Физические свойства вод океана

Физические свойства вод океана

1.Морские течения, их классификация.

2.Основные поверхностные, подповерхностные, промежуточные, глубинные течения.

3. Волнение в Мировом океане. Приливы, цунами, сейши.

4.Взаимодействие океана с атмосферой. Штормовые центры в Мировом океане.

Физические свойства дистиллированной воды зависят только от двух параметров: температуры и давления. Физические же свойства морской воды зависят, кроме того, еще и от солености, которая составляет наиболее характерную ее особенность. С соленостью связано наличие таких свойств морской воды, которых нет у дистиллированной (осмотическое давление, электропроводность).

Плотность. Одной из важнейших характеристик морской воды является плотность. Плотностью морской воды в океанографии принято называть отношение массы единицы объема воды при той температуре, которую она имела в момент наблюдений, к массе единицы объема дистиллированной воды при 4° С, т. е. при температуре ее наибольшей плотности. Плотность морской воды существенно растет с увеличением солености. Возрастанию плотности поверхностных слоев воды способствует охлаждение, испарение и образование льда. В открытом океане плотность, как правило, определяется температурой и поэтому от экватора к полюсам растет. С глубиной плотность воды в океане увеличивается.

Давление и сжимаемость. Вода значительно плотнее воздуха. Поэтому изменение давления с увеличением глубины в океане происходит гораздо быстрее, чем в атмосфере. На каждые 10 м глубины давление увеличивается на 1 атм. Нетрудно подсчитать, что на глубинах порядка 10 км давление достигает 1 тыс. атм.

Однако воздействие давления воды на живые глубоководные организмы незаметно, так как чрезвычайно мало сжатие воды, т. е. Уменьшение ее удельного веса.

Интересно отметить, что, несмотря на малую сжимаемость морской воды, уровень реального Мирового океана расположен примерно на 30 м ниже того уровня, который он бы занимал при условии несжимаемости воды.

Оптические свойства морской воды. Лучистая энергия Солнца, проникая в толщу воды, рассеивается и поглощается. От степени ее рассеивания и поглощения зависит прозрачность воды. Под прозрачностью воды понимают глубину, на которой белый стандартный диск диаметром 30 см (диск Секки) перестает быть видимым с поверхности моря. В Саргассовом море эта глубина достигает 67 м, в Средиземном — 50 м, в Черном — 25 м, в Азовском — Зм. Прозрачность зависит от содержания взвешенных частиц в морской воде. Поэтому наименьшая прозрачность наблюдается в прибрежной части, особенно после штормов. Значительно уменьшается прозрачность воды в период массового развития планктона, а также во время таяния льдов.

Совокупным действием отражения и рассеивания света в воде обусловливается ее цвет. Поток световой энергии, исходящий из глубин моря, вызывает голубой или синий цвет, который и является собственным цветом чистой воды. Особенности цвета воды каждого моря зависят от содержания в воде взвешенных частиц органического и минерального происхождения, растворенных газов и прочих примесей. Вот почему в наиболее “чистых” тропических водах цвет моря темно-голубой и даже синий, в шельфовых морях — зеленоватый, а в мутных прибрежных морях — имеет желтые оттенки.

Говоря об оптических свойствах морской воды, следует упомянуть и о таких явлениях, как свечение и цветение моря.

Свечение поверхности моря в ночное время объясняется светом, излучаемым морскими организмами (планктоном и особыми видами бактерий)

Цветение моря обусловливается массовым скоплением особей какого-либо вида, способных окрасить поверхность моря в один из цветов: желтый, красный, зеленый и т. д.

Распространение звука в океане. Скорость звука в океане зависит от сжимаемости воды, которая определяется температурой, соленостью и давлением. А так как соленость и температура воды в Мировом океане меняются от места к месту и от сезона к сезону, то и условия распространения звука в море меняются. Скорость звука в океанах может колебаться от 1400 до 1550 м/с- Максимальные скорости приурочены к глубинам 1200—1300 м. На этом уровне в воде существует своеобразный “звуковой канал”, в котором звук распространяется, как в “трубе”, на очень большие расстояния без потери энергии. Так, во время опытов в Атлантическом океане сигналы от взрывов бомб массой 0,2, 1,8, и 2,7 кг прослушивались на оси звукового канала соответственно на расстоянии 750, 2300 и 3100 миль.

