1001 вопрос об океане и 1001 ответ

Волны, приливы, течения

Те волны; которые мы привыкли видеть на поверхности воды, образуются главным образом под действием ветра. Однако волны могут вызываться и другими причинами: подводными землетрясениями или извержениями подводных вулканов. Приливы также представляют собой волны.

При скорости ветра менее 1 м/сек на спокойной поверхности моря образуются волны ряби, или капиллярные волны. При усилении ветра возникают более крупные и заметные гравитационные волны. Когда скорость ветра достигает 7–8 м/сек, на вершинах волн начинают образовываться барашки.

Исследования, проведенные Е. С. Монаханом из Вудс-Холского океанографического института, показали, что это объясняется присутствием соли в морской воде. Барашки состоят из множества мелких пузырьков воздуха, образующихся при опрокидывании вершин волн. Исследования д-ра Монахана подтвердили предположение о том, что в соленой воде образуются более мелкие пузырьки, чем в пресной. Из его результатов также следует, что в соленой воде эти пузырьки сохраняются дольше. В этом легко убедиться на простом опыте: перелейте пресную воду из одного стакана в другой, а затем повторите это, добавив в воду поваренной соли.

Максимальная высота волн зависит от скорости ветра, длительности действия ветра и разгона — расстояния, на котором ветер продолжает действовать на возникшую и бегущую волну. Обычно высота волн, выраженная в метрах, составляет не более половины скорости ветра, выраженной в узлах, хотя отдельные волны могут быть и выше.

В общем, чем больше разгон, тем выше волны. Однако, если разгон превышает 1000 миль, высота волн не будет заметно увеличиваться. Максимальную высоту штормовых волн можно рассчитать по формуле: где Н — высота волн в метрах, F — разгон в милях.

Когда смотришь на волны, то кажется, что массы воды движутся поступательно в определенном направлении, иногда со значительной скоростью. На самом же деле частицы воды совершают в основном круговое движение. Перемещается форма волны, сами же частицы смещаются лишь незначительно. В этом легко убедиться, наблюдая за поведением поплавка на волне.

Основание волны тормозится, так как частицы воды здесь движутся навстречу волне. Гребень же, то есть вершина волны, движется быстрее, поэтому он наклоняется в сторону движения и в конце концов опрокидывается.

Волны могут подходить к берегу под любым углом, но когда они достигают мелководья, то ближний к берегу край волнового фронта тормозится сильнее, так что волновой фронт разворачивается параллельно берегу.

Кинетическая энергия волн огромна. При ударе о берег волны высотой 1 м с периодом[24] 10 сек на 1 милю побережья приходится мощность более 35 тыс. л. с. Об энергии волн весьма наглядное представление дают те разрушения, которые они вызывают. На побережье Шотландии волны выломали из пирса и передвинули сцементированный каменный блок весом 1350 т. Через пять лет был снесен поставленный взамен прежнего пирс весом 2600 т. Инженеры измерили силу прибоя в этом месте побережья Шотландии: оказалось, что давление при ударе волны достигает 29 т/м ². На побережье Орегона волны забросили обломок скалы весом 60 кг на крышу маяка, расположенную на высоте 28 м от уровня моря.

В волнах заключена огромная энергия, и чем круче берег и больше прибрежные глубины, тем большая энергия содержится в волнах, подходящих к берегу. Отмели же и прибрежные бары служат эффективными буферами, которые поглощают энергию волн прежде, чем они достигнут берега. Следует, однако, заметить, что когда в береговые расщелины внезапно ударяет большая волна, она действует наподобие пневматического молота, так как при этом захватывается и сжимается до большого давления некоторый объем воздуха. Подобным же образом на доли секунды может быть сжат до огромного давления и воздух, захваченный при обрушивании гребня волны. По мнению специалистов, это давление может достигать 60–80 т/м ² и приводить к эффекту типа взрыва.

Глубина, до которой распространяется действие волн, определяется не их высотой, а главным образом длиной. С глубиной волновые движения быстро затухают[25] и не оказывают воздействия на дно в глубоководных районах.

