периодические колебания уровня, незаметные на глаз. Термин “сейши” употребляется уже в течение двух столетий для описания подъемов и спадов воды, которые происходят периоди- чески в узкой части Женевского озера, где генезис этого явления изучал еще в конце XIX века швейцарский ученый Форель. Он установил, что сейши в своем элементарном виде обязаны двум длинным волнам, распространяющимся одновременно в противоположных направлениях. В результате вместо двух волн появляется “стоячая волна”, которая выглядит таким образом: если на одном конце озера (залива) - отлив, то на другом - прилив.
Между этими крайними положениями уровень озера не изменяется в течение всего цикла колебаний. Линия (вертикальный разрез) по всей ширине озера, на котором нет никаких вертикальных перемещений поверхности, называется узловой линией, а сейша называется одноузловой , если наблюдается один узел по
Глава 5. Динамический режим Мирового океана 75
всей длине озера; если же имеются два узла - двухузловая , åñëè òðè óçëà - трехузловая и т. д. Обычно сейши из-за внушительных размеров водоемов имеют довольно большие периоды колебаний, но иногда этот период составляет всего несколько минут, тогда сейши начинают создавать определенные проблемы в морских портах. Например, в бухте Лос-Анджелеса (США) возникают волновые колебания с периодами от 12 до 2-3 мин. Столь высокочастотные колебания уже не являются сейшами, а получили название тягуна . Горизонтальные перемещения частиц воды при тягуне могут достигать нескольких метров и возникающие при этом волнения столь сильны, что невидимые подводные волны рвут стальные тросы, срывают корабли с прочных якорных цепей, бьют корабль о причал. А бывают случаи, когда корабли, при казалось бы спокойном море и ясной погоде, гибнут в порту. Обладая малыми вертикальными смещениями воды, тягун практически не видим. Спастись от него можно только в открытом море. Несмотря на длительные исследования, причина образования тягуна до сих пор не выяснена.
Основными причинами, вызывающими образование сейша, являются: резкое изменение атмосферного давления; внезапный сильно дующий ветер; выпадение сильного дождя, снега или града над поверхностью водного бассейна; быстрое изменение атмосферного давления в результате прекращения шквала; паводковые стоки рек; коренные нарушения морского ложа во время сильных землетрясений и т. д.
 пределах больших водных пространств (морей, бухт) на образование сейш оказывает влияние вращательное движение Земли и силы Кориолиса. Но этот фактор не имеет существенного значения на образование сейш в небольших водных бассейнах.
 нашем учебном пособии есть необходимость остановиться на характеристике особых волн .
Áîð (àíã. bore) - деформированная приливная волна, наблюдающаяся в условиях некоторых рек и эстуариев. Проявляется в форме одиночной длинной волны с опрокидывающимся гребнем и высокой скоростью распространения (10 м/с). Высота этой волны не менее 2-6 м и представляет высокий водяной вал, передняя сторона которого напоминает движущуюся водную стену. Как правило, фронтальная атака волны идет по всему периметру реки до самого дна. В разных районах мира эти волны носят различные названия. На Атлантическом побережье Франции (устье реки Сены) - это явление называют “ ìà-
76 Глава 5. Динамический режим Мирового океана
скаре ” - высота 1,5 м. В устье Конго (Африка) эту волну называют “калема ” - высота 1,5-2 м. Она приурочена к периоду выпадения зенитальных дождей. Самый сильный бор наблюдается на реке Фучуньцзян в Китае, высота волны до 6-7 м. На реке Ганг это явление называют áàðå - высота до 2 м. В классической форме деформированная приливная волна бор представлена в устье реки Амазонки. На языке народа тупи эту волну называют поророка, что значит “гремящая вода”. Многие жители называют ее амазуну , что означает “крушитель лодок”, возможно, отсюда произошло и название самой реки. Поророка приходит из Атлантического океана, начинается на мелководье и мчится с огромной силой и скоростью по всей ширине реки против ее течения, образуя волну высотой в 4-6 м, неся пресную воду и не смешиваясь с солеными водами океана. Поророка заходит на тысячу километров вглубь материка, затапливает низкие берега, круша и разрушая десятки метров берегового грунта и вырывая с корнями тысячи вековых деревьев амазонского леса. Это явление сопровождается громким грохотом, который слышен на десятки километров вокруг. Скорость движения волнового вала достигает 10 м/с. Амазуну (поророка ) распространяется по всей ширине реки (10-30 км), достигая дна (70 м). На своем пути волна переносит миллиарды тонн грунта, разрушая все, и представляет страшное зрелище. Поророка (амазуну) активна в феврале-марте-апреле и обычно приуро- чена к полнолунию, но продолжается не более 30 мин и несется
Центры штормового волнения в Мировом океане. Современные достижения в изучении режимных функций океанического волнения дали возможность выявить в пределах Мирового океана ряд штормовых центров, где ветровые волны достигают значи- тельных высот. В связи с наличием в Южном полушарии обширных акваторий, в пределах которых ветер способен длительно воздействовать на поверхность океана, приантарктическая об-
ласть Южного полушария является главным источником штормовых волнений. На 40-60 ю. ш. почти всегда существует не-
сколько районов штормового волнения, перемещающегося в восточном или юго-восточном направлении со скоростью около 40 км/ч. Но сила и направление ветров на этом обширном пространстве очень устойчивы во времени. Режимные волны здесь получили широтное распространение. Наибольших значений штормовые волны достигают не вблизи “ревущих” 40-х широт, а
Глава 5. Динамический режим Мирового океана 77
вблизи 50-60 ю. ш. в Атлантическом, Тихом, Индийском и Южном океанах. В зоне западного воздушного переноса приантарктического района выделяется 5 центров волнения.
1. В пределах Индийского (а ныне Южного океана с центром вблизи о. Кергелен ) располагается самый штормовой район Мирового океана. Во все сезоны года здесь наблюдаются наибольшие высоты ветровых волн (до 35 м).
2. Второй район повышенной штормовой активности расположен между Новой Зеландией и Антарктидой, в окрестностях островов Маккуори и Эмералда. Площадь этого района намного меньше Кергеленского. В Новозеландском штормовом центре средние высоты волн постоянны и составляют 2-3 м, а максимальные - 20-25 м.
3. Третье место по штормовой активности занимает штормовой центр в проливе Дрейка, где высота волн до 20 м. Во время парусного флота это был самый опасный район для морского плавания.