2.4. Тепловой режим океанов и морей

Поверхность океана способна поглощать 99,6% поступающего на нее солнечного тепла, тогда как для суши этот показатель равен всего 55—65%. Благодаря этому и большой теплоемкости воды, океан представляет собой мощный аккумулятор тепла, оказывающий исключительно большое влияние на температурные условия прилегающих слоев атмосферы. Велико термическое воздействие океана и на климат прилегающих окраин континентов.

Основным источником тепла, получаемого океаном, служит солнечная радиация (прямая и рассеянная). Воды океана получают также тепло при поглощении длинноволнового излучения атмосферы (встречная радиация), часть тепла приносят реки и осадки, выпадающие на поверхность океана. Тепло высвобождается при конденсации влаги, льдообразовании, химико-биологических процессах в толще океана. На температуру глубоких слоев океана влияет внутреннее тепло Земли и адиабатическое нагревание опускающейся воды.

Термическое состояние океана в среднем постоянно. Значит океанические воды тем или иным путем теряют почти столько же тепла, сколько получают. Эти потери происходят за счет собственного излучения, испарения с поверхности океана, нагревания воздуха, холодной воды рек, океанических течений, таяния льдов и других процессов, совершающихся с затратами тепла. Приход и расход тепла в океане (тепловой баланс) определяют ход температуры воды.

2.4.1. Температура воды на поверхности океана

В верхнем слое океанической воды, как и во всей географической оболочке, тепло распределяется зонально. Самые высокие средние годовые температуры в океане (27—28° С) отмечаются немного севернее экватора между 5 и 10° с. ш. Здесь проходит термический экватор Земли. По сезонам температура воды в экваториальных широтах изменяется не более чем на 2—3° С. В тропических широтах наиболее высокие температуры (25—27° С) отмечаются у западных берегов. Разница в средних температурах восточных и западных регионов достигает 8—10° С. Понижению температуры у восточных берегов в этих широтах способствуют пассаты, отгоняющие воду от берегов: на место ушедшей воды поднимаются нижележащие, более холодные слои воды.

В умеренных широтах южного полушария суши очень мало и широтное распределение температуры (от 0° С на 60° ю. ш. до 10° С на широте 40°) почти не нарушается. В северном полушарии умеренные широты океана несколько теплее, изотерма 10° С доходит в августе до полярного круга. Здесь важную роль играют теплые течения, благодаря которым температура океана выше у восточных берегов.

Средняя температура на поверхности всего Мирового океана равна 17,4° С, т. е. превышает на 3° С среднюю температуру воздуха на земном шаре. Самый теплый океан — Тихий, у которого средняя температура воды на поверхности равна 19,1° С. В Индийском она равна 17,6° С, в Атлантическом — 16,9° С, а в Северном Ледовитом— 0,75° С. Самая низкая температура (—1,7° С) наблюдалась в феврале в Северном Ледовитом океане, самая высокая (+ 32° С) в августе на поверхности Тихого океана. В среднем в году поверхность океана в южном полушарии холоднее, чем в северном за счет охлаждающего воздействия вод Антарктики.

Суточные амплитуды температуры в открытом океане обычно не превышают 1° С. Годовые амплитуды среднемесячных температур в низких и высоких широтах невелики (1° С и 2° С), и только в умеренных широтах они достигают 10° С и более. Суточные и годовые колебания температуры оказывают существенное влияние на химические и биологические процессы в океане.

2.4.2. Изменение температуры воды в океане в зависимости от глубины

Температура воды с увеличением глубины понижается. Но процесс этот в разных широтах происходит неодинаково, так как глубина проникновения солнечной радиации в разных зонах неодинакова. Кроме того, на перераспределение тепла в толще океанической воды оказывают влияние адвективные факторы.

На большей части акватории Мирового океана, между 50° С с. ш. и 45° С ю. ш. в вертикальном распределении температур много общего. В верхних слоях океана до глубины 500 м понижение температуры идет очень быстро, дальше до 1500 м — значительно медленнее, глубже — температура почти не изменяется. На глубинах 3000—4000 м в экваториальных и умеренных широтах вода имеет температуру +2° С, +3° С, в высоких — около 0= С. Глубже 4000 м температура воды немного повышается вследствие повышения давления (адиабатическое нагревание).