Если удары волн в борт судна совпадают по фазе с собственной качкой судна, то даже сравнительно небольшие волны могут сильно раскачать его. Точно так же, раскачивая качели, важно толкнуть не посильнее, а вовремя.

Даже опытному наблюдателю трудно определить на глаз высоту волны с движущегося судна из-за отсутствия фиксированного уровня отсчета. При этом высоту волны легко переоценить, так как при подходе волны нос судна погружается в воду.

7 февраля 1933 г. американский танкер «Рамапо», шедший из Манилы в Сан-Диего, зафиксировал волну высотой 34 м. Ее создал ветер скоростью 30–40 м/сек при разгоне в несколько тысяч миль.

Во время штормов ураганной силы регистрировались волны высотой до 18–21 м. Так, 12 сентября 1961 г. британским судном погоды «Уэдер репортер» была измерена волна высотой 20 м. Такие волны, однако, исключение. Волны высотой более 14 м встречаются разве что в центре ураганов. В Атлантике волны редко превышают 12 м, в Тихом океане они могут достигать 15 м, несколько больше — в штормовых районах Антарктики.

Этот прибор измеряет ускорения эталонной массы, возникающие под действием внешних сил. В океанографии акселерометр используется для измерения воздействия волнения на судно. По записям прибора можно определить тип волнения и его интенсивность.

Опасная для судна резкая качка (сильный крен и броски) вызывается не столько высокими, сколько крутыми волнами. Наиболее крутые волны наблюдаются обычно в начальной стадии шторма.

Небольшое судно иногда лучше выдерживает шторм, чем крупное. Короткие суда обычно «въезжают» на один склон волны и «съезжают» с другого, тогда как длинные проходят по волнам на ровном киле. Опасная ситуация возникает, когда нос и корма попадают на два последовательных гребня волн, а. центральная часть судна попадает на ложбину и испытывает прогиб, либо когда середина судна попадает на гребень, а нос и корма, «повисают». При особо сильных напряжениях судно может разломиться надвое. Чтобы избежать этого, следует изменить курс.

Прогнозы высоты волнения были с успехом применены во время второй мировой войны при вторжении в Нормандию. Теперь они регулярно выпускаются Океанографическим управлением ВМС США и рядом коммерческих организаций. Если имеется достаточная информация о ветре, то есть о длительности его действия, направлении, скорости и разгоне, то можно предсказать высоту волн зыби и состояние поверхности моря на сутки и более вперед.

Когда стихает ветер, волны становятся более плавными и пологими, уменьшается их высота. Изменения эти происходят постепенно, и волны, становящиеся теперь зыбью, продолжают свое движение, пока не достигнут берега. При этом они могут проделать путь в тысячи миль.

Относительно длинные волны, вышедшие из зоны действия ветра и уже начавшие затухать, называются зыбью. Термин «ветровое волнение» применяется к волнам, еще находящимся в зоне волнообразования. Когда волны выходят из этой зоны, наиболее короткие из них затухают и волны становятся более правильными, длиннопериодными, с более гладкими гребнями[26]. Для обозначения этого процесса вырождения ветрового волнения в зыбь специалисты-волновики используют термин «затухание».

Иногда волны зыби приблизительно одинаковой длины, но возникающие в различных штормовых районах океана, достигают берега одновременно. При этом гребни волн зыби двух различных систем могут совпасть по фазе, то есть наложиться друг на друга и образовать волну большей высоты, чем могли бы дать эти системы по отдельности. Если же волны сложатся в противофазе, то есть гребень одной системы совпадет с ложбиной другой, то они погасят друг друга. Медленное повышение и понижение уровня, наблюдаемое на мелководье за счет периодического взаимного усиления и ослабления волн различных систем, называется прибойным биением. Период его измеряется минутами. Возникает это явление потому, что переносимая волнами к берегу вода не успевает оттекать вдоль дна в море.

