Движение вод Мирового океана

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.

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:

• обмен вод Мирового океана;
• создание особых климатических условий;
• рельефообразующая функция (преобразование береговой линии);
• перенос масс льда;
• создание условий обитания для жизни биологических ресурсов океанов.

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;
• по устойчивости;
• по глубине расположения;
• по характеру движения;
• по физико-химическим свойствам.

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

1. 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.

2. 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.