В приполярных районах температура воды понижается до глубины 50—100 м. Ниже она растет за счет приноса более теплых и соленых вод из умеренных и субтропических широт, достигая максимума в слое 200—500 м. Под этим слоем температура снова понижается, и на глубине 800 м она равна 0° С. Средняя температура Мирового океана в целом +3,8° С.

В высоких и средних широтах летом под нагретым поверхностным слоем располагается слой резкого скачка температуры — сезонный термоклин. Глубина залегания слоя скачка и величина градиента температуры в нем зависят от интенсивности прогрева поверхностного слоя и перемешивания. В умеренных широтах он обычно располагается на глубинах от 10—16 до 50 м и ниже при значениях вертикального градиента температуры от долей градуса до нескольких градусов на метр.

От экватора до 50—60° С с. и ю. ш. слой скачка на глубинах от 300 до 1000 м существует постоянно (главный термоклин). Так как слой температурного скачка — слой изменения плотности, в нем всегда скапливаются живые организмы. Резко выраженный слой скачка плотности препятствует опусканию взвешенных в воде предметов. Например, подводная лодка может лежать на слое скачка как на грунте, откуда и произошел термин “жидкий грунт”.

Если рассматривать температурный режим не только открытых частей океанов, но и морей, то и здесь ярко проявляется зависимость температуры от широты, хотя влияние суши, водообмен с океаном и другие причины вносят коррективы в эту связь. Самая высокая температура отмечена на поверхности внутриматериковых тропических морей (в Красном море до +32°.С). Самая низкая температура в полярных морях не опускается ниже —2° С.

Вертикальное распределение температуры воды в морях зависит, в первую очередь, от водообмена с соседними частями океана. В морях, отделенных от океана порогом, распределение температур зависит от глубины порога, солености моря, температуры на его поверхности. Так, в Средиземном море температура воды у дна (4400 м) +13° С. Окраинные моря, свободно сообщающиеся с океаном, по характеру распределения температур не отличаются от открытых частей океана.

2.6. Динамика океанических вод

Одна из главных особенностей Мирового океана — непрерывное движение его вод. Движение вод происходит не только на поверхности, но и в глубинах, вплоть до придонных слоев; перемещение водных масс наблюдается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Это обеспечивает постоянное перемешивание воды, перераспределение тепла, солей и газов.

Формы движения в океане очень разнообразны: волны и зыбь, течения и приливы, конвективные токи и т. д.

2.6.1. Волны

Волны представляют собой периодические колебания частиц воды около положения их равновесия (вверх и вниз от среднего уровня).

Волнение водной поверхности океанов, морей и озер — частный случай ритмических колебательных движений в природе. При движении одной жидкой или газовой массы по другой на плоскости их соприкосновения в результате трения неизбежно возникают волны.

Главная причина волнений на поверхности океана — ветер. При малых скоростях ветра (около 0,25 м/с) от трения воздуха воду возникает рябь — система мелких равномерных волн. Они появляются при каждом порыве ветра и мгновенно затухают. При усилении ветра вода испытывает не только трение, но и удары, и при скорости ветра больше 1,0 м/с устанавливаются ветровые волны.

Волнения могут быть вызваны также резким изменением атмосферного давления (анемобарические волны), землетрясениями, извержениями вулканов (сейсмические волны — цунами), приливообразующими силами (приливные волны). Движущиеся суда создают особые — корабельные волны.

Волны, существующие под непосредственным воздействием вызывающих их сил, называются вынужденными (связанными); волны, продолжающие существовать некоторое время после тога как вызывающая их сила прекратила действие,— свободными.

По изменчивости элементов волн во времени выделяют установившиеся волны, которые не изменяют своих элементов, и неустановившиеся, развивающиеся или, наоборот, затухающие, изменяющие свои элементы во времени.

Волны, образованные на поверхности и в самом верхнем слое воды, называются поверхностными в отличие от внутренних волн, возникающих на некоторой глубине и незаметных на поверхности моря.