Пена состоит из пузырьков воздуха, разделенных пленкой воды. В пресной воде пузырьки воздуха, сближаясь друг с другом, сливаются, а в соленой воде — отталкиваются. Большая часть пузырьков воздуха в океане образуется при ветровом волнении, но они могут возникать и при дожде и даже снеге. Пузырьки, образующиеся вблизи берега, очень мелки, обычно менее 0,5 мм в диаметре. Поднимаясь на поверхность, они лопаются и выбрасывают в воздух соленые брызги на высоту, в тысячу раз превосходящую их диаметр.

Полагают, что этим в основном объясняется содержание частиц соли в атмосфере.

Дело в том, что здесь удачно сочетаются два фактора: пологое дно и очень длинные волны, приходящие из просторов Тихого океана. Благодаря этому возникает волна, передний склон которой постепенно становится все круче, и даже прогибается, но гребень не обрушивается, пока волна не подойдет к самому берегу.

Волны зыби, разбивающиеся у берегов Южной Калифорнии, образуются в экваториальной части Тихого океана, на расстоянии многих тысяч миль от берегов США.

Довольно часто небольшие лодки могут двигаться вместе с прибойной волной, но ими нелегко управлять и удерживать в районе разрушающегося гребня — там, где волна будет нести ее к берегу. В 1945 г., занимаясь волновыми исследованиями у берегов Орегона, Джон Айзеке из Скриппсовского океанографического института использовал лодку армейского образца. Лодка, имеющая максимальный ход 6 узлов, неслась на гребне прибойной волны 6-метровой высоты со скоростью 15 узлов.

Да, вместо доски пловец может воспользоваться своим собственным телом: надо поймать волну, «оседлать» гребень и мчаться на нем к берегу. Теперь в технику этого вида спорта внесены разного рода усовершенствования, разработано более десятка различных поз, одни из которых увеличивают скорость, другие гасят ее. Занимающиеся этим спортом придумывают разнообразные маневры, чтобы получить ощущение свободного полета на гребне волны.

Это волны, возникающие между слоями жидкости разной плотности. Если теплая вода лежит на более холодной и, следовательно, более плотной воде, то между ними образуется граница раздела, аналогичная граница между океаном и атмосферой. Поскольку разница в плотности слоев воды значительно меньше разности плотности воды и воздуха, высота внутренних волн соответственно превосходит высоту поверхностных волн и может достигать сотен метров[27].

Внутренние волны трудны для исследования, поэтому о них мало что известно. В некоторых случаях внутренние волны, по-видимому, вызываются приливными колебаниями; причиной их могут также служить водяные смерчи, шквалы и даже движения судов.

Для изучения внутренних волн в мелководных районах используют эстакады. В глубоководных районах океана их исследуют с помощью приборов, устанавливаемых на буйковых станциях или опускаемых с судна. Лучший метод подобных исследований — постановка группы буйковых станций с приборами, помещенными на различных горизонтах.

В полярных районах, а также в районах речного стока слой пресной воды иногда оказывается лежащим на водной массе, имеющей значительную соленость. В тех случаях, когда толщина этого пресного слоя примерно равна осадке судна, его винт на малом ходу может возбуждать внутренние волны_; При этом энергия которая в обычных условиях расходуется на продвижение судна вперед, будет тратиться на поддержание внутренних волн, вследствие чего судно почти перестает двигаться. Явление «мертвой воды» исчезает уже при небольшом увеличении скорости.

Кавитация представляет собой процесс образования, роста и сжатия пузырьков воздуха в жидкости. Кавитация возникает в тех случаях, когда гидростатическое давление в какой-либо точке потока жидкости меньше давления пара этой жидкости. Кавитация обычно возникает под действием механических причин, например при вращении судового винта. Она служит источником шумов и приводит к возникновению выбоин на лопастях винта.

Этим японским словом называют морские волны сейсмического происхождения. (Иногда эти волны называют приливными, но это неверно, ибо они не имеют никакого отношения к приливам.) Волны цунами вызываются подводными землетрясениями, извержениями подводных вулканов и оползнями. Они возникают в основном в глубоководных впадинах на окраинах Тихого океана. Волны цунами могут двигаться со скоростью более 1000 км/час. В открытом океане они имеют высоту всего 0,5–1,0 м, но, достигая берега, они многократно вырастают.