4. Ê северо-востоку от Южных Сандвичевых островов расположен четвертый центр штормового волнения, где максимальные волны достигают 15-20 м.
5. Повышенная штормовая активность наблюдается также
â Южном океане, в районе от 100 до 140-го меридиана. Режимные волны - 5-6 м высоты, а максимальные высоты волн в центре района превышают 15 м.
Таким образом, все пять центров штормового волнения Южного полушария находятся в зоне западного воздушного переноса и являются районами наиболее интенсивной передачи энергии атмосферы поверхности океана.
В Северном полушарии может быть выделено еще пять центров штормового волнения. Самыми штормовыми здесь являются умеренные широты Тихого и Атлантического океанов.
1. Мощный штормовой центр находится в Тихом океане, вблизи Северной Америки в устье реки Колумбия (мыс Разочарования). Здесь зарождаются самые штормовые волны, достигающие от 4 до 10 м высоты. В этом районе расположена служба спасения на Тихоокеанском побережье США.
2. Вблизи Американского континента в умеренных широтах Атлантики у острова Сейбл находится самый мощный штормовой центр Северного полушария, где высоты ветровых волн достигают 15 м.
Глава 5. Динамический режим Мирового океана 79
3. Еще один центр расположен в водах Бискайского залива, где волны достигают 6-8 м, а иногда и 12-15 м. Этот центр иногда называют Галисийским.
4. Формирование аравийского штормового центра связано с развитием сильного летнего муссона. Высота волн достигает 8 м.
5. Наличие штормового центра в пределах Бенгальского залива связано не только с муссонной циркуляцией, но и с циклонической активностью, свойственной для этой части Индийского океана. Здесь высота волн достигает 10 м, что очень мешало во время великих географических открытий совершать плавания в Индию, вокруг Африки.
5.2. МОРСКИЕ (ОКЕАНИЧЕСКИЕ) ТЕЧЕНИЯ
Основные течения. Морскими (океаническими) или просто течениями называют поступательные движения водных масс в океанах и морях на расстояния, измеряемые сотнями и тысячами километров, обусловленные различными силами (гравитационными, трения, приливообразующими) (рис. 18). Морские течения играют огромную роль в жизни Мирового океана, в мореплавании, способствуют обмену водных масс, изменению берегов, а также и климата в различных частях земного шара и т. д.
Наличие морских течений является характерной особенностью океанических вод. Еще в далекие времена люди установили, что ветер, дующий над морем, вызывает не только волны, но и течения, которые играют огромную роль в процессе перераспределения тепла на Земле, и проявляли особый интерес к их изучению.
Первые упоминания о течениях мы находим еще у древних греков. Аристотель описывал течения в проливах: Керченском,
ÐÈÑ. 18. Основные поверхностные течения Мирового океана.
1 – Гольфстрим; 2 – Северо-Атлантическое; 3 – Норвежское; 4 – Нордкапское; 5 – Шпицбергенское; 6 – Восточно-Гренландское; 7 – Западно-Гренландское; 8 – Лабрадорское; 9 – Канарское; 10 – Северные Пассатные; 11 – Гвианское; 12 – экваториальные противотечения; 13 – Южные Пассатные; 14 – Бразильское; 15 – Бенгельское; 16 – Фолклендское; 17 – Антарктическое циркумполярное; 18 – Мадагаскарское; 19 – Мозамбикское; 20 – мыса Игольного; 21 – Сомалийское; 22 – муссонное (летнее); 23 – Западно-Австралийское; 24 – Перуанское; 25 – Восточно-Австралийское; 26 – Куросио; 27 – Северо-Тихоокеанское; 28 – Àëÿ-
скинское; 29 – Курильское; 30 – Калифорнийское; 31 – Трансантарктическое
80 Глава 5. Динамический режим Мирового океана
Босфор, Дарданеллы. Теофаст упоминает о течении в Гибралтарском проливе. Жители Карфагена знали о течениях в Атлантиче- ском океане. Знания о существовании течений дали возможность скандинавским мореплавателям (норманнам, или викингам) еще в IX-X веках преодолеть страх и выйти в воды Северной Атлантики, колонизировать Исландию, южные части Гренландии и побережье Северной Америки, назвав его Винланд, о чем свидетельствуют упоминания в скандинавских сагах. Наблюдения за тече- ниями в открытом океане проводил Х. Колумб во время своего первого плавания в Америку. В XIX-XX веках течения изуча- лись многими экспедициями мира. В результате накопленных сведений можно сказать, что течения представляют собой сложные сочетания различных типов непериодических и периодиче- ских перемещений воды. Направления течений изменяются в градусах и указывают, куда перемещается поток воды (в отли- чие от направления ветра, указывающего, откуда он дует ). Скорость течения измеряется в метрах в секунду или в узлах (1 узел = 0,5144 м/с).
В свое время выдающийся русский климатолог А. И. Воейков назвал морские течения “трубами водяного отопления” земного шара. Колоссальные массы воды движутся среди океанов и в зависимости от того, где они начинаются, несут с собой тепло или холод.
Теплые воды в западных частях океанов направляются, как правило, к полюсам и, подобно водяной отопительной системе, обогревают высокие широты, а на востоке возвращаются к экватору охлажденными. По существу, течения играют роль планетарного энергетического “демпфера”. Таким образом, океаниче- ские течения - это поистине грандиозные явления природы. Самое мощное и наиболее известное морское течение - Гольфстрим - своеобразная гигантская река в океане, которая начинается еще в южных широтах, проходит через Карибское море, Флоридский пролив (со скоростью 7-9 км/ч), пересекает Атлантиче- ский океан и доходит до островов Шпицберген и Новая Земля, простираясь на 10 000 км (рис. 19). Причиной его зарождения является большой нагон пассатными ветрами водной массы через Юкатанский пролив в пределы Мексиканского залива. При выходе в океан мощность течения составляет 25 млн м /с, что в 20 раз превышает расход всех рек земного шара. Ширина течения 75-120 км, вертикальная мощность потока по глубине 700-800 м. Воды этого течения несут колоссальное количество
Глава 5. Динамический режим Мирового океана 81
РИС. 19. Течение Гольфстрим
тепла, которым обогревается вся Западная и Северная Европа. Влияние Гольфстрима сильно сказывается на природе Северного Ледовитого океана. Благодаря Гольфстриму на северном побережье Европы значительно теплее, чем на тех же широтах Северной Америки. В Англии, например, произрастают вечнозеленые растения (рододендрон, падуб, земляничное дерево), а самый северный из Лофотенских островов, расположенный вблизи Северного полярного круга, имеет среднегодовую температуру Крымского полуострова. Роль такой же печки для Японских островов играет течение Куросио в Тихом океане. Оно тоже начинается в приэкваториальных широтах, устремляется к северу, а у Японских островов поворачивает на северо-восток и уходит к Аляске, формируя там климат “вечной осени”. Куросио имеет ширину от 180 до 230 км, а глубина его вод - 600 м. На северо-западе Тихого океана протекает холодное течение Оясио (Курильское), идущее с севера на юг вдоль восточных берегов Курильской гряды и острова Хоккайдо .