По перемещению формы волны выделяют волны поступательные, видимая форма которых перемещается в пространстве, и стоячие, видимая форма которых в пространстве не перемещается. На форму волны и скорость ее распространения влияет глубина моря. В связи с этим различают короткие волны, у которых длина волны значительно меньше глубины в месте их распространения, и длинные, у которых, напротив, длина волны значительно больше глубины моря. Волны характеризуются следующими элементами (рис. 4):

гребень — наиболее высокая часть волны, выступающая над уровнем свободной поверхности;

ложбина — часть волны, находящаяся ниже уровня спокойной водной поверхности;

подошва — наиболее углубленная часть ложбины;

склон волны — часть волны между гребнем и подошвой;

длина () — горизонтальное расстояние между гребнями или подошвами двух соседних волн;

высота (h) — превышение волны над ее подошвой;

крутизна — угол между ее склоном и горизонтальной плоскостью;

быстрота продвижения волн характеризуется их скоростью и периодом.

Скорость (V) — расстояние, пробегаемое в единицу времени гребнем волны (или любой другой точкой ее профиля).

Период () — промежуток времени, в течение которого каждая точка волны перемещается на расстояние, равное ее длине.

Линия, проходящая вдоль гребня волны и перпендикулярная к направлению перемещения волн, называется фронтом волны.

Ветровые волны. Правильная волна, т. е. такая, вершина которой не сорвана ветром, имеет трохоидальную форму (рис. 5).

Однако профиль ветровых волн отличается от трохоиды, так как частицы воды под воздействием ветра испытывают не только колебательные, но и поступательные движения. А трохоида может возникнуть лишь при отсутствии поступательного движения. Поэтому вершины ветровых волн заострены, подошвы более тупые, чем у трохоиды.

Размеры ветровых волн находятся в прямой зависимости от скорости ветра, продолжительности его воздействия на водную поверхность, размеров и глубины водного пространства, охваченного ветром. Высота ветровых волн обычно не превышает 4 м; реже образуются волны высотой 8—10 м и более. Наибольшие ветровые волны наблюдаются в южном полушарии, где океан непрерывен и где западные ветры постоянны и сильны. Здесь волны достигают 25 м высоты, их длина составляет несколько сотен метров.

В морях волны значительно меньше, чем в открытом океане. Так, в Черном море зафиксирована максимальная высота волны — 12 м.

При сильном ветре на вершинах волн возникают острые гребни, которые, опрокидываясь, образуют пенистые “барашки”. Под влиянием ветра волны растут одновременно в высоту и в длину, при этом увеличиваются период и скорость. Когда скорости ветра и волны сравниваются, волны теоретически достигают наибольшей высоты. В действительности они бывают наиболее высокими, когда ветер начинает стихать и уже не срывает их гребней.

С уменьшением скорости ветра волнение начинает затухать. Сначала исчезают мелкие, а затем крупные волны, и остаются очень длинные пологие волны — мертвая зыбь. Волны зыби растягиваются на сотни метров (до 850 м) и при незначительной высоте (3—4 м) в открытом океане почти незаметны. Но распространяясь с большой скоростью, они обрушиваются на берега за тысячи километров от места своего возникновения. Так как в океане всегда где-нибудь возникают ветровые волны, океанский прибой почти не прекращается.

С глубиной волнение быстро затухает. Диаметр орбит, по которым движутся частицы воды, на глубине уменьшаются, уменьшается и высота волны. На глубине, равной длине волны, волнение практически прекращается. Высота волн стремится к нулю, хотя длина волн, их скорость и период с глубиной не изменяются.

При подходе к пологому берегу волна деформируется: благодаря торможению подошвы волна становится более крутой. Подходя к берегу под углом, гребни волн стремятся занять положение, параллельное береговой линии. Это объясняется тем, что та часть фронта волны, которая идет ближе к берегу и на меньших глубинах, движется медленнее (на мелководье усиливается трение), а другая часть волны, удаленная от берега (на большой глубине), движется быстрее и в конце концов догоняет первую. В результате вся система волн загибает к берегу и движется перпендикулярно к нему. Разворот фронта волны параллельно береговой линии называется рефракцией волн на мелководье. Чем больше скорость волн и чем чаще волны, тем меньше их рефракция.

