Причины движения поверхностных вод мирового океана. Основные виды движения воды в океане — причины и факторы. Чем океанические течения отличаются от волн

Гигантские массы воды Мирового океана находятся в постоянном движении. Водная поверхность морей и океанов очень редко бывает спокойной и гладкой, чаще всего по ней бегут волны. Иногда они не превышают нескольких миллиметров, а порой превращаются в гигантские валы высотой в пятиэтажный дом. В открытом океане высота волн, как правило, не больше 4 м, а длина - около 150 м.

Но активность океана не ограничивается только волнами. Вся толща воды, включая придонные слои, непрерывно перемешивается. Почему это происходит?

Основной причиной, вызывающей волнение океанической воды, является ветер. В зависимости от его силы может образоваться мелкая рябь, а могут и огромные волны (например, во время тропических ураганов - прим.. Ветер перемещает верхние слои воды на большие расстояния, формируя океанические и морские течения. Силы притяжения Луны и Солнца вызывают мощные волны приливов и отливов, гигантские волны цунами образуются во время подводных землетрясений и извержений вулканов.

Наблюдателю на суше кажется, что волны бегут к берегу, но на самом деле они двигаются по вертикальным круговым орбитам. В горизонтальном направлении вода при волнении не перемещается, в чём можно убедиться, глядя на лодку или на чаек, качающихся на волнах. Величина волнения зависит не только от силы ветра, но и от того, откуда он дует. Ветер, дующий с берега, не вызывает сильного волнения, но если он дует с моря, то важно знать, как далеко зародились волны от места наблюдения: чем это расстояние больше, тем сильнее волнение.

Когда ветер стихает, волнение прекращается не сразу, некоторое время по воде распространяется зыбь - волны, двигающиеся по инерции. Слабый ветер приводит к образованию ряби - небольших волн высотой несколько миллиметров. Ветер нарушает симметрию волны, её передний склон становится круче заднего, и образуются пенные барашки.

КАТАСТРОФА НА ПОБЕРЕЖЬЕ ИНДИЙСКОГО ОКЕАНА

26 декабря 2004 г. в Индийском океане у западной оконечности острова Суматра произошло 9-балльное землетрясение. Вертикальные смещения океанического дна породили мощные волны цунами, обрушившиеся на многочисленные острова Индонезии, побережье Индокитая, Никобарские и Андаманские острова, полуостров Индостан, остров Шри-Ланка, а также на Кению и Сомали. У берегов Индонезии чудовищной силы волна достигала высоты более 20 м, она сметала всё на своём пути, смыла сотни городов и сёл, погибло около 500 тыс. человек.

В морях высота волн небольшая, например, в Средиземном море волны вырастают только до пяти метров. Наибольшие волнения наблюдаются в умеренных широтах, которые даже получили название «ревущие сороковые», и в океаническом кольце Южного полушария, где 25-метровые волны длиной в 400 м передвигаются со скоростью 20 м/с.

При подходе к берегу нижняя часть волны тормозит о дно, её верхняя часть опрокидывается, и гребень разбивается на мелкие брызги. Разрушаясь у берега, волны образуют прибой - прим.. У обрывистых берегов волны с огромной силой ударяют о скалы, и вверх взлетают фонтаны брызг. Разрушительная сила прибоя очень велика.

ЦУНАМИ

Волны, образующиеся в океане при подводных землетрясениях, оползнях на крутых склонах дна и взрывных извержениях вулканов, называются цунами. По-японски «цу-на-ми» означает «высокая волна в гавани». Гигантские волны чаще всего обрушиваются на восточное побережье Страны восходящего Солнца, видимо, поэтому японское слово было выбрано для обозначения этого катастрофического явления.

Во время подводных землетрясений формируется волновой фронт, который пронизывает всю толщу воды - от самых глубинных участков до поверхности. Возникает одна волна или серия огромных волн. В открытом океане высота цунами всего 1-2 м, их невозможно увидеть с корабля или самолёта, но длина этих волн порой достигает 600 км, а скорость распространения - 1000 км/ч. Когда цунами подходит к мелководью, скорость волны уменьшается, она как будто тормозит о дно. Высота волны стремительно растёт; причём тем больше, чем уже залив. В узких бухтах высота водяной стены может превышать 50 м, а на плоских широких побережьях обычно не более 5-6 м. Перед приближением цунами, когда перед первым гребнем идет впадина или подошва волны, вода иногда на несколько километров отступает от берега.

В XX веке произошло более 250 цунами, из которых около 100 носило разрушительный характер, сходный по своим последствиям с сильными землетрясениями. На побережье Японии волны высотой 7-8 м приходят примерно 1 раз в 15 лет, а высотой 30 м и более отмечались 4 раза за последние 1500 лет. Самой высокой - 70 м - была волна, обрушившаяся в 1737 г. на полуостров Камчатка у мыса Лопатка.

Цунами, вызванное извержением вулкана Кракатау в 1883 г. в Индонезии, обошло весь Мировой океан.

Волна цунами обладает колоссальной энергией и разрушает практически всё, что встречает на своём пути: словно щепки, она выбрасывает на берег огромные морские суда, уничтожает города и деревни, губит тысячи человеческих жизней - прим.. Интересно, что животные заранее чувствуют приближение опасности и уходят на возвышенности, куда не может добраться вода.

1. Введение

Морская вода – очень подвижная среда, поэтому в природе она находится в непрерывном движении. Это движение вызывают различные причины и прежде всего ветер. Он возбуждает поверхность течения в океане, которые переносят огромные массы воды из одних районов в другие. Однако непосредственное влияние ветра распространяется на сравнительно небольшое (до 300 м) расстояние от поверхности. Подвижность вод океана проявляется и в вертикальных колебательных движениях – таких, например, как волны и приливы. С последними связаны и горизонтальные движения воды – приливные течения. Ниже в толще воды и в придонных горизонтах перемещение происходит медленно и имеет направления, связанные с рельефом дна.

2. Движение вод Мирового океана

Рис.1. Схема циркуляции вод Мирового океана.

Поверхностные течения образуют два больших круговорота, разделенных противотечением в районе экватора. Водоворот северного полушария вращается по часовой стрелке, а южного - против. При сопоставлении этой схемы с течениями реального океана можно увидеть значительное сходство между ними для Атлантического и Тихого океанов. В то же время нельзя не заметить, что реальный океан имеет более сложную систему противотечений у границ континентов, где, например, располагаются Лабрадорское течение (Северная Атлантика) и Аляскинское возвратное течение (Тихий океан). Кроме того, течения у западных окраин океанов отличаются большими скоростями перемещения воды, чем у восточных. Ветры прилагают к поверхности океана пару сил, вращающих воду в северном полушарии по часовой стрелке, а в южном - против нее. Большие водовороты океанических течений возникают в результате действия этой пары вращающих сил. Важно подчеркнуть, что ветры и течения не относятся «один к одному». Например, наличие быстрого течения Гольфстрим у западных берегов Северной Атлантики не означает, что в этом районе дуют особенно сильные ветры. Баланс между вращающей парой сил среднего поля ветра и результирующими течениями складывается на площади всего океана. Кроме того, течения аккумулируют огромное количество энергии. Поэтому сдвиг в поле среднего ветра не приводит автоматически к сдвигу больших океанических водоворотов.

На водовороты, приводимые в движение ветром, накладывается другая циркуляция, термохалинная («халина» - соленость). Вместе температура и соленость определяют плотность воды. Океан переносит тепло из тропических широт в полярные. Этот перенос осуществляется при участии таких крупных течений, как Гольфстрим, но существует также и возвратный сток холодной воды в направлении тропиков. Он происходит в основном на глубинах, расположенных ниже слоя возбуждаемых ветром водоворотов. Ветровая и термохалинная циркуляции представляют собой составные части общей циркуляции океана и взаимодействуют друг с другом. Так, если термохалинные условия объясняют в основном конвективные движения воды (опускание холодной тяжелой воды в полярных районах и ее последующий сток к тропикам), то именно ветры вызывают расхождение (дивергенцию) поверхностных вод и фактически «выкачивают» холодную воду обратно к поверхности, завершая цикл.