Наряду с теплыми течениями существуют холодные. Из Баффинова залива, через Дейвиса пролив в пределы Атлантического
82 Глава 5. Динамический режим Мирового океана
океана устремляется холодное Лабрадорское течение, которое выносит туда холодные воды с температурной разницей в 8-10 , с наличием многочисленных айсбергов, выносимых из полярных широт. Один из этих айсбергов был причиной гибели “Титаника” в 1912 г. Наличие Лабрадорского течения формирует на востоке Северной Америки на широте 55 (широта Минска) - зону тундры, а на широте 50 (широта Киева) - природную зону степей и широколиственных лесов.
 тропических широтах Тихого океана, у берегов Южной Америки проходит холодное поверхностное Перуанское течение (Гумбольдта), оказывающее большое влияние на атмосферные процессы в этом районе. Воздушные массы, проходя над холодными водами течения, не насыщаются влагой и не приносят осадков на материк. Поэтому побережье и западные склоны Анд не получают осадков по многу лет подряд. Холодные воды Перуанского течения, насыщенные кислородом и питательными веществами, очень богаты органической жизнью. Здесь находится крупнейший промысел одного из видов анчоуса, благодаря чему Перу ежегодно вылавливает 7-10 млн т рыбных богатств.
Со времен Х. Колумба известно, что пассатные ветры в тропиках возбуждают мощные пассатные течения, а между северными и южными пассатами располагается полоса штилей и слабых ветров. В зоне слабых ветров обнаруживается Экваториальное, èëè Межпассатное, противотечение, идущее навстречу двум своим соседям на севере и на юге. Такая система течений и противотечений имеется во всех океанах, но в каждом со своими особенностями.
 Тихом океане противотечение зарождается вблизи Филиппин и движется строго на восток, чуть севернее экватора, между двумя пассатными течениями.
 Индийском океане система экваториальных течений сдвинута к югу от экватора, испытывает сильное влияние муссонных ветров. В продолжение северной зимы (декабрь-январь), когда дует северо-восточный муссон, здесь образуются пассатные тече- ния и противотечения. Только Сомалийское течение (аналогично Гольфстриму и Куросио) ведет себя необычно, широкой полосой двигаясь на юг. В летнее время (июль-август), когда преобладает юго-западный муссон, Экваториальное противотечение исчезает, а Сомалийское узкой струей, более быстрое, чем Гольфстрим, устремляется на север.
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.
Объяснение происхождения приливообразующих сил.
Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно бóльшую роль, чем массы тел.
Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли в 81,3 раза больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.
Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30-60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.
За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной - обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.
Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.
Неравенства величин прилива.
Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться:
1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны;
2) амплитудой прилива
3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды. Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.
Полусуточный эффект.
Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе - вращению Земли вокруг своей оси - образуются два полных приливных цикла. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, - против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.
Полумесячное неравенство.
Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 143/4 суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой. До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными.
Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т.е. когда Луна находится в первой или последней четверти), их приливообразующие силы противодействуют, поскольку прилив, вызванный притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызванный Луной. В таких условиях приливы не столь высоки, а отливы - не столь низки, как если бы они были обусловлены только силой притяжения Луны. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом. В Атлантическом океане как сизигийные, так и квадратурные приливы обычно запаздывают на сутки по сравнению с соответствующей фазой Луны. В Тихом океане такое запаздывание составляет лишь 5 ч. В портах Нью-Йорк и Сан-Франциско и в Мексиканском заливе сизигийные приливы на 40% выше квадратурных.
Лунное параллактическое неравенство.
Период колебаний высот приливов, возникающий за счет лунного параллакса, составляет 271/2 суток. Причина этого неравенства состоит в изменении расстояния Луны от Земли в процессе вращения последней. Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. Этот расчет справедлив для порта Нью-Йорк, где эффект пребывания Луны в апогее или перигее обычно запаздывает примерно на 11/2 суток относительно соответствующей фазы Луны. Для порта Сан-Франциско разница в высотах приливов, обусловленная нахождением Луны в перигее или апогее, составляет только 32%, и они следуют за соответствующими фазами Луны с запаздыванием на двое суток.
Суточное неравенство.
Период этого неравенства составляет 24 ч 50 мин. Причины его возникновения - вращение Земли вокруг своей оси и изменение склонения Луны. Когда Луна находится вблизи небесного экватора, два прилива в данные сутки (а также два отлива) слабо различаются, и высоты утренних и вечерних полных и малых вод весьма близки. Однако с увеличением северного или южного склонения Луны утренние и вечерние приливы одного и того же типа различаются по высоте, и, когда Луна достигает наибольшего северного или южного склонения, эта разница максимальна. Известны также тропические приливы, называемые так из-за того, что Луна находится почти над Северным или Южным тропиками.
Суточное неравенство существенно не влияет на высоты двух последовательных отливов в Атлантическом океане, и даже его воздействие на высоты приливов мало по сравнению с общей амплитудой колебаний. Однако в Тихом океане суточная неравномерность проявляется в уровнях отливов втрое сильнее, чем в уровнях приливов.
Полугодовое неравенство.
Его причиной является обращение Земли вокруг Солнца и соответствующее изменение склонения Солнца. Дважды в год в течение нескольких суток во время равноденствий Солнце находится близ небесного экватора, т.е. его склонение близко к 0°. Луна также располагается вблизи небесного экватора приблизительно в течение суток каждые полмесяца. Таким образом, во время равноденствий существуют периоды, когда склонения и Солнца и Луны приблизительно равны 0°. Суммарный приливообразующий эффект притяжения этих двух тел в такие моменты наиболее заметно проявляется в районах, расположенных вблизи земного экватора. Если в то же самое время Луна находится в фазе новолуния или полнолуния, возникают т.н. равноденственные сизигийные приливы.