Усиление трения о дно замедляет движение частиц воды, находящихся у подошвы, на гребне они движутся быстрее, и гребень начинает нагонять подошву впереди идущей волны. В дальнейшем гребень все больше наклоняется и, наконец, опрокидывается и разрушается. На пологий берег набегают уже мелкие, вторичные волны, образуя прибой. При подходе волны к крутому берегу она трансформируется меньше, и вся ее энергия обрушивается на берег, при этом часто образуется взброс воды, высотой до 60 м и более. Опрокидывание и разрушение волн на некотором удалении от берега над отмелью или рифами называется буруном. При буруне разбивающиеся волны создают пенистый вал, хорошо заметный с берега и с судов. Бурун служит предупреждением для мореплавателей о наличии в этом районе рифов и других подводных опасностей.

В волнах заключена огромная энергия. В общем виде она зависит от высоты волны, ее длины и ширины гребня. Но главную роль играет высота — энергия волны пропорциональна квадрату этой величины.

При высоте волны в 5 м и длине 100 м полная ее энергия составит около 30 • 104 дж на 1 м гребня. Поэтому неудивительно, что волны производят разрушения естественных скал и искусственных сооружений на побережьях морей и океанов. Так, на побережье Шотландии волны выломали из пирса и передвинули каменные блоки массой 1350 и 2600 т. При этом давление при ударе волны достигло 29 т/м2.

Волны разрушают и одновременно переносят и откладывают продукты разрушения, формируя рельеф побережья. Проблему использования энергии волн человечеству еще предстоит решить в будущем.

Внутренние волны. Толща морской воды неоднородна. Она имеет в общем слоистое строение, поскольку вертикальный перенос воды — очень медленный процесс, и в каждый данный момент мы не наблюдаем выравнивания свойств воды во всей толще. Менее плотные слои лежат на более плотных. Слои разной плотности отличаются разной степенью вязкости, скорости их горизонтального движения относительно друг друга различны. Все это неизбежно должно вызывать на граничных между слоями поверхностях волновые возмущения (внутренние воды), подобные тем, которые возникают на граничной поверхности между воздухом и морем.

Внутренние волны, как показывают наблюдения, имеют амплитуду, обычно значительно большую, чем поверхностные ветровые волны. Даже в приповерхностных слоях их “высота” весьма велика. Правда, скорость их распространения и орбитальные скорости гораздо меньше, чем у поверхностных вод, и. следовательно, энергия внутренних волн гораздо меньше, чем у поверхностных волн той же амплитуды. Наблюдения показывают, что высота внутренних волк может достигать 20—30 м. Отмечались случаи, когда поплавок, уравновешенный в слое скачка на глубине 30—35 м, появлялся на поверхности моря. Некоторые исследователи (например, Нансен) указывают на высоты внутренних волн порядка 100 м.

Внутренним волнам в при поверхностном слое обычно приписывают образование бликов на поверхности моря. Замечено, что блики— полосы совершенно спокойной водной поверхности— приурочены к ложбинам внутренних волн.

Внутренние волны возникают под действием приливообразуюших сил Луны и Солнца, ветра и атмосферного давления, т. е. действием причин, вызывающих поверхностные волны. Поэтому поверхностные волны можно рассматривать как частный случай внутренних волн. Внутренние волны могут быть короткими и длинными, стоячими и поступательными.

Внутренние волны привлекают к себе внимание не только океанографов, но и ученых других специальностей. Это объясняется тем, что внутренние волны переносят питательные вещества, оказывавают влияние на распространение звука в воде, воздействуют на гидротехнические сооружения в открытом океане, на судовождение кораблей с глубокой осадкой и подводных аппаратов.

Сейсмические волны (цунами). Цунами образуются в результате подводных землетрясений или извержений вулканов. Поэтому волны цунами называют морскими сейсмическими волнами.

Непосредственной причиной образования цунами являются изменения рельефа дна, происходящие в результате землетрясения:| оползни, провалы, сбросы, поднятия и другие подобные явления, возникающие практически мгновенно на огромных участках океана. Причем механизм возникновения цунами зависит от характера изменения рельефа дна. Так, при образовании цунами в момент возникновения провала на дне океана вода устремляется к центру образовавшейся впадины, заполняет ее, затем под действием инерционных сил переполняет, формируя невысокий, но громадный по объему холм воды на поверхности океана. Под действием тяжести эта выпуклость начинает совершать колебательные движения относительно уровня океана, соответствующего состоянию покоя — образуется цунами.