Представления о термохалинной циркуляции менее полны, чем о ветровой, но некоторые особенности этого процесса более или менее известны. Считается, что образование морских льдов в море Уэдделла и в Норвежском море имеет важное значение для формирования холодной плотной воды, распространяющейся у дна в Южной и Северной Атлантике. В оба района поступает вода повышенной солености, которая охлаждается зимой до температуры замерзания. При замерзании воды значительная часть содержащихся в ней солей не включается в новообразующийся лед. В результате соленость и плотность остающейся незамерзшей воды увеличиваются. Эта тяжелая вода опускается ко дну. Обычно ее соответственно называют антарктической донной и североатлантической глубинной водой.

Другая важная особенность термохалинной циркуляции связана с плотностной стратификацией океана и ее влиянием на перемешивание. Плотность воды в океане с глубиной возрастает и линии постоянной плотности идут почти горизонтально. Воду с разными характеристиками значительно легче перемешать в направлении линий постоянной плотности, чем поперек них.

Термохалинную циркуляцию трудно с определенностью охарактеризовать. По сути, и горизонтальная адвекция (перенос воды морскими течениями), и диффузия должны играть важную роль в термохалинной циркуляции. Определение относительного значения этих двух процессов в каком-либо районе или ситуации представляет важную задачу.

Главные черты поверхностной циркуляции вод мирового океана определяются ветровыми течениями. Важно отметить, что движение водных масс в Атлантическом и Тихом океанах очень сходно. И в том и в другом океане существуют два огромных антициклонических круговых течения, разделенных экваториальным противотечением. В обоих океанах есть, кроме того, мощные западные (в северном полушарии) пограничные течения (Гольфстрим в Атлантическом и Куросио в Тихом) и такие же по характеру, но более слабые восточные течения (в южном полушарии) - Бразильское и Восточно-Австралийское. Вдоль их западных побережий прослеживаются холодные течения - Ойясио в Тихом океане, Лабрадорское и Гренландское течения в Северной Атлантике. Кроме того, в восточной части каждого бассейна к северу от основного круговорота обнаружен циклонический круговорот меньшего масштаба.

Некоторые различия между океанами связаны с различиями в очертаниях их бассейнов. Атлантический, Индийский и Тихий океаны имеют разную форму. Но некоторые из различий определяются особенностями поля ветра, как, например, в Индийском океане. Циркуляция в южной части Индийского океана в основных чертах сходна с циркуляцией в южных бассейнах Атлантического и Тихого океанов. Но в северной части Индийского океана она явно подчиняется муссонным ветрам, где в период летнего и зимнего муссонов картина циркуляции полностью меняется.

По ряду причин по мере приближения к берегу отклонения от общей картины циркуляции становятся все более существенными. В результате взаимодействия основных климатических характеристик течений с такими же характеристиками побережий часто возникают устойчивые или квазиустойчивые вихри. Заметные отклонения от средней картины циркуляции могут вызывать у побережий и местные ветры. В отдельных районах возмущающими факторами режима циркуляции служат речной сток и приливы.

В центральных районах океанов средние характеристики течений вычисляются по малому количеству точных данных и потому особенно ненадежны.

Западные пограничные течения - Гольфстрим и Куросио

Известно, что западные пограничные течения в северном полушарии (Гольфстрим и Куросио) лучше развиты, чем их аналоги в южном полушарии.

Представляя себе в общем плане циркуляцию океанических вод в виде системы обширных антициклонических вихрей, необходимо отметить, что течения, в сумме образующие круговороты, весьма сильно отличаются в их разных участках. Западные пограничные течения, такие, как Гольфстрим и Куросио, - узкие, быстрые, глубокие потоки с довольно хорошо выраженными границами. Направленные к экватору течения на другой сторонне океанических бассейнов, такие, как Калифорнийское, Перуанское и Бенгальское, напротив, широкие, слабые и неглубокие потоки с расплывчатыми границами, некоторые исследователи даже считают, что эти границы есть смысл проводить на мористой стороне течений такого типа.

Калифорнийское течение считается наиболее изученным из них. Глубина этого потока ограничивается в основном верхним 500-метровым слое. Оно складывается из ряда крупных вихрей, наложенных на слабый, но широкий поток воды, направленный к экватору. Скорости и направления движения воды, измеренные в зоне Калифорнийского течения, в любой данный момент могут оказаться совершенно отличными от средних значений. Такая же картина, видимо, характерна и для других восточных пограничных течений.

Прибрежный поток воды обычно отличается особой сложностью, и при описании его часто выделяют из более широкой системы вдольбереговых течений, присваивая ему другое название.

В зоне многих восточных пограничных течений главным фактором, определяющим распределение температуры, солености и химических характеристик воды на поверхности, является апвеллинг. Апвеллинг имеет важное биологическое значение, так как благодаря ему глубинные воды выносят питательные вещества в верхние слои воды и тем способствуют увеличению продуктивности фитопланктона. Зоны апвеллинга - это биологически самые продуктивные районы мира.

3. Циркуляция глубинных вод

Основные факторы, определяющие циркуляцию глубинных вод, - температура и соленость.

В приполярных районах Мирового океана вода на поверхности охлаждается. При образовании льда из него выделяются соли, которые дополнительно осолоняют воду. В результате вода становится более плотной и опускается на глубину. Области интенсивного образования глубинных вод находятся на севере Атлантического океана у Гренландии и в морях Уэдделла и Росса у Антарктиды.

Из приполярных районов глубинные воды распространяются по океанам. Скорость их движения очень мала. Например, антарктическим глубинным водам на пересечение Тихого океана с юга на север требуются десятки лет.

Распространение глубинных вод существенно зависит от рельефа дна. Установлено, например, что североатлантические глубинные воды, следуя рельефу дна, пересекают Атлантический океан и частично вовлекаются в мощное течение Западных ветров.

Районы интенсивного формирования глубинных вод находятся несколько юго-западнее Гренландии и в приатлантическом и притихоокеанском районах Антарктиды. Отсюда они по глубоким районам растекаются в разных направлениях, проникая в центральные и северные районы Мирового океана.

Начиная с 1950-х годов последовали открытия подповерхностных и глубинных противотечений. Подповерхностные противотечения были обнаружены в экваториальных зонах Тихого (течение Кромвеля), Атлантического (течение Ломоносова) и Индийского (течение Тареева) океанов. Подповерхностные противотечения направлены с запада на восток. Это целая система противотечений протяженностью 26 тыс. км, переносящая до 80 млн м³/с воды. Она состоит из трех струй: срединной, наиболее мощной на экваторе, и двух симметричных – в Северном и в Южном полушариях. Экваториальная струя охватывает слой 50 – 300 м и имеет скорость до 1,5 м/с.

Глубинные противотечения открыты под Гольфстримом и Куросио. Верхняя граница противотечений находится на глубинах 1000 – 2000 м. Скорости обычно не превышают 0,2 – 0,3 м/с .

4. Циркуляция полярных вод

Циркуляция вод Мирового океана в полярных районах северного и.южного полушарий совершенно различна. Арктический океан скрыт под покровом дрейфующих льдов. Существующие сведения о течениях в Северном Ледовитом океане указывают на наличие медленного переноса воды в направлении против часовой стрелки. Свободному перемешиванию глубинных холодных вод Арктики с глубинными водами Атлантического и Тихого океанов препятствуют два довольно мелководных порога между континентами. Глубина мелководного порога в Беринговом проливе, разделяющем Чукотку и Аляску, не достигает и 100 м, но сильно препятствует водообмену между Атлантическим и Тихим океанами через Северный Ледовитый.