Солнечное параллактическое неравенство.
Период проявления этого неравенства составляет один год. Его причиной служит изменение расстояния от Земли до Солнца в процессе орбитального движения Земли. Один раз за каждый оборот вокруг Земли Луна находится на кратчайшем от нее расстоянии в перигее. Один раз в год, примерно 2 января, Земля, двигаясь по своей орбите, также достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелия). Когда эти два момента наибольшего сближения совпадают, вызывая наибольшую суммарную приливообразующую силу, можно ожидать более высоких уровней приливов и более низких уровней отливов. Подобно этому, если прохождение афелия совпадает с апогеем, возникают менее высокие приливы и менее глубокие отливы.
Методы наблюдений и прогноз высоты приливов.
Измерение уровней приливов осуществляется при помощи устройств различных типов.
Футшток - это обычная рейка с нанесенной на нее шкалой в сантиметрах, прикрепляемая вертикально к пирсу или к опоре, погруженной в воду так, что нулевая отметка находится ниже наиболее низкого уровня отлива. Изменения уровня считывают непосредственно с этой шкалы.
Поплавковый футшток.
Такие футштоки используются там, где постоянное волнение или мелководная зыбь затрудняют определение уровня по неподвижной шкале. Внутри защитного колодца (полой камеры или трубы), вертикально установленного на морском дне, помещается поплавок, который соединен с указателем, закрепленным на неподвижной шкале, или пером самописца. Вода проникает в колодец сквозь небольшое отверстие, расположенное значительно ниже минимального уровня моря. Его приливные изменения через поплавок передаются на измерительные приборы.
Гидростатический самописец уровня моря.
На определенной глубине размещается блок резиновых мешков. По мере изменения высоты прилива (слоя воды) меняется гидростатическое давление, которое фиксируется измерительными приборами. Автоматические регистрирующие устройства (мареографы) также могут применяться для получения непрерывной записи приливо-отливных колебаний в любой точке.
Таблицы приливов.
При составлении таблиц приливов используются два основных метода: гармонический и негармонический. Негармонический метод всецело базируется на результатах наблюдений. Кроме того, привлекаются характеристики портовых акваторий и некоторые основные астрономические данные (часовой угол Луны, время ее прохождения через небесный меридиан, фазы, склонения и параллакс). После внесения поправок на перечисленные факторы расчет момента наступления и уровня прилива для любого порта является чисто математической процедурой.
Гармонический метод является отчасти аналитическим, а отчасти основан на данных наблюдений за высотами приливов, проводившихся в течение по меньшей мере одного лунного месяца. Для подтверждения этого типа прогнозов для каждого порта необходимы длительные ряды наблюдений, поскольку за счет таких физических явлений, как инерция и трение, а также сложной конфигурации берегов акватории и особенностей рельефа дна возникают искажения. Поскольку приливо-отливным процессам присуща периодичность, к ним применяется анализ гармонических колебаний. Наблюдаемый прилив рассматривается как результат сложения серии простых составляющих волн прилива, каждая из которых вызвана одной из приливообразующих сил или одним из факторов. Для полного решения используется 37 таких простых составляющих, хотя в некоторых случаях дополнительные компоненты сверх 20 основных пренебрежимо малы. Одновременная подстановка 37 констант в уравнение и собственно его решение осуществляется на компьютере.
Приливы на реках и течения.
Взаимодействие приливов и речных течений хорошо заметно там, где крупные реки впадают в океан. Высота приливов в бухтах, устьях рек и эстуариях может существенно возрастать в результате увеличения стока в маргинальных потоках, особенно во время половодий. Вместе с тем океанические приливы проникают далеко вверх по рекам в виде приливных течений. Например, на р.Гудзон приливная волна заходит на расстояние 210 км от устья. Приливные течения обычно распространяются вверх по реке до труднопреодолимых водопадов или порогов. Во время приливов течения в реках отличаются бóльшими скоростями, чем во время отливов. Максимальные скорости приливных течений достигают 22 км/ч.
Бор.
Когда вода, приходящая в движение под воздействием прилива большой высоты, ограничена в своем перемещении узким руслом, образуется довольно крутая волна, которая единым фронтом перемещается вверх по потоку. Это явление называется приливной волной, или бором. Такие волны наблюдаются на реках гораздо выше устьев, где сочетание силы трения и течения реки в наибольшей степени препятствует распространению прилива. Известно явление формирования бора в заливе Фанди в Канаде. Около Монктона (пров. Нью-Брансуик) р.Птикодиак впадает в бухту Фанди, образуя маргинальный поток. В малую воду его ширина 150 м, и он пересекает полосу осушки. Во время прилива стена воды протяженностью 750 м и высотой 60-90 см шипящим и бурлящим вихрем устремляется вверх по реке. Самый большой из известных боров высотой 4,5 м формируется на р.Фучуньцзян, впадающей в залив Ханьчжоу.
Реверсивный водопад
(меняющий направление на противоположное) - это еще одно явление, связанное с приливами на реках. Типичный пример - водопад на р.Сент-Джон (пров. Нью-Брансуик, Канада). Здесь по узкому ущелью вода во время прилива проникает в котловину, расположенную выше уровня малой воды, однако несколько ниже уровня полной воды в этой же теснине. Таким образом, возникает преграда, перетекая через которую вода образует водопад. Во время отлива сток воды устремляется вниз по течению через суженный проход и, преодолевая подводный уступ, образует обычный водопад. Во время прилива проникшая в ущелье крутая волна обрушивается водопадом в вышележащую котловину. Попятное течение продолжается до тех пор, пока уровни воды по обе стороны порога не сравняются и не начнется отлив. Затем опять восстанавливается водопад, обращенный вниз по течению. Средний перепад уровня воды в ущелье составляет ок. 2,7 м, однако при самых высоких приливах высота прямого водопада может превысить 4,8 м, а реверсивного - 3,7 м.
Наибольшие амплитуды приливов.