При резком поднятии дна на поверхности океана сразу же образуется выпуклость, которая под действием силы тяжести приходит в колебательное движение, и это тоже приводит к возникновению цунами и т.д.

Наступлению волн цунами на берег обычно предшествует понижение уровня моря. В течение нескольких минут вода отступает от берега на сотни метров, а при небольшой глубине и на километры. После этого приходят волны цунами. За первой крупной волной, как правило, приходит еще несколько волн с интервалом от 20 до мин 1—2 час. Скорость распространения цунами колеблется от 150 км/ч до 900 км/ч.

Приближаясь к берегу, волны замедляют свое движение и резко увеличивают высоту (до 20—30 м).

Особенно высокие волны образуются в узких, воронкообразных ивах с крутыми берегами.

Наступление цунами иногда сопровождается свечением воды и производимым планктоном. Свечение бывает иногда настолько сильным, что напоминает вспышку прожектора. За 2500 лет было отмечено 355 цунами, из них 308 — в Тихом океане, 26 — в Атлантическом, 21 — в Средиземном море. Обрушиваясь на берег, волны цунами наносят большой ущерб, разрушая -.населенные пункты, затопляя корабли в бухтах, унося человеческие жизни.

В настоящее время появление цунами у побережий можно предсказать. Прогнозы цунами основываются на регистрации происходящих в океане процессов во время землетрясения тремя способами: сейсмическими наблюдениями на ряде станций, наблюдениями над уровнем с помощью мареографов и акустическими наблюдениями. Заблаговременность предупреждения обеспечивается тем, что сейсмические волны от землетрясений, порождающих цунами, распространяются гораздо быстрее, чем морские волны, и могут быть зафиксированы сейсмическими станциями раньше, чем подойдет волна цунами. Это позволяет своевременно принять меры безопасности.

2.6.2. Приливы в океане (приливные волны)

Периодические колебания уровня моря, возникающие под действием сил притяжения Луны и Солнца, называются приливными явлениями. Фазы подъема и спада уровня называют собственно приливом и отливом.

Приливообразующие процессы, обусловленные силами тяготения, вызывают колебательные движения всей массы вод Мирового океана. Эти движения сопровождаются изменениями уровня морей и океанов и течениями периодического характера. Т. е. возникают поверхностные и внутренние волны под действием Луны и Солнца.

Приливообразующая сила Луны в среднем в 2,17 раза больше приливообразующей силы Солнца. Поэтому основные черты приливных явлений определяются главным образом взаимным положением-

Луны и Земли.

Вследствие непрерывного изменения взаимного положения Земли, Луны и Солнца изменяются и величины приливообразующих сил Луны и Солнца. Они могут действовать в одной и той же точке как в противоположных направлениях, так и в одном и том же. Это отражается на характере и величине наблюдаемых приливов и вызывает их изменения.

Существенное влияние на величину и характер приливов оказывают физико-географические условия моря (океана): очертания берегов, размеры, глубины, наличие островов и т. д. Если бы океан покрывал Землю сплошь слоем одинаковой глубины, приливы на одной и той же широте были бы одинаковыми и не зависели бы только от приливообразующих сил Луны и Солнца. Однако, как известно, приливные колебания уровня на одной и той же широте меняются в весьма широких пределах. Так, в заливе Фанди (Канада) приливные колебания уровня составляют 16 м, а в Балтийском море, расположенном на той же широте, они практически отсутствуют.

Во время прилива уровень воды постепенно повышается и достигает наивысшего положения (полная вода).

При отливе уровень постепенно падает до наинизшего положениям (малая вода). Промежуток времени, в течение которого уровень поднимается, называется продолжительностью роста уровня; промежуток времени, в течение которого уровень понижается, - продолжительностью падения уровня.

При приливах и отливах возникают поступательные движения воды — приливные течения. Во время прилива они направлены к берегу, а при отливе — от берега. Расстояние по вертикали между уровнями полной и малой воды называется величиной прилива. Половина величины прилива — амплитуда прилива. Величину прилива не следует смешивать с высотой прилива, которая понимается как положение уровня в данный момент над каким-либо другим уровнем, условно принятым за нуль.

Промежуток времени между двумя последовательными полными или малыми водами называется периодом прилива (за это время наблюдаются один прилив и один отлив).