В южном полушарии все выглядит иначе. Широкий (300 миль) и глубокий (3000 м) пролив Дрейка - между Южной Америкой и Антарктидой - обеспечивает беспрепятственный водообмен между Атлантическим и Тихим океанами. Благодаря этому направленное на восток Антарктическое циркумполярное течение простирается до дна и при расчетной величине расхода воды оказывается величайшим течением Мирового океана.

Антарктическое циркумполярное течение приводится в действие господствующими здесь западными ветрами, а его средняя скорость и расход воды определяются балансом между касательной силы ветра на поверхности и силой трения о дно. Установлено, что над понижениями дна течение отклоняется к югу, а над поднятиями - к северу, что указывает на несомненное влияние рельефа дна на направление этого течения.

Наиболее хорошо выраженные адвективные потоки воды в глубоководной области океанов отмечаются вдоль западных границ бассейнов .

5. Течения

Горизонтальное поступательное перемещение вод в океанах и морях обобщенно называют морскими течениями. Они создаются под воздействием различных природных факторов. Морские течения на поверхности океанов и морей вызываются главным образом ветром (ветровые течения). Его касательное напряжение создает трение, а движущийся воздух оказывает давление на водную поверхность. В результате этого верхний слой воды толщиной около 1,5 км начинает перемещаться в пространстве. Если ветер, вызвавший течение, устойчиво действует длительное время примерно в одном направлении, то образуется постоянное течение. Оно может распространяться на 1000 км. Если ветер, образующий течение, действует кратковременно, то создается эпизодическое случайное течение, существующее лишь сравнительно небольшое время. Главную роль в Мировом океане играют постоянные течения. Именно они осуществляют обмен водами между различными частями океана, именно они переносят тепло и соли, т.е. обеспечивают единство Мирового океана.

Перемещение вод в пространстве создает температурные различия течений. Соответственно они подразделяются на: теплые течения – их вода теплее окружающих вод; холодные – их вода холоднее окружающих вод; нейтральные – их вода близка по температуре к окружающим водам.

Основные характеристики морского течения: скорость (V м/с) и направление. Последнее определяется обратным способом по сравнению со способом определения направления ветра, т.е. в случае с течением указывается, куда течет вода (северо-восточное течение идет на северо-восток, южное – на юг и т.п.), тогда как в случае с ветром указывается, откуда он дует (северный ветер дует с севера, западный с запада и т.д.).

По направлению движения вод течения бывают прямолинейные, когда воды перемещаются по относительно прямым линиям, и круговые, образующие замкнутые окружности. Если движение в них направлено против часовой стрелки, то это – циклонические течения, а если по часовой стрелке – то антициклонические, иногда их называют антициклональными.

Морские течения охватывают всю толщу вод от поверхности до дна Мирового океана. По глубине своего протекания они подразделяются соответственно на поверхностные, глубинные и придонные. Скорость движения наиболее высока в самом верхнем (0 – 50 м) слое. Глубже она снижается. Глубинные воды движутся значительно медленнее, а скорость перемещения придонных вод 3 – 5 см/с. Скорости течений неодинаковы в разных районах океана.

Горизонтальное движение вод океана приближенно характеризуется симметрией относительно экватора, хотя в каждом полушарии имеются свои особенности.

В тропической зоне Мирового океана, где господствуют пассаты северо-восточного направления в Северном полушарии и юго-восточного – в Южном, по обе стороны экватора возникают мощные пассатные течения. Под действием силы Кориолиса они приобретают широтное направление и пересекают с востока на запад Атлантический, Индийский (кроме его северной тропической части) и Тихий океаны. В Северном полушарии – это Северное пассатное течение, его средняя скорость 80 см/с, а в Южном – Южное пассатное течение, его средняя скорость 95 см/с. Пассатные течения переносят большие массы воды, что создает ее нагон и соответственно повышает уровень у восточных берегов материков. Вследствие этого происходит отток воды у побережий и между Северным и Южным течениями образуется Межпассатное (экваториальное) противотечение, скорости которого в разных районах составляют от 50 до 130 см/с. Оно находится на 2 – 8˚ с.ш., что связано с асимметричностью расположения материков и океанов.

В Южном полушарии примерно около 50˚ ю.ш. постоянные и сильные западные ветры вызывают мощное Антарктическое циркумполярное течение (течение Западных ветров). Оно идет с запада на восток со средней скоростью 25 – 75 см/с, окаймляя южные части Атлантического, Индийского и Тихого океанов, т.е. охватывает все океанские пространства этой части земного шара.

Таким образом, Северное и Южное пассатные течения, Межпассатное (экваториальное) противотечение и Антарктическое циркумполярное течение – основные течения Мирового океана в целом.

В Мировом океане хорошо выражены вихревые движения вод, различные по происхождению, размерам и т.п. Так, основная струя Гольфстрима движется не прямолинейно, а образует горизонтальные волнообразные изгибы – меандры. Длина волны между гребнями 35 – 370 км. Вследствие неустойчивости потока меандры иногда отделяются от Гольфстрима севернее мыса Гаттерас и образуются самостоятельно существующие вихри. Их диаметр 100 – 300 км, толщина от тысячи до нескольких тысяч метров, продолжительность существования от нескольких месяцев до нескольких лет, скорость движения воды может достигать 300 см/с. Слева от струи Гольфстрима образуются теплые антициклонические вихри, а справа от нее – холодные циклонические. И те и другие дрейфуют со средней скоростью около 7 км/сут в сторону, противоположную направлению самого течения.

В северной Атлантике обнаружены вихри, созданные рельефом дна и ветрами. Они бывают циклонические и антициклонические, имеют диаметр порядка 100 км, захватывают слой воды толщиной порядка сотен метров и перемещаются со скоростями примерно несколько километров в сутки. Распространены в открытых районах океана.

Таблица 1

Основные течения Мирового океана

Название Температурная градация Устойчивость

Средняя скорость,
Тихий океан

Северное пассатное

Минданао

Северо-Тихоокеанское

Алеутское

Курило-Камчатское

Калифорнийское

Межпассатное

(экваториальное)

противотечение

Южное пассатное

Восточно-Австралийское

Южно-Тихоокеанское

Перуанское

Антарктическое

циркумполярное

Нейтральное

Нейтральное

Нейтральное

Нейтральное

Холодное

Холодное

Нейтральное

Нейтральное

Холодное

Холодное

Нейтральное

Устойчивое

Устойчивое

Весьма устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Неустойчивое

Устойчивое

Неустойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Слабо устойчивое

Слабо устойчивое

Устойчивое
Индийский океан

Южное пассатное

Агульясское (Игольного мыса)

Западно-Австралийское

Антарктическое циркумполярное

Нейтральное

Холодное

Нейтральное

Устойчивое

Весьма устойчивое

Неустойчивое

Устойчивое
Северный Ледовитый океан

Норвежское

Западно-Шпицбергенское

Восточно-Гренландское

Западно-Гренландское

Холодное

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое
Атлантический океан

Северное пассатное

Гольфстрим

Северо-Атлантическое

Канарское

Ирмингера

Лабрадорское

Межпассатное противотечение

Южное пассатное

Бразильское

Южно-Атлантическое

Бенгальское

Фолклендское

Антарктическое циркумполярное

Нейтральное

Холодное

Холодное

Нейтральное

Нейтральное

Нейтральное

Холодное

Холодное

Нейтральное

Устойчивое

Весьма устойчивое

Весьма устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

Устойчивое

6. Апвеллинг

Термин происходит от английского слова upwelling, переводящегося как «всплывание», и означает вертикальное восходящее движение воды (рис.2). Это явление играет очень большую роль в процессе обмена поверхностных и глубинных вод океана. Глубинные воды, богатые биогенными веществами, выходя к поверхности в освещенную, эвфотическую зону, дают возможность увеличить продуктивность водной массы, так как при этом возрастает количество первичной продукции. Фитопланктон в процессе жизнедеятельности переводит неорганические соединения в органические – первичную продукцию, которая служит началом дальнейшего развития биоты, первым звеном пищевых цепей. Кроме того, фитопланктон производит и кислород, обеспечивающий жизнь не только в океане, но и на всей Земле. Поэтому образно океан можно назвать «легкими планеты» – океан дает кислорода в атмосферу гораздо больше, чем леса всей суши.