Самый высокий в мире прилив формируется в условиях сильного течения в бухте Минас в заливе Фанди. Приливные колебания здесь характеризуются нормальным ходом с полусуточным периодом. Уровень воды во время прилива часто поднимается за шесть часов более чем на 12 м, а затем в течение последующих шести часов понижается на ту же величину. Когда воздействие сизигийного прилива, положение Луны в перигее и максимальное склонение Луны приходятся на одни сутки, уровень прилива может достигать 15 м. Такая исключительно большая амплитуда приливо-отливных колебаний отчасти обусловлена воронкообразной формой залива Фанди, где глубины уменьшаются, а берега сближаются по направлению к вершине залива.
Ветер и погода.
Ветер оказывает существенное влияние на приливо-отливные явления. Ветер с моря нагоняет воду в сторону берега, высота прилива увеличивается сверх обычной, и при отливе уровень воды тоже превосходит средний. Напротив, при ветре, дующем с суши, вода сгоняется от берега, и уровень моря понижается.
Приливно-отливные колебания уровня океана сопровождаются горизонтальным перемещением водных масс, которое носит название приливно-отливного течения. Поэтому судоводитель должен учитывать не только изменение глубин, но и приливно-отливное течение, которое может достигать значительной скорости. В районах, где наблюдаются приливы, судоводитель должен быть всегда осведомлен о высоте прилива и элементах приливно-отливного течения.
Приливы позволяют судам с большой осадкой заходить в некоторые порты, расположенные в мелководных бухтах и устьях рек.
В некоторых местах приливы усиливаются сгонно-нагонными явлениями, что приводит к значительному повышению или понижению уровня, а это в свою очередь может привести к авариям судов, стоящих под грузовыми операциями у причалов или на рейде.
Характер и величина приливов в Мировом океане отличаются большим разнообразием и сложностью. Величина прилива в океане не превышает 1 м. В прибрежных районах в связи с уменьшением глубин и усложйением рельефа дна характер приливов значительно изменяется по сравнению с приливами в открытом океане. У прямолинейных берегов и вдающихся в океан мысов величина прилива колеблется в пределах 2-3 м; в прибрежной части заливов и при сильно изрезанной береговой линии она достигает 16 м и более.
Например, в Пенжинской губе (Охотское море) прилив достигает 13 м. У советских берегов Японского моря высота его не превышает 2,5 м.
В морях высота прилива зависит от того, какая имеется связь у данного моря с океаном. Если море далеко вдается в сушу и имеет узкий и мелководный пролив с океаном, то приливы в нем обыкновенно невелики.
В Балтийском море приливы настолько незначительны, что измеряются сантиметрами. Высота прилива в Кале 7 см, в Финском и Ботническом заливах около 14 см, а в Ленинграде около 5 см.
В Черном и Каспийском морях приливы почти незаметны.
В Баренцевом море приливы имеют полусуточный характер.
В Кольском заливе они достигают 4 м, а у Иоканских островов - до 6 м.
В Белом море приливы полусуточные. Наибольшая высота прилива наблюдается на Терском берегу в горле моря, где у Орловского маяка она доходит до 8,5 ж, а в Мезенской губе - до 12 м. В других районах этого моря приливы значительно меньше; так, в Архангельске около 1 м, Кеми - 1,5 ж, а Кандалакше - 2,3 м.
Приливная волна, проникая в устье рек, способствует колебанию их уровня, а также существенно влияет на скорость течения воды в устьях. Так, нередко скорость приливного течения, преобладая над скоростью реки, изменяет течение реки на обратное.
Существенное влияние на приливно-отливные явления оказывают ветры.
Всестороннее изучение и учет приливно-отливных явлений имеет большое значение для безопасности судоходства.
Течение, которое направляется в сторону движения приливной волны, называется приливным, противоположное - отливным.
Скорость приливно-отливных течений прямо пропорциональна величине прилива. Следовательно, для определенного пункта скорость приливно-отливных течений в сизигию будет значительно больше скорости в квадратуру.
С увеличением склонения Луны, а также при перемещении Луны от апогея к перигею скорость приливно-отливных течений увеличивается.
Приливно-отливные течения отличаются от всех других течений тем, что они захватывают всю толщу водных масс от поверхности до дна, лишь незначительно уменьшая свою скорость в придонных слоях.
В проливах, узких заливах и вблизи берегов приливно-отливные течения имеют обратный (реверсивный) характер, т. е. приливное течение направлено постоянно в одну сторону, а отливное имеет направление, прямо противоположное приливному.
В открытом море, вдали от берегов, и в средних частях достаточно широких заливов нет резкого изменения направления приливно-от- ливного течения на обратное, т. е. так называемой смены течений.
В этих местах чаще всего наблюдается непрерывное изменение направлений течения, причем изменение течения на 360° происходит при полусуточном характере прилива за 12 ч 25 мин и при суточном характере прилива за 24 ч 50 мин. Такие течения называются вращающимися течениями. Изменение направлений вращающихся течений в северном полушарии, как правило, происходит по часовой стрелке, а в южном- против часовой стрелки.
Смена приливного течения на отливное и наоборот происходит как в момент полных и малых вод, так и в момент среднего стояния уровня. Нередко смена течений происходит в промежуток времени между полной и малой водой. При смене приливного течения на отливное и обратное скорость течения равна нулю.
Общая схема приливно-отливных течений часто нарушается местными условиями. Учет приливно-отливного течения, как уже указывалось выше, имеет большое значение для безопасности плавания.
Данные об элементах приливно-отливных течений выбирают из Атласа приливно-отливных течений, а для некоторых участков морей- из таблиц, помещенных на навигационных картах. Общие указания о течениях даны также в лоциях морей.
Относительно постоянные течения показаны на картах стрелками. Направление каждой стрелки соответствует направлению действующего в данном месте течения, а цифры над стрелкой показывают скорость течения в узлах.
Направление и скорость приливно-отливных течений являются переменными величинами, и для того чтобы с достаточной полнотой отразить их на карте, нужна не одна стрелка, а система стрелок - векторная диаграмма.
При всей наглядности векторных диаграмм они излишне загружают карту и делают ее трудночитаемой. Во избежание этого элементы при- ливно-отливных течений принято показывать на карте в виде таблиц, помещаемых на свободных местах карты. Полной таблицей считается таблица, в которой есть следующие данные:
Часы относительно полной воды в ближайшем приливном пункте; надпись «Полная вода», соответствующая нулю часов, размещена по
Средине графы, от нее кверху в возрастающем порядке проставлены цифры часов до полной воды, а книзу также в возрастающем порядке- цифры часов после полной воды;
Географические координаты точек, обозначаемых обычно буквами А; Б; В; Г и т.д. ; те же самые буквы ставятся в соответствующих местах на карте;
Элементы течений: направление в градусах и скорость в сизигию и квадратуру в узлах (с точностью до 0,1 узла).