В зависимости от периода различают полусуточные приливы, имеющие средний период, равный половине лунных суток (12 ч 25 мин); суточные со средним периодом, равным лунным суткам (24 ч 50 мин); смешанные, у которых в течение половины лунного месяца период меняется с полусуточного на суточный. Приливы одинаковой амплитуды и равной продолжительности роста и падения уровня называют правильными, но в действительности такие приливы почти не встречаются.

Наблюдая за величиной прилива и временем наступления полных и малых вод, легко заметить, что они не остаются неизменными ото дня ко дню, а для случая смешанных приливов — и в течение суток.

Отклонение времени наступления полных и малых вод и величин прилива от их средних значений для данного места называется неравенствами прилива.

Неравенства приливов вполне закономерны и связаны с изменением положения Луны, Солнца и Земли.

Выделяют следующие основные виды неравенств в явлении приливов: суточные, полумесячные, месячные (параллактические) и длиннопериодные.

Суточное неравенство создает склонение Луны и характеризуется неравенством по высоте двух смежных полных и малых вод в течение суток и неравенством во времени падения и роста.

Рис. 6 а иллюстрирует возникновение суточных неравенств при северном склонении Луны. ZN — ось приливного эллипсоида, направленная на Луну; ав— граница освещения Земли Луной; NS — ось вращения Земли.

В начальный момент частица находится в точке Z (первая полная вода), через несколько часов она займет положение Z1, (малая вода), а затем Z2 (снова полная вода). Хорошо видно, что расстояние, а значит и промежуток времени между первой полной водой и первой малой водой (ZZ1), больше расстояния (промежутка времени), отделяющего первую малую воду от второй полной воды (Z1Z2). Это суточное неравенство во времени.

Нетрудно заметить и возникновение неравенства по высоте: вторая полная вода, наступающая в положении Z2, значительно меньше, чем первая (ZD1>Z2D2).

Полумесячные неравенства подразделяются на два вида: неравенства, связанные с изменением фаз Луны, и неравенства, связанные с изменением склонения Луны в течение месяца.

Неравенства в зависимости от изменений фаз Луны характерны для полусуточных приливов. Они заключаются в том, что в сизигию (в новолуние и полнолуние) величины приливов наибольшие. В это время величины Лунного и Солнечного приливов складываются, так как Земля, Луна и Солнце находятся на одной линии. В квадратуру, когда направление от Земли к Луне перпендикулярно к направлению на Солнце, в первую и последнюю четверти Луны величины приливов наименьшие. В это время из лунного прилива вычитается солнечный прилив. Первые носят название сизигийных, а вторые — квадратурных приливов.

Неравенства в зависимости от склонения Луны характерны для суточных приливов. Они заключаются в том, что приливы достигают наибольшей величины при наибольшем склонении Луны. Такие приливы носят название тропических. При склонении Луны, равном нулю (рис. 6 б), величины приливов наименьшие и носят название равноденственных или экваториальных.

Месячные (параллактические) неравенства создаются вследствие изменений расстояний от Земли до Луны и Солнца. Пр1-наименьших расстояниях между светилами приливы наибольшие а при наибольших — наименьшие. Кроме высоты приливов он; проявляются и в изменении лунных промежутков. Месячные неравенства называют также параллактическими, потому что для количественной оценки расстояния от Земли до Луны служит угловой показатель — горизонтальный параллакс Луны.

Длиннопериодные неравенства приливов обусловлены пpeжде всего изменениями склонения Солнца и расстояния от Земли Солнца в течение года. С изменением склонения- Солнца связаны полугодовые изменения величин тропических и экваториальных приливов, а также суточных неравенств.

Изменения расстояния — параллакса Солнца определяют годовое солнечное параллактическое неравенство.

Кроме полугодовых и годовых неравенств в практике принимается во внимание медленное, с периодом 18,61 года, изменение склонения Луны — вследствие наклона лунной орбиты к плоскости эклиптики. Многолетний лунный прилив изменяет уровень поверхности океана, формирует астрономические изменения скорости течений в океанах.

Наблюдаемые у берегов Мирового океана приливы отличаются значительным разнообразием и чрезвычайной сложностью.