Рис.2.Апвеллинг

Апвеллинги возникают в результате особой динамики вод: в открытом океане – в районах дивергенции течений, а в прибрежной зоне апвеллинги – это эффект, порождаемый сгонными ветрами.

В зонах дивергенции, где потоки расходятся в стороны, в компенсацию ушедшей воды всплывают нижние воды. Процесс идет медленно, вертикальные скорости имеют порядок 10 -5 см/с и выделить воды апвеллинга здесь трудно. Поэтому апвеллинги открытого моря очень слабо изучены.

В Тихом океане довольно отчетливо выделены зоны дивергенции: субтропическая, северная тропическая, южная тропическая и субантарктическая. Но это выделение производится лишь по системе течений, по физическим же характеристикам эти области почти не отличаются от окружающих вод.

Кроме указанных постоянных апвеллингов, в открытом океане могут существовать области временных апвеллингов, возникающих в результате воздействия рельефа дна и атмосферных барических систем. Последние, как правило, непостоянны и существуют в течение нескольких суток.

Гораздо большее значение имеют апвеллинги прибрежные. Они бывают двух типов: один связан с внешним воздействием, вызван ветром, а другой создается процессами в водах самого океана.

Ветровой апвеллинг вызывается сгоном, уходом поверхностной воды от берега в открытый океан, что понижает уровень воды у берега, и в компенсацию на поверхность выходят воды из нижних слоев. Это наиболее обычный вид апвеллинга.

Внутренние же причины, порождающие апвеллинг, – это особенности движения вод, не связанные с ветром: внутренние волны и усиление прибрежных вдольбереговых течений.

По характеру устойчивости различают квазистационарные, сезонные, синоптические и периодические (или квазипериодические) апвеллинги.

В районе апвеллинга наблюдается подразделение вод на три слоя: поверхностные, толщиной 10 – 40 м, с заметной скоростью – 10 – 30 см/с, двигающиеся от берега; подповерхностный, с меньшей скоростью – 2 – 20 см/с, двигающийся к берегу, занимающий всю толщу воды до 30 – 10 м от дна; придонный слой с течением, сходящим к нулю у дна.

Ширина зоны апвеллинга зависит от района и факторов, создающих апвеллинг. Обычно наиболее интенсивный подъем вод происходит в полосе 10 – 30 км от берега, причем скорость вертикального потока составляет 10 -2 см/с, а глубина распространения – 25 – 50 м. Внешний край зоны апвеллинга представляет собой гидрологический фронт, формируемый большими горизонтальными градиентами солености, температуры, а также течениями.

Сложность динамической картины в апвеллинге еще усиливается существованием в тонком поверхностном слое поперечных течений, которые уходят от берега в открытый океан на десятки и даже сотни километров. Природа их не выяснена, а наблюдаются они не во всех апвеллингах.

В Мировом океане существует несколько стационарных прибрежных апвеллингов, расположенных, как правило, у западных окраин материков: в Атлантическом океане это Канарский (Западно-Африканский), Гвинейский, Бенгальский, Бразильский, Южно-Африканский. Последний можно отнести и к Индийскому океану, в котором есть еще и Сомалийский апвеллинг. В Индийском океане выделение зон апвеллинга довольно трудно, потому что в северной его части динамика вод определяется циркуляцией атмосферы, характеризующейся периодичностью смены муссонов – юго-западного и северо-восточного. Это вызывает смену направления течений. В Тихом океане существует обширный стационарный Перуанский апвеллинг, менее обширный Калифорнийский и сезонный Орегонский.

Обнаружен апвеллинг и в Северном Ледовитом океане – он расположен в море Бофорта. Этот апвеллинг характерен тем, что на поверхность из глубины поднимается не холодная, а теплая вода атлантического происхождения («теплая прослойка»). Есть основания думать, что апвеллинг есть и на северных окраинах сибирских арктических морей, где существует «великая сибирская полынья». Это наиболее вероятный путь включения тепла атлантической промежуточной прослойки в процесс теплообмена в водах Северного Ледовитого океана. Именно так отдается атлантическое тепло: ведь входит в океан вода температуры 4 – 3˚С, а выходит (Восточно-Гренландское течение) вода температуры – 1,5 – 1,9˚С.

Апвеллинги наблюдаются также и в морях. Так, в Каспийском море летом существует стационарный апвеллинг у восточного берега средней части моря. Он создан преобладающими восточными ветрами, сгоняющими поверхностную теплую воду, на смену которой поднимаются глубинные воды температуры на 2 – 4 ˚С ниже.

На Черном море, на Южном берегу Крыма, нередко возникают кратковременные ветровые апвеллинги, вызывающие понижение температуры прибрежной воды на 3 – 5 ˚С за короткие промежутки времени. Бывают понижения и на 10 ˚С, и более.

7. Волнение

Волнение – одно из разновидностей волновых движений, существующих в океане. Это волны, вызванные воздействием ветра на поверхность моря. Кроме волнения в океанах и морях существуют другие виды волн: приливные, сейшевые, внутренние и т.п. Все волновые движения представляют собой деформацию массы воды под воздействием внешних сил. Сила может быть разовой (единичной), постоянно действующей или периодически, но в любом случае эта сила, выведя массу воды из равновесия, возбуждает в ней колебательное периодическое движение, выражающееся двояко: колеблется форма поверхности воды около поверхности покоя и колеблются отдельные частицы вокруг своих точек равновесия. Так как это колебание развивается во времени, то можно определить и скорость этих движений. Для деформации поверхности это будет скорость распространения волны, или фазовая скорость, а для частицы – скорость обращения ее вокруг точки равновесия – центра орбиты, т.е. орбитальная скорость. Это характеристика волн поступательных или прогрессивных, которые перемещаются на большие расстояния. Есть еще волны стоячие, в которых деформация происходит на месте, без распространения.

Волны разделяются на длинные и короткие. К длинным относятся волны, у которых длина значительно больше глубины места, например приливные, имеющие длину в сотни и даже тысячи километров, к коротким – ветровые размерами в десятки и сотни метров при средней глубине океана около 4 км. Существуют волны вынужденные, находящиеся непрерывно под воздействием силы, и свободные, распространяющиеся по инерции после окончания действия силы, вызвавшей их. Именно к такому виду относятся волны зыби, волны оставшиеся после прекращения ветра, вызвавшего ветровое волнение.

7.1. Ветровые волны

Воздействуя на поверхность воды, ветер, благодаря трению о воду, создает касательные напряжения и влекущие усилия, а также вызывает местные колебания давления воздуха. В результате на поверхности воды даже при ветре со скоростью 1 м/с образуются маленькие волны, имеющие высоту, измеряемую в миллиметрах, и длину – в сантиметрах. Эти едва зародившиеся волны имеют вид ряби. Так как существование таких волн связано с поверхностным натяжением, их называют капиллярными. Если ветер прошел над водой кратковременным порывом, то образованные им пятна ряби исчезают с прекращением ветра – поверхностное натяжение стремится сократить площадь поверхности воды. Если ветер устойчивый, то капиллярные волны, интерферируя, увеличиваются в размерах, прежде всего по длине. Рост волн приводит к их объединению в группы и удлинению до нескольких метров. Волны становятся гравитационными.