Определение скорости и направления течения на заданный момент в данном месте по Атласу находят следующим образом.
Вначале по Атласу определяют основной порт для данного места, после этого по Таблице приливов (ч. I) находят время полной воды, ближайшей к заданному, рассчитывают промежуток времени (в часах) до или после момента полной воды в основном порту относительно заданного момента. Затем на рассчитанный промежуток времени до наступления или после момента полной воды находят в Атласе направление течения (в градусах) и скорость (в узлах).
При плавании элементы приливно-отливных течений необходимо определять заранее; рекомендуется составить таблицу течений для заранее рассчитанных моментов (через 1 ч), соответствующих счислимым местам судна.
Ниже приведен пример таблицы приливно-отливных течений (табл. 7).
прили́вы и отли́выпериодические колебания уровня Мирового океана, атмосферного давления и деформации твёрдого тела Земли, обусловленные силами притяжения Луны и Солнца. Под воздействием этих небесных тел возникают приливообразующие силы, которые пропорциональны массе этого тела, его расстоянию от центра Земли и обратно пропорциональны кубу расстояния от Земли. Из-за большего расстояния (несмотря на значительно большую массу) приливообразующая сила Солнца в ср. в 2,16 раза меньше, чем Луны. Приливообразующая сила непрерывно меняется в каждой точке Земли вследствие её суточного вращения и движения планет по своим орбитам.
Наибольшее поднятие воды называют полная вода , минимальное – малая вода . Выделяют 3 осн. типа приливов: полусуточные , когда в течение т. н. лунных суток (24 ч 54 мин.) наблюдаются 2 полных и 2 малых воды; суточные , когда за тот же период проходит 1 полная и 1 малая вода; смешанные – промежуточные между двумя предыдущими. Макс. выс. достигают сизигийные приливы , когда Солнце, Луна и Земля находятся на одной линии (или в одной фазе). Минимальны квадратурные приливы , когда Солнце и Луна занимают взаимно перпендикулярное положение и оказываемые ими влияния оказываются в противодействии.
Приливная волна обходит Землю по экватору за 36 ч, двигаясь по океанам с В. на З. со скоростью 1100 км/ч. Из-за того, что океан покрывает не всю Землю, приливная волна встречает преграды в виде материков, испытывает трение о дно. Это порождает обратные течения и другие явления, вследствие которых амплитуды и фазы приливных волн сильно отличаются от расчётных теоретических. На удалении от материков величина приливов составляет ок. 1 м, у берегов разность уровней между полной и малой водой может быть намного больше. Особенно велики колебания в постепенно сужающихся проливах и заливах-эстуариях. Мировой рекорд (18 м, по другим данным – 19,6 м) зафиксирован на Атлантическом побережье Канады, в заливе Фанди. В России макс. приливы (до 13 м) наблюдаются в Пенжинской губе Охотского моря. Прилив, распространяясь в устье реки, может трансформироваться в ней в крутую волну, идущую вверх по течению. Такое явление в Юго-Вост. Азии называется «бор», в устье Амазонки – «поророка».
При прохождении упругих приливных волн вертикальные смещения земной коры могут достигать 50 см, а горизонтальные – 5 см. Они проявляются в периодических изменениях уровня воды в колодцах, уровня лавы в вулканах, в дебете воды некоторых источников. Атм. приливы сравнительно слабые, наиболее заметны в тропической зоне и уменьшаются по мере приближения к полюсам. Они играют значительную роль в динамике верхних слоёв атмосферы. Приливы, проявляющиеся во всех оболочках Земли, замедляют её вращение вокруг собственной оси, но гл. роль в этом принадлежит океаническим приливам.
География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006.
Приливы 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.
Объяснение происхождения приливообразующих сил.
Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно бóльшую роль, чем массы тел.
Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли в 81,3 раза больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.
Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30–60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.
За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной – обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.
Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.
Неравенства величин прилива.
Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться: 1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны; 2) амплитудой прилива и 3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды. Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.
Полусуточный эффект. Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе – вращению Земли вокруг своей оси – образуются два полных приливных цикла. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, – против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.
Полумесячное неравенство. Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 143/4 суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой. До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными.
Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т.е. когда Луна находится в первой или последней четверти), их приливообразующие силы противодействуют, поскольку прилив, вызванный притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызванный Луной. В таких условиях приливы не столь высоки, а отливы – не столь низки, как если бы они были обусловлены только силой притяжения Луны. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом. В Атлантическом океане как сизигийные, так и квадратурные приливы обычно запаздывают на сутки по сравнению с соответствующей фазой Луны. В Тихом океане такое запаздывание составляет лишь 5 ч. В портах Нью-Йорк и Сан-Франциско и в Мексиканском заливе сизигийные приливы на 40% выше квадратурных.
Лунное параллактическое неравенство. Период колебаний высот приливов, возникающий за счет лунного параллакса, составляет 271/2 суток. Причина этого неравенства состоит в изменении расстояния Луны от Земли в процессе вращения последней. Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. Этот расчет справедлив для порта Нью-Йорк, где эффект пребывания Луны в апогее или перигее обычно запаздывает примерно на 11/2 суток относительно соответствующей фазы Луны. Для порта Сан-Франциско разница в высотах приливов, обусловленная нахождением Луны в перигее или апогее, составляет только 32%, и они следуют за соответствующими фазами Луны с запаздыванием на двое суток.
Суточное неравенство. Период этого неравенства составляет 24 ч 50 мин. Причины его возникновения – вращение Земли вокруг своей оси и изменение склонения Луны. Когда Луна находится вблизи небесного экватора, два прилива в данные сутки (а также два отлива) слабо различаются, и высоты утренних и вечерних полных и малых вод весьма близки. Однако с увеличением северного или южного склонения Луны утренние и вечерние приливы одного и того же типа различаются по высоте, и, когда Луна достигает наибольшего северного или южного склонения, эта разница максимальна. Известны также тропические приливы, называемые так из-за того, что Луна находится почти над Северным или Южным тропиками.