Объяснение явления приливов дал впервые Ньютон. В основу статической теории Ньютона положены допущения, что континенты отсутствуют, а глубина океана одинакова во всех точках. При этом в любой физический момент времени действующая на массы воды приливообразующая сила уравновешивается силой тяжести. Согласно статической теории момент наступления полной воды должен совпадать с моментом прохождения Луны через меридиан места. В действительности из-за ограниченности глубины океана полная зола не совпадает с моментом кульминации Луны на некоторый промежуток времени, называемый лунным промежутком. Лунные промежутки периодически изменяются, но их отклонения от среднего значения не превышают ±1 ч

Наибольшая величина приливов во время сизигий также запаздывает на 2—3 суток. Отрезок времени от момента сизигии до наиболее высокой полной воды называется возрастом прилива.

Исследования явления приливов показывают, что основное положение, принятое в статической теории о равновесии поверхности океана, в каждый момент времени не согласуется с достаточно быстрой сменой приливных явлений. Это несоответствие объясняется динамической теорией приливов Лапласа. Она рассматривает прилив как результат совокупного действия свободных приливных волн, приходящих из других районов, и вынужденной волны, образовавшейся в данном месте. Из теории вынужденных колебаний честно, что если период сил, вызывающих вынужденные волны, меньше периода волн свободных, возникает общее колебание, прямо противоположное направлению вынужденных волн, и, наоборот, если период силы больше периода свободных волн, колебания совпадают с действием силы.

Исходя из этой теории, Лаплас впервые получил уравнение движения приливов в океане постоянной глубины с учетом приливных сил как внешней силы. Эти уравнения позволили объяснить некоторые особенности приливов, и в том числе происхождение фазовых и тропических неравенств. Важный вывод, полученный Лапласом, состоял в том, что им было показано решающее значение влияния характера рельефа дна на приливы.

Ни статическая, ни динамическая, ни другие теории приливов не могут объяснить местные особенности приливов. Каждый физико-географический район прибрежной зоны имеет свои особенности (рельеф дна, характер береговой линии, глубина и т. д), влияющие на величину и периодичность приливов.

В морях, связанных с океаном узкими проливами (Балтийское, Средиземное, Японское и др.), величины приливов обычно не превышают 50 см или практически отсутствуют (Черное море, большая часть Балтийского моря). Относительно небольшие приливы наблюдаются у островов. В заливах и узкостях величины приливов обычно заметно больше, чем у открытых берегов окраинных морей и океанов. При входе в узкие заливы приливная волна может достигать 15 и более метров, перемещаясь со скоростью до 5 м/с. Наиболее высокие приливы наблюдаются в заливе Фанди (до 18 метров). Высокие приливы (до 14 м) бывают в Пенжинской губе, в Бристольском заливе (до 12 м), в горле Белого моря (до 10 м).

Приливные волны распространяются вверх по некоторым рекам, вызывая колебания уровня на большом расстоянии от устья. Это расстояние зависит от уклона дна реки и скорости ее течения. Так, на реке Амазонке приливы ощущаются на расстоянии 1400 км от устья, на реке Святого Лаврентия — 700 км, на реке Хатанге — 700 км, на реке Ганг — 250 км и т. д.

Приливообразующая сила сказывается не только на гидросфере. Приливы проявляются в атмосфере в виде периодических изменений атмосферного давления с амплитудой 1,25 мбар Приливы, вызванные притяжением Луны и Солнца, оказывают тормозящее воздействие на вращение Земли. С этим связано уменьшение угловой скорости Земли и удлинение земных суток (0,001 за каждые 1000 лет), а также превращение механической энергии торможения вращения Земли в тепловую.

Изучение приливов необходимо для решения многих практических задач. Например, в судовождении необходимо точно знать периодичность приливов в каждой крупной бухте. Для этого существуют специальные “Таблицы приливов”. Такие данные необходимы и рыбакам, так как от приливов часто зависит ход рыбного промысла. Приливы обладают огромной энергией, определяемой при мерно в 812—1012 квт. Это почти в 1,5 раза больше, чем энергия всех рек Земли. Энергия приливов успешно используется человечеством. Во Франции, Англии, СССР, Китае и ряде других стран построены приливные электростанции. Однако рентабельность их еще не высока. Но следует полагать, что с дальнейшим развитием техники и уменьшением энергетического сырья на материках эти станции безусловно станут рациональными.

Дата добавления: 2015-08-29