Процессы передачи энергии от воздуха к воде и начальные стадии развития волн очень сложны и недостаточно изучены.

Существенное отличие ветрового волнения от зыби состоит в том, что оно развивается под действием не двух (сила тяжести и центробежная сила), а многих сил. Добавляется влияние ветра (трение и давление). Это приводит к нарушению симметрии формы волны – передний склон становится круче заднего, следовательно, и короче его. Частицы воды приобретают поступательную скорость и, закончив один оборот, возвращаются не в точку начала движения, а оказываются чуть впереди в сторону распространения волны – орбита не замыкается. Эта асимметрия профиля, увеличение крутизны переднего склона может дойти до срыва гребня, до образования переднего барашка, беляка. Наконец, из-за того, что скорость ветра часто неравномерна вдоль фронта (гребня) волны, становится неравномерной и высота волны вдоль гребня, иначе говоря, волна оказывается не двумерной, а трехмерной. Вот такие волны и бывают в море чаще всего.

Размеры трехмерных волн тем больше, чем ветер сильнее, продолжительнее и чем больше его разгон, т.е. расстояние, которое он пробегает над водой, а это зависит от его направления. Наибольшие волнения наблюдаются в районах с частыми и продолжительными штормами. Обширные площади сильного волнения расположены в умеренных широтах, которые даже получили название «ревущие сороковые» (roaringforties). Большие волнения часты в океаническом кольце южного полушария, в районах квазистационарных атмосферных фронтов и т.д. Самые большие высоты волн – 34 м в середине северной части Тихого океана, самые большие длины – около 800 м у южных берегов Британских островов и в экваториальной части Атлантического океана. Отмечались также гигантские волны у южных берегов Африки, ставшие причиной катастроф нескольких судов, «волны-убийцы», единичные волны высотой больше 20 м. Однако в огромном большинстве случаев высоты волн не достигают и 4 м, а волны выше 7,5 м встречаются далеко не часто. Обычная длина больших волн тоже значительно меньше максимальных значений: 130 – 170 м.

Измерение элементов волн связано с очень большими техническими трудностями, к тому же измерения в одной точке мало характеризуют все трехмерное волновое поле. Лучший способ его изучения – стереофотография, которая дает полную картину топографии, рельефа волновой поверхности моря, но только на один момент, на момент съемки. Чтобы изучить движение, развития явления во времени, можно использовать стереокиносъемку, дающую избыток материала, который требуется не очень часто. Поэтому в массовых наблюдениях пользуются приближенными приемами для качественной оценки размеров волнения в баллах (таблица 2).

Таблица 2

Шкала степени волнения (по Л. А. Жукову, 1976)

7.2. Деформация волн у берега

При подходе к берегу, где глубина уменьшается до нуля у уреза воды, в волне происходят существенные изменения: изменяются ее профиль и направление движения – волнового луча. Волна, отражаясь от берега, может образовывать стоячую волну, может разрушаться. При разрушении волны возникает прибой (накат), или взброс, бурун. Различные варианты деформации волны связаны с характером берега и прибрежного рельефа дна. При пологом дне и неизменной прибрежной полосе передний склон волны становится круче, гребень догоняет впереди идущую подошву и наконец обрушивается, образуя прибой. Гребень волны устремляется на сушу, возникает заплеск. Чем больше волна, тем большую часть берега заливает заплеск. Ширина заплеска зависит от размеров волны и уклона берега и бывает от нескольких метров до десятков метров. В результате постоянной работы волн формируются пляжи и продольные (вдоль береговой линии) и поперечные (от берега в открытое море) потоки наносов. При отлогом дне и высоком крутом береге срывающийся гребень ударяет в берег и вода вскидывается вверх, образуя взброс. Вода при взбросах у берегов океана поднимается на десятки метров, наблюдались взбросы до 60 м. При крутом береге и приглубом дне может происходить отражение волн и интерференция падающей и отраженной волн, т.е. образование стоячей волны. Если недалеко от уреза на дне есть гряда с меньшими глубинами (вроде рифа), то волна, не доходя до уреза, разрушается, образуя бурун. При больших волнах бурун может образовываться и далеко от уреза на сравнительно большой (в десятки метров) глубине.

Прибой, особенно взброс, обладает огромной энергией. Существует множество фактов разрушения береговых сооружений, сдвигов и даже переносов огромных бетонных и каменных массивов массой в десятки и даже сотни тонн. Такая огромная энергия объясняется тем, что при прибое гребень, срываясь, становится переносной волной: вся масса воды приобретает не колебательное, а поступательное движение.

При подходе к урезу воды, начиная с глубины в половину длины волны, скорость, длина и высота ее уменьшаются. Но начиная с глубины приблизительно в 1/5 длины волны высота волны начинает возрастать, причем особенно быстро с глубины, равной 0,1 λ (кратчайшее расстояние между двумя соседними вершинами), затем волна разрушается, образуется прибой.

Одновременно с деформацией профиля волны меняется и положение фронта волны. Под каким бы углом к берегу ни проходил он в открытом море, на берег волна выкатывается параллельно урезу или под очень острым углом к нему. Это объясняется тем, что волна у берега из класса коротких волн переходит в класс длинных. А длинные волны распространяются по другому закону: скорость их зависит не от длины волны, как у коротких волн, а от глубины места, она пропорциональна корню квадратному из глубины. Поэтому, как только волна вышла на глубину меньше половины длины волны, разные участки фронта (гребня) будут двигаться с разной скоростью: участок, ближайший к урезу, замедлит движение, и линия фронта станет искривляться – преломляться, подравнивая направление фронта к линии уреза. Возникает рефракция волн. Если береговая линия не прямая, а изрезанная, то возникает очень сложное волновое поле. Искривляются не только фронт волны, но и волновой луч, поэтому создается очень замысловатая система рефракции и интерференции. Волновые лучи сходятся к мысам берега и расходятся у заливов, сильно усложняя процессы формирования берега, образование абразионных и аккумулятивных участков. При этом могут образовываться и разрывные течения, идущие от берега в открытое море поперек фронта и разрывающие его. Лучевая картина волнения имеет очень важное значение не только для изучения геоморфологии берегов, но и для планирования и ведения гидротехнических работ в береговой зоне (постройка портов, берегоукрепительных сооружений и др.).

7.3. Волны цунами

Волны цунами возникают вследствие подводных землетрясений, которые деформируют дно. Эта деформация дна приподнимает или опускает здесь всю толщу воды, что приводит ее в движение на некоторой ограниченной площади океана. От нее на поверхности начинает перемещаться длинная волна или несколько волн. Высота волны в месте зарождения всего 1 – 2 м, а длина – несколько километров, поэтому ее крутизна ничтожна и волна цунами практически незаметна для визуального наблюдения. Лишь при подходе к берегу, волна трансформируется и достигает высоты 5 – 10 м, а в исключительных случаях – 35 м. Обрушиваясь на берег, она производит катастрофические разрушения в прибрежной зоне. Это грозное стихийное бедствие с негативными экономическими и экологическими последствиями.

Подсчитано, что за последнее тысячелетие в Тихом океане было около 1000 цунами. В Атлантическом и Индийском океанах их было всего несколько десятков. Чаще всего цунами бывают у берегов Японии (само название «цунами» - японское), Чили, Перу, Алеутских и Гавайских островов. Приуроченность цунами к Тихому океану объясняется сейсмической и вулканической его активностью. Из 400 действующих вулканов земного шара в Тихом океане находится 330. Большинство сильных землетрясений (около 80%) тоже происходит в зоне Тихого океана.