Суточное неравенство существенно не влияет на высоты двух последовательных отливов в Атлантическом океане, и даже его воздействие на высоты приливов мало по сравнению с общей амплитудой колебаний. Однако в Тихом океане суточная неравномерность проявляется в уровнях отливов втрое сильнее, чем в уровнях приливов.
Полугодовое неравенство. Его причиной является обращение Земли вокруг Солнца и соответствующее изменение склонения Солнца. Дважды в год в течение нескольких суток во время равноденствий Солнце находится близ небесного экватора, т.е. его склонение близко к 0°. Луна также располагается вблизи небесного экватора приблизительно в течение суток каждые полмесяца. Таким образом, во время равноденствий существуют периоды, когда склонения и Солнца и Луны приблизительно равны 0°. Суммарный приливообразующий эффект притяжения этих двух тел в такие моменты наиболее заметно проявляется в районах, расположенных вблизи земного экватора. Если в то же самое время Луна находится в фазе новолуния или полнолуния, возникают т.н. равноденственные сизигийные приливы.
Солнечное параллактическое неравенство. Период проявления этого неравенства составляет один год. Его причиной служит изменение расстояния от Земли до Солнца в процессе орбитального движения Земли. Один раз за каждый оборот вокруг Земли Луна находится на кратчайшем от нее расстоянии в перигее. Один раз в год, примерно 2 января, Земля, двигаясь по своей орбите, также достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелия). Когда эти два момента наибольшего сближения совпадают, вызывая наибольшую суммарную приливообразующую силу, можно ожидать более высоких уровней приливов и более низких уровней отливов. Подобно этому, если прохождение афелия совпадает с апогеем, возникают менее высокие приливы и менее глубокие отливы.
Методы наблюдений и прогноз высоты приливов.
Измерение уровней приливов осуществляется при помощи устройств различных типов.
Футшток – это обычная рейка с нанесенной на нее шкалой в сантиметрах, прикрепляемая вертикально к пирсу или к опоре, погруженной в воду так, что нулевая отметка находится ниже наиболее низкого уровня отлива. Изменения уровня считывают непосредственно с этой шкалы.
Поплавковый футшток. Такие футштоки используются там, где постоянное волнение или мелководная зыбь затрудняют определение уровня по неподвижной шкале. Внутри защитного колодца (полой камеры или трубы), вертикально установленного на морском дне, помещается поплавок, который соединен с указателем, закрепленным на неподвижной шкале, или пером самописца. Вода проникает в колодец сквозь небольшое отверстие, расположенное значительно ниже минимального уровня моря. Его приливные изменения через поплавок передаются на измерительные приборы.
Гидростатический самописец уровня моря. На определенной глубине размещается блок резиновых мешков. По мере изменения высоты прилива (слоя воды) меняется гидростатическое давление, которое фиксируется измерительными приборами. Автоматические регистрирующие устройства (мареографы) также могут применяться для получения непрерывной записи приливо-отливных колебаний в любой точке.
Таблицы приливов. При составлении таблиц приливов используются два основных метода: гармонический и негармонический. Негармонический метод всецело базируется на результатах наблюдений. Кроме того, привлекаются характеристики портовых акваторий и некоторые основные астрономические данные (часовой угол Луны, время ее прохождения через небесный меридиан, фазы, склонения и параллакс). После внесения поправок на перечисленные факторы расчет момента наступления и уровня прилива для любого порта является чисто математической процедурой.
Гармонический метод является отчасти аналитическим, а отчасти основан на данных наблюдений за высотами приливов, проводившихся в течение по меньшей мере одного лунного месяца. Для подтверждения этого типа прогнозов для каждого порта необходимы длительные ряды наблюдений, поскольку за счет таких физических явлений, как инерция и трение, а также сложной конфигурации берегов акватории и особенностей рельефа дна возникают искажения. Поскольку приливо-отливным процессам присуща периодичность, к ним применяется анализ гармонических колебаний. Наблюдаемый прилив рассматривается как результат сложения серии простых составляющих волн прилива, каждая из которых вызвана одной из приливообразующих сил или одним из факторов. Для полного решения используется 37 таких простых составляющих, хотя в некоторых случаях дополнительные компоненты сверх 20 основных пренебрежимо малы. Одновременная подстановка 37 констант в уравнение и собственно его решение осуществляется на компьютере.
Приливы на реках и течения.
Взаимодействие приливов и речных течений хорошо заметно там, где крупные реки впадают в океан. Высота приливов в бухтах, устьях рек и эстуариях может существенно возрастать в результате увеличения стока в маргинальных потоках, особенно во время половодий. Вместе с тем океанические приливы проникают далеко вверх по рекам в виде приливных течений. Например, на р.Гудзон приливная волна заходит на расстояние 210 км от устья. Приливные течения обычно распространяются вверх по реке до труднопреодолимых водопадов или порогов. Во время приливов течения в реках отличаются бóльшими скоростями, чем во время отливов. Максимальные скорости приливных течений достигают 22 км/ч.
Бор. Когда вода, приходящая в движение под воздействием прилива большой высоты, ограничена в своем перемещении узким руслом, образуется довольно крутая волна, которая единым фронтом перемещается вверх по потоку. Это явление называется приливной волной, или бором. Такие волны наблюдаются на реках гораздо выше устьев, где сочетание силы трения и течения реки в наибольшей степени препятствует распространению прилива. Известно явление формирования бора в заливе Фанди в Канаде. Около Монктона (пров. Нью-Брансуик) р.Птикодиак впадает в бухту Фанди, образуя маргинальный поток. В малую воду его ширина 150 м, и он пересекает полосу осушки. Во время прилива стена воды протяженностью 750 м и высотой 60–90 см шипящим и бурлящим вихрем устремляется вверх по реке. Самый большой из известных боров высотой 4,5 м формируется на р.Фучуньцзян, впадающей в залив Ханьчжоу. См. также БОР.
Реверсивный водопад (меняющий направление на противоположное) – это еще одно явление, связанное с приливами на реках. Типичный пример – водопад на р.Сент-Джон (пров. Нью-Брансуик, Канада). Здесь по узкому ущелью вода во время прилива проникает в котловину, расположенную выше уровня малой воды, однако несколько ниже уровня полной воды в этой же теснине. Таким образом, возникает преграда, перетекая через которую вода образует водопад. Во время отлива сток воды устремляется вниз по течению через суженный проход и, преодолевая подводный уступ, образует обычный водопад. Во время прилива проникшая в ущелье крутая волна обрушивается водопадом в вышележащую котловину. Попятное течение продолжается до тех пор, пока уровни воды по обе стороны порога не сравняются и не начнется отлив. Затем опять восстанавливается водопад, обращенный вниз по течению. Средний перепад уровня воды в ущелье составляет ок. 2,7 м, однако при самых высоких приливах высота прямого водопада может превысить 4,8 м, а реверсивного – 3,7 м.