Далеко не каждое цунами бывает катастрофическим. Так, в Японии из 99 цунами только 17, на Гавайских островах из 49 – 5, на Камчатке из 16 – 4 катастрофические. Катастрофические цунами приводят к ужасным бедствиям. Например, при цунами 1703 г. в Японии погибло около 100 тыс. человек, от цунами после взрыва вулкана Кракатау в Зондском проливе (1883) погибло около 40 тыс. человек.

В связи с большой опасностью цунами была организована специальная служба предупреждения цунами. В основе ее работы – инструментальные сейсмологические наблюдения за подводными землетрясениями и гидрологические наблюдения за изменением уровня океана. Полученные этой службой данные о приближении цунами передаются административным органам для обеспечения безопасности людей.

Служба цунами раньше всего была организована в Японии, затем после Алеутского цунами (1946) – в США, а после курило-камчатского цунами 1952 г. – и в нашей стране. Эти службы действуют исправно и помогли избежать многих потерь.

Небольшие цунами случаются и в морях. Так, даже в Черном море небольшие цунами наблюдались в 1927 и в 1966 гг.

Явления, подобные цунами, наблюдаются у берегов тропических стран. Их порождают тайфуны – тропические циклоны. Они приносят ветры огромной силы, которые нагоняют воду на берег и заливают его. Такое явление чаще всего называют штормовым нагоном, но из-за сходства результатов иногда называют «метеорологическим цунами».

7.4. Внутренние волны

Внутренние волны представляют собой колебательное волновое движение в толще воды океанов и морей на поверхности раздела ее слоев различной плотности. Обычно эти слои движутся с разной скоростью относительно друг друга, что нарушает их равновесие. В результате частицы воды погружаются на глубину, в более плотные слои, откуда архимедовы силы плавучести выталкивают их вверх. Пройдя по инерции положение равновесия и оказываясь в верхних, более легких слоях, частица снова начинает тонуть. Их высоты могут достигать десятков и даже сотен метров, но на поверхности внутренние волны настолько мало проявляются, что зрительно они почти незаметны.

Известны случаи, когда воздействие внутренних волн ощущали надводные и подводные суда. Например, корабль «Фрам» Нансена при подходе к кромке льда вдруг резко замедлил ход, хотя машина работала на полных оборотах, никаких видимых препятствий не было. Как выяснилось, причиной этого была «мертвая вода», т.е. сильно развитые здесь внутренние волны. Эффект «мертвой воды» объясняется затратой энергии машины судна на преодоление внутренних волн, вследствие чего скорость движения корабля снижается.

Во время подводного плавания на мезоскафе «Бен Франклин» в Гольфстриме руководитель экспедиции Жак Пикар отметил, что внутренние волны периодически поднимали «Бен Франклин» вверх на 30 м и за несколько минут опускали его на 50 м вниз.

Почему на поверхности вод морей (озер, каналов и др.) образуются волны? Какие книги вы читали о шторме на море или в океане?

1. Волны. В хорошую погоду на поверхности моря очень спокойно и тихо, еле слышны его всплески, но как только начинает дуть слабый ветер, на поверхности моря сразу появляются волны.
Если посмотреть на волнующееся море, то кажется, как будто волны на его поверхности догоняют друг друга. Кроме того, можно увидеть, как предметы, находящиеся на волне, не меняя своего места, то поднимаются вверх, то опускаются вниз. В действительности часть воды в волнах раскачивается на одном месте.
По поперечному сечению волны можно увидеть ее форму (рис. 69). Часть волны от уровня поверхности воды до самой верхней части волны называется гребнем волны. Самая нижняя часть волны от уровня поверхности воды называется подошвой волны.

Рис. 69. Элементы волны.

Волна характеризуется своей длиной и высотой. Длиной волны называют расстояние между двумя соседними гребнями. Высотой волны называют расстояние от подошвы до гребня. В открытом Океане волны поднимаются очень высоко. При сильных штормах высота волны достигает 10-15 м.
Сила волны определяется по 9-балльной шкале (рис. 70). Волны размывают берега морей. Нижняя часть касается дна, от трения движение замедляется, а верхняя часть, наклоняясь вперед, опрокидывается на берег. Таким образом возникает прибойная волна. У пологого берега волны набегают на сушу, на крутых берегах пенистый водяной вал, поднявшись вверх, с большой силой ударяется о берег.

Рис. 70. Шкала волн.

2. Цунами. Гигантские волны, возникающие при сильном подводном землетрясении или извержении вулкана, называют цунами (по-японски цунами - большая вода, заливающая бухту). Как образуются цунами?
Если бросить камень в воду, то появляются кольца над поверхностью воды. Точно так же от центра землетрясения во все стороны отходят волны - цунами.
Так как скорость и длина волны очень большие, она имеет огромную разрушительную силу. В открытом Океане высота цунами не превышает 1-2 м, а при приближении к берегу высота их резко возрастает. Например, в 1896 г. на Японских островах высота волны цунами достигла 30 м. При этом цунами, разрушив 10 млн. зданий, унесли жизни нескольких тысяч людей. В 1821 г. на острове Сулавеси в Индонезии цунами высотой в 20 м смыли несколько населенных пунктов.
Скорость распространения цунами от центра землетрясения 800 км в час. Перед появлением цунами вода обычно за несколько минут отступает от берега на сотни метров, а иногда и до километра. Чем дальше отступает вода, тем выше поднимается волна цунами.
В 1960 г. цунами, образовавшиеся при землетрясении в Андах, охватили берега Чили, западный берег Северной Америки до Калифорнии, берега Новой Зеландии, Австралию, Гавайские острова, Японию, Курильские острова, Филиппины.
В районах, где возможны частые цунами, организованы специальные службы для их предварительного прогнозирования. Ученые, определив заранее скорость движения цунами, сообщают местному населению о грозящей опасности.
Летом и осенью в Тихом океане у берегов Юго-Восточной Азии возникает ветер разрушительной силы, который называют тайфуном (по-китайски тай фын - большой ветер). При этом поднимается высокая, как гора, волна, накрывающая берега, что приводит к большим разрушениям. Идет сильный ливневый дождь. От тайфунов сильно страдают Филиппинские и Японские острова. Иногда разрушительные штормы доходят до юга Дальнего Востока.

3. На берегу моря в течение суток наблюдается изменение уровня воды. Обычно уровень моря в течение суток два раза поднимается и два раза опускается. Такое постоянное повторение подъема уровня воды и ее спада называют приливом и отливом (рис. 71).


Рис. 71. Приливы и отливы.

Причины приливов и отливов на море впервые описал английский ученый И. Ньютон. Он считал, что повторяемость этих явлений зависит от силы притяжения Луны.
На поверхности Земли, обращенной к Луне, сила притяжения больше, поэтому уровень воды в Океане на этой стороне поднимается - идет процесс прилива воды. На другой стороне Земли сила притяжения Луны меньше, поэтому сила ее воздействия в обратном направлении вызывает второй прилив. А между двумя приливами имеет место явление отлива.
На подъем и спад воды Океана, кроме Луны, оказывает влияние и сила притяжения Солнца. Однако расстояние между Землей и Солнцем больше, поэтому его влияние меньше, чем влияние Луны.
Прилив воды наблюдается на берегах морей. В Океане приливная волна поднимается не очень высоко. Поэтому на берегах островов уровень воды поднимается до 0,5-1 м. Высота прилива намного выше в расширяющихся к Океану устьях рек и узких заливах. Например, на Пенжинской губе в Охотском море, высота прилива достигает 13 м, в заливе Фанди и Фробишер у восточных берегов Северной Америки - 16 метров. В замкнутых внутренних морях приливная волна поднимается невысоко. В Средиземном море она не достигает даже 1 метра. В Черном море прилив вообще почти не наблюдается (при приливе уровень воды поднимается всего на 8 см).
Приливы имеют большое значение для судоходства. Так, проплыть на судах до Лондона, расположенного в 64 км от моря, можно лишь во время приливов.
Приливы и отливы уносят донные отложения рек и углубляют их устья.
Постоянная смена волн приливов и отливов дает возможность использования их энергии в работе электростанций. Эту энергию называют «зеленым углем».
В настоящее время в различных государствах началось строительство приливных электростанций (ПЭС). Такие экспериментальные станции работают уже во Франции, России, Англии. За счет задержки воды такими плотинами, во время подъема и спада уровня залива и моря, между ними возникает разница. При подъеме уровня вода вливается из моря в залив, а при возвращении вода выливается из залива в море, т.е. турбина, таким образом вращаясь, вырабатывает электрическую энергию. В России на побережье Мурманска в Кислой губе работает экспериментальная ПЭС. Такие ПЭС называют также гидроэлектростанциями с использованием паводковой мощности.