Наибольшие амплитуды приливов.
Самый высокий в мире прилив формируется в условиях сильного течения в бухте Минас в заливе Фанди. Приливные колебания здесь характеризуются нормальным ходом с полусуточным периодом. Уровень воды во время прилива часто поднимается за шесть часов более чем на 12 м, а затем в течение последующих шести часов понижается на ту же величину. Когда воздействие сизигийного прилива, положение Луны в перигее и максимальное склонение Луны приходятся на одни сутки, уровень прилива может достигать 15 м. Такая исключительно большая амплитуда приливо-отливных колебаний отчасти обусловлена воронкообразной формой залива Фанди, где глубины уменьшаются, а берега сближаются по направлению к вершине залива.
Ветер и погода.
Ветер оказывает существенное влияние на приливо-отливные явления. Ветер с моря нагоняет воду в сторону берега, высота прилива увеличивается сверх обычной, и при отливе уровень воды тоже превосходит средний. Напротив, при ветре, дующем с суши, вода сгоняется от берега, и уровень моря понижается.
За счет повышения атмосферного давления над обширной акваторией происходит понижение уровня воды, так как добавляется наложенный вес атмосферы. Когда атмосферное давление возрастает на 25 мм рт. ст., уровень воды понижается приблизительно на 33 см. Понижение атмосферного давления вызывает соответствующее повышение уровня воды. Следовательно, резкое падение атмосферного давления в сочетании с ветром ураганной силы способно вызвать заметный подъем уровня воды. Подобные волны, хотя и называются приливными, на самом деле не связаны с воздействием приливообразующих сил и не обладают периодичностью, характерной для приливо-отливных явлений. Формирование упомянутых волн может быть сопряжено либо с ветрами ураганной силы, либо с подводными землетрясениями (в последнем случае они называются сейсмическими морскими волнами, или цунами).
Использование энергии приливов.
Разработаны четыре метода использования энергии приливов, но наиболее практичным из них является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов. В настоящее время крупные приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове и в Приморье, во Франции в эстуарии р.Ранс, в Китае близ Шанхая, а также в других районах земного шара.
СВЕДЕНИЯ О ПРИЛИВАХ В НЕКОТОРЫХ ПОРТАХ МИРА
Порт
:: Интервал между приливами
:: Средняя высота прилива, м
:: Высота сизигийного прилива, м
:: ч
:: мин
:: ::
м. Моррис-Джесеп, Гренландия, Дания:: 10:: 49:: 0,12:: 0,18
Рейкьявик, Исландия:: 4:: 50:: 2,77:: 3,66
р. Коксоак, Гудзонов пролив, Канада:: 8:: 56:: 7,65:: 10,19
Сент-Джонс, Ньюфаундленд, Канада:: 7:: 12:: 0,76:: 1,04
Барнтко, залив Фанди, Канада:: 0:: 09:: 12,02:: 13,51
Портленд, шт. Мэн, США:: 11:: 10:: 2,71:: 3,11
Бостон, шт. Массачусетс, США:: 11:: 16:: 2,90:: 3,35
Нью-Йорк, шт. Нью-Йорк, США:: 8:: 15:: 1,34:: 1,62
Балтимор, шт. Мэриленд, США:: 6:: 29:: 0,33:: 0,40
Майами-Бич, шт. Флорида, США:: 7:: 37:: 0,76:: 0,91
Галвестон, шт. Техас, США:: 5:: 07:: 0,30:: 0,43*
о. Марака, Бразилия:: 6:: 00:: 6,98:: 9,15
Рио-де-Жанейро, Бразилия:: 2:: 23:: 0,76:: 1,07
Каллао, Перу:: 5:: 36:: 0,55:: 0,73
Бальбоа, Панама:: 3:: 05:: 3,84:: 5,00
Сан-Франциско, шт. Калифорния, США:: 11:: 40:: 1,19:: 1,74*
Сиэтл, шт.Вашингтон, США:: 4:: 29:: 2,32:: 3,45*
Нанаймо, пров.Британская Колумбия, Канада:: 5:: 00:: … :: 3,42*
Ситка, шт.Аляска, США:: 0:: 07:: 2,35:: 3,02*
Санрайз, залив Кука, шт. Аляска, США:: 6:: 15:: 9,24:: 10,16
Гонолулу, шт. Гавайи, США:: 3:: 41:: 0,37:: 0,58*
Папеэте, о. Таити, Французская Полинезия:: … :: … :: 0,24:: 0,33
Дарвин, Австралия:: 5:: 00:: 4,39:: 6,19
Мельбурн, Австралия:: 2:: 10:: 0,52:: 0,58
Рангун, Мьянма:: 4:: 26:: 3,90:: 4,97
Занзибар, Танзания:: 3:: 28:: 2,47:: 3,63
Кейптаун, ЮАР:: 2:: 55:: 0,98:: 1,31
Гибралтар, влад. Великобритании:: 1:: 27:: 0,70:: 0,94
Гранвиль,Франция:: 5:: 45:: 8,69:: 12,26
Лит, Великобритания:: 2:: 08:: 3,72:: 4,91
Лондон, Великобритания:: 1:: 18:: 5,67:: 6,56
Дувр, Великобритания:: 11:: 06:: 4,42:: 5,67
Эйвонмут, Великобритания:: 6:: 39:: 9,48:: 12,32
Рамси, о. Мэн, Великобритания:: 10:: 55:: 5,25:: 7,17
Осло, Норвегия:: 5:: 26:: 0,30:: 0,33
Гамбург, Германия:: 4:: 40:: 2,23:: 2,38
* Суточная амплитуда прилива.
ЛИТЕРАТУРА
Шулейкин В.В. Физика моря. М., 1968
Гарвей Дж. Атмосфера и океан. М., 1982
Дрейк Ч., Имбри Дж., Кнаус Дж., Турекиан К. Океан сам по себе и для нас. М., 1982
Энциклопедия Кругосвет. 2008.