1. Каковы причины образования волн?

2*. Где волны поднимаются выше: во внутренних морях или в Океане? Докажите свое мнение примерами.

3. Используя текст учебника, нарисуйте схему волны. На схеме укажите гребень, подошву, длину и высоту волны.

4. Как образуются цунами?

5. Под влиянием чего возникают приливы и отливы воды?

6. По какой причине высота приливной волны в открытом Океане и заливе отличается?

7. Каково значение прилива и отлива воды для хозяйственной деятельности?

Мировой океан находится в постоянном движении. Кроме волн, спокойствие вод нарушают течения, приливы и отливы. Всё это разные виды движения воды в .

Ветровые волны

Трудно себе представить абсолютно спокойную гладь океана. Штиль — полное безветрие и отсутствие волн на его поверхности - большая редкость. Даже при тихой и ясной на поверхности воды можно увидеть рябь.

И эта рябь, и бушующие пенные валы рождены силой ветра. Чем сильнее дует ветер, тем выше волны и больше скорость их движения. Волны могут перемещаться на тысячи километров от того места, где они возникли. Волны способствуют перемешиванию морских вод, обогащению их кислородом.

Наиболее высокие волны наблюдаются между 40° и 50° ю. ш., где дуют самые сильные ветры. Эти широты моряки называют штормовыми или ревущими широтами. Районы возникновения высоких волн расположены также у американских берегов вблизи Сан-Франциско и . Штормовые волны разрушают береговые постройки.

Самые высокие и разрушительные волны . Причина их возникновения - подводные землетрясения. В открытом океане цунами незаметны. У побережья длина волн сокращается, а высота растёт и может превышать 30 метров. Эти волны приносят бедствия жителям прибрежных территорий.

Океанические течения

В океанах образуются мощные водные потоки - течения. Постоянные ветры вызывают поверхностные ветровые течения. Некоторые течения (компенсационные) возмещают убыль воды, двигаясь из районов её относительного избытка.

Течение, температура воды которого выше температуры окружающих вод, называют тёплым, если ниже - холодным. Тёплые течения переносят более тёплые воды от экватора к полюсам, холодные - более холодные воды в противоположном направлении. Таким образом, течения перераспределяют тепло между широтами в океане и оказывают существенное влияние на климат прибрежных территорий, вдоль которых они несут свои воды.

Одно из самых мощных океанических течений - . Скорость этого течения достигает 10 километров в час, и оно перемещает 25 миллионов кубических метров л воды за каждую секунду.

Приливы и отливы

Ритмические поднятия и опускания уровня воды в океанах называют . Причина их возникновения - действие силы притяжения Луны на земную поверхность. Два раза в сутки пода поднимается, покрывая часть суши, и два раза отступает, обнажая прибрежное дно. Энергию приливных волн люди научились использовать для получения электричества на приливных электростанциях.

Динамика вод Мирового океана. Волны. Общие положения

Одной из основополагающих характеристик Мирового океана, как части гидросферы, является непрерывное движение и перемешивание вод.

Движение водных масс происходит не только на поверхности Мирового океана, но и в его глубинах, вплоть до придонных слоев. Динамика воды наблюдается во всей ее толще, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Данные процессы поддерживают регулярное перемешивание водных масс, перераспределение тепла, газов и солей, что обеспечивает постоянство химического, солевого, температурного и газового составов. К формам движения (динамики) водных масс в Мировом океане относятся:

  • волны и зыбь;
  • волны стихийного характера;
  • течения и приливы;
  • конвективные токи и т. д.

Волны – это явление, образующееся под действием внешних сил различного характера (ветра, Солнца и Луны, землетрясений и т.д.) и представляющее собой периодические систематические колебания частиц воды. Основной причиной образования волн на поверхности любого водного объекта, к которым относятся и воды Мирового океана – является ветер и ветровые процессы. Незначительная скорость ветра равная порядка $0,2-0,3$ м/с в процессе трения воздуха о поверхность водных масс вызывает систему незначительных равномерных волнений, называемых рябью. Рябь проявляется при единовременных порывах ветра и моментально затухает при отсутствии воздействия ветровых процессов. Если скорость ветра составляет $1$ м/с и более, то в таких случаях формируются ветровые волны.

Формирование волнений вод Мирового океана может быть вызвано не только благодаря воздействию ветровых процессов, но и также резким изменением атмосферного давления, приливообразующими силами (приливные волны), стихийными процессами - землетрясениями, извержениями вулканов (сейсмические волны – цунами). Корабли, яхты, паромы, лодки и прочие судоходные инженерные сооружения, в процессе своей непосредственной деятельности, при рассекании поверхности водного зеркала создают особые волны называемые корабельными.

Волны, формирующиеся исключительно под влиянием внешних, вызывающих их сил, - вынужденные. Волны, которые продолжают свое существование некоторое количество времени после того, как сила, вызывающая их, прекратила свое действие называются свободными. Волны, которые сформированы на поверхности водного зеркала, а также в самом верхнем слое водных масс Мирового океана (до $200$м.) –поверхностные.

Волны, возникающие в более глубоких частях океанов и визуально незаметные на поверхности воды, называются внутренними волнами.

Сила и размер ветровых волн напрямую зависят от скорости ветра, временной составляющей его воздействия на поверхность водного зеркала, а также размера и глубины пространства водных масс, охваченных ветровыми процессами. Высота волн, от основания до ее гребня, обычно составляет не более $5$ метров, значительно реже наблюдаются волны с высотой от $7$ до $12$ метров и более. Самыми большими по размеру и силе ветровые волны образуются в южном полушарии Земли, это объясняется тем, что в этой части океан непрерывен, отсутствуют крупные участки суши в виде материков или островов, а также на высоту волн оказывают влияние сильные и постоянные западные ветры. Волны в этом регионе Мирового океана могут достигать $25$ метров в высоту, а их длина может составлять сотни метров. Гораздо меньше волны в открытых и особенно во внутренних морях, чем в открытом океане. Например, в Черном море максимальная отмеченная высота волн составляет $12$ метров, в Азовском море эти показатели на порядок ниже – $4$ метра.

В момент, когда прекращается ветровая деятельность в океане формируются длинные пологие волны – зыбь. Зыбь – это наиболее идеальная и неискаженная форма волны. Поскольку зыбь – это и есть по сути свободное волнение, то и распространяется эта волна гораздо быстрее по сравнению с другими волнами. Длина такой волны в состоянии зыби может устанавливаться до нескольких сотен метров, а принимая во внимание их малую высоту, волновые процессы зыби в Мировом океане, особенно на открытых его участках, практически незаметны.

Однако, поскольку распространение волн происходит со значительной скоростью, то они имеют свойство обрушиваться на береговую часть суши за несколько сотен и даже тысяч километров от места их первоначального образования. Движение водных масс с глубиной активно затухает. На глубине, равной длине волны, волнение практически прекращается.

Так как длины ветровых волн во многих случаях является не значительной, то даже при самом активном волнении, на глубине от $50$ метров и глубже данные волны практически не ощутимы. Таким образом, сила волн напрямую зависит от ее высоты, длины и ширины гребня. Но основная роль все-таки принадлежит ее высоте.

Из-за непостоянства водной среды и регулярной динамики и перемешивания, слои водных масс Мирового океана обладают различной степенью плотностью, вязкости, скорости движения, солевого состава. Наиболее ярким примером служат районы Мирового океана, где присутствуют такие явления как таяние ледников, айсбергов, в местах интенсивного выпадения атмосферных осадков и в устьях полноводных рек. В данном случае воды Мирового океана покрываются слоем пресной воды, формируя необходимые условия для образования так называемой внутренней волны, проходящей на поверхности водораздела пресных и соленых водных масс.

Замечание 1

На основании океанологических исследований было установлено, что внутренние волны в открытом Мировом океане встречаются с той же частотой, что и волны поверхностные. Довольно часто основными механизмами образования внутренних волн являются процессы изменения атмосферного давления, скорость ветра, землетрясения, приливообразующие и другие факторы. Внутренние волны характеризуются значительной амплитудой, но не большой скоростью распространения. Высота внутренних волн как правило достигает $20–30$ м, но может составлять и до $200$ метров. Волны с такой высотой характеризуются как редкое и непостоянное явление, но все же встречаются, например, в Южной Европе в районе Гибралтарского пролива.

Течения Мирового океана

Морские течения - одна из важнейших форм движения в Мировом океане. Течениями называются относительно правильные периодические и постоянные глубинные и поверхностные перемещения масс вод Мирового океана в горизонтальном направлении. Основные течения Мирового океана представлены на рис.1.

Данные перемещения водных масс играют одну из первоочередных ролей как в жизни Мирового океана, так и его обитателей, к которым относятся:

Также одной из ведущих ролей океанических течений является циркуляция атмосферы и создании определенных климатических условий различных частей планеты.

Огромное количество течений Мирового океана можно разделить на категории:

По происхождению течения в свою очередь подразделяются на: фрикционные, градиентные и приливно-отливные. Фрикционные течения образованы под воздействием ветровых сил. Так, фрикционные течения, которые вызваны временными ветрами, называют ветровыми, а вызванные господствующими ветрами-дрейфовыми. Среди градиентных течений можно выделить: бароградиентные, стоковые, сточные, плотностные (конвекционные), компенсационные. Стоковые течения формируютсяв результате наклона уровня моря, которое вызвано впадением речных пресных вод в океанические воды, выпадением атмосферных осадков или их испарением; сточные обусловлены наклоном уровня моря, характеризующегося впадением воды из других районов моря под воздействием внешних сил.

Течения приводят к снижению объема воды в одной части Мирового океана, вызывая снижение уровня, и увеличению в другой. Разность уровней между частями Мирового океана мгновенно приводит к движению соседние части, которые стремятся ликвидировать эту разность. Таким образом, рождаются компенсационные течения, то есть течения вторичного характера, возмещающие отток воды.

Приливно-отливные течения создаются составляющими приливообразующих сил. Наибольшую скорость эти течения имеют в узких проливах (до $22$ км/ч), в открытом океане она не превышает $1$ км/ч. В море редко наблюдаются течения, обусловленные только одним из указанных факторов или процессов.

По устойчивости течения подразделяются на постоянные, периодические и временные течения. Постоянные – это течения, всегда находящиеся в одних и тех же районах Мирового океана и практически не изменяющие свои скорость и направление за конкретный сезон или календарный год. К ярким примерам таких течений можно отнести пассатные течения, такие как Гольфстрим и другие. Периодические – это течения, направление и скорость которых изменяются на основании тех изменений, которые вызвали их причин. Временные – это течения вызываемые причинами случайного характера (порывами ветра).

По глубине течения можно разделить на поверхностные, глубинные и придонные. По характеру движения - меандрирующие, прямолинейные и криволинейные. По физико-химическим свойствам - теплые, холодные и нейтральные, соленые и распресненные. Характер течений формируется из соотношения показателей температуры или соответственно солености воды, формирующих течение. Если температура течений превышает температуру окружающих водных масс, то течения называются теплыми, а если ниже – холодными. Аналогично с этим определяются соленые и распресненные течения.

Сейсмические и приливные волны

    Сейсмические волны (цунами)

    Основной причиной формирования сейсмических волн (цунами) являются преобразование рельефа океанического дна, происходящие в результате движения литосферных плит, следствием которых являются землетрясения, оползни, провалы, поднятия и другие явления, которые носят стихийный характер и возникают моментально на значительных участках океанического дна. Стоит отметить, что механизм зарождения сейсмических волн во многом зависит от характера процессов, преобразующих рельеф океанического дна. Например, при формировании цунами в открытом океане в процессе появления провала или трещины на дне участка Мирового океана, вода мгновенно устремляется в центр образованного углубления, заполняя сначала его, а вслед за этим переполняет, образуя огромный по объему столб воды на поверхности океана.

    Замечание 2

    Образованию цунами в открытом океане и их обрушению на берег как правило предшествует снижение уровня воды. Всего за несколько минут вода отступает от суши на сотни метров, а в отдельных случаях и на километры, после этого на берег обрушиваются цунами. Вслед за первой самой крупной волной обычно приходят еще в среднем от $2$ до $5$ волн меньшего размера, с интервалом от $15-20$ минут до нескольких часов.

    Скорость распространения волн цунами огромна и составляет $150-900$ км/ч. Обрушиваясь на побережья и населенные пункты, расположенные в зоне воздействия таких волн, цунами способны уносить человеческие жизни, разрушать объекты инфраструктуры, производственные здания и социальные объекты. Примером наиболее разрушительных цунами за последнее время может служить цунами в Индийском океана в $2004$ г., которое унесло жизни более чем $200$ тысяч человек и причинило ущерб на миллиарды долларов.

    Появление цунами, в настоящий момент, можно предсказать с высоким коэффициентом точности. Основами таких прогнозов является наличие сейсмической активности (толчков) под толщей вод Мирового океана. Как правило, предсказания осуществляются по средствам следующих способов:

    • сейсмический мониторинг;
    • мониторинг с помощью мареографов (над уровнем поверхности Мирового океана);
    • акустические наблюдения.

    Данные способы позволяют вырабатывать и предпринимать превентивные меры, направленные на обеспечение безопасности жизнедеятельности.

    Приливные волны

    Замечание 3

    Приливные волны – это явления, возникающие под воздействием сил притяжения Луны и Солнца и характеризующиеся периодическими колебаниями уровня Мирового океана. Действующие силы притяжения в системе Земля-Луна, а также центробежная сила, объясняют формирование приливных волн, одна из которых возникает на стороне, которая обращена к Луне, а другая – на противоположной.

    Формирование приливной деятельности обусловлено не только участием Луны, но и влиянием Солнца, однако из-за гораздо большей удаленности Солнца от Земли, солнечные приливы более чем в $2$ раза меньше лунных. Ключевое влияние на приливы оказывают очертания береговой линии, наличие островов и так далее. Эта причина объясняет то, как приливные колебания уровня Мирового океана на одной и той же широте изменяются в широких пределах. Незначительные приливы наблюдаются у островов. В открытых водах Мирового океана подъем воды во время прилива может достигать не более $1$ метра. Гораздо больших значений приливы достигают в устьях рек, проливах и в заливах с извилистыми берегами.