Да, появление волны цунами удается предсказывать, потому что сейсмические (акустические) волны, порождаемые землетрясениями, пересекают океан гораздо быстрее, чем волны цунами, и могут быть зарегистрированы сейсмическими станциями с опережением волн цунами в несколько часов.

После катастрофического цунами, обрушившегося на Гавайские острова в 1946 г., когда погибло 173 человека, а убытки от разрушений составили 25 млн. долларов, на Тихом океане была организована Служба оповещения о цунами. Сейсмические станции фиксируют время и место землетрясения; если его эпицентр лежит под водой, то можно ожидать появления цунами. В этом случае все станции, наблюдающие за уровнем моря, оповещаются о том, что нужно следить за приближением волн цунами.

Для расчета времени подхода волны служат специальные карты длительности пробега цунами от различных пунктов до Гавайских о-вов. Оповещение об ожидаемом времени подхода волн передается по международной Тихоокеанской системе связи. Штаб-квартира Службы оповещения о цунами (подчиняющейся Национальной службе океана при Национальном управлении по изучению океана и атмосферы) находится в Гонолулу.

Приливы представляют собой непрерывные периодические подъемы и опускания уровня моря, происходящие у побережий или в открытом море. У большинства побережий один прилив сменяется другим через 12 час 25 мин, но в некоторых местах период приливных колебаний уровня может быть больше: например на побережье Мексиканского залива он составляет 24 час 50 мин. Подъемы и опускания уровня моря у побережий создаются очень длинными волнами; полной воде соответствует гребень волны, малой воде — подошва волны.

Наблюдения за приливными колебаниями производятся для определения уровня моря — нулевой поверхности, от которой отсчитываются высоты на суше. Кроме того, эти наблюдения дают проектировщикам необходимую статистическую информацию о среднем уровне моря и его длиннопериодных колебаниях. Для того чтобы можно было предсказывать приливные колебания уровня моря, необходимо математически связать проведенные наблюдения со взаимным расположением Земли, Луны и Солнца. Предвычисления приливов используют при проведении океанографических съемок, а также для определения нуля глубин при гидрографических работах. Инженеры-строители используют данные о приливах для расчета допустимых нагрузок на мосты, кессоны, пирсы и другие морские сооружения. Измерения течений, возникающих под действием тех же сил, которые вызывают приливные колебания уровня моря, необходимы для безопасности мореплавания, для рационального проектирования портов, а также для исследования процессов загрязнения моря и речного стока. Мареографы (приборы, регистрирующие колебания уровня моря) используются также в системе Службы оповещения о цунами для обнаружения потенциально опасных морских волн сейсмического происхождения.

Главная часть этого прибора — поплавок, поднимающийся и опускающийся в специальном успокоительном колодце, который сообщается с морем. Колодец исключает влияние горизонтальных движений воды и благодаря размеру своего входного отверстия существенно уменьшает влияние резких изменений уровня, подобных тем, которые вызываются ветровыми волнами. Вертикальные движения поп-плавка и связанного с ним троса приводят в действие червячную передачу, связанную с пером, которое вычерчивает на диаграммной ленте кривую, соответствующую движению поплавка. Часовой механизм протягивает ленту с постоянной скоростью. Благодаря совместному движению пера и диаграммной ленты вычерчивается непрерывная кривая подъема и понижения уровня. Первый автоматический мареограф был установлен на о. Говернорс (штат Нью-Йорк) зимой 1844-45 г.

В настоящее время электронные телеметрические системы позволяют автоматически передавать информацию от стандартных мареографов, установленных на прибрежных станциях, прямо на центральные регистраторы.

Причина приливов — гравитационное взаимодействие Солнца, Луны и Земли. Наибольшее воздействие на приливы оказывает Луна; хотя ее масса значительно меньше массы Солнца, она находится гораздо ближе к Земле, так что лунное влияние по величине более чем вдвое превосходит солнечное. На приливные колебания влияют также расположение материков, очертания океанского дна, глубина моря в данном месте, вращение Земли и положение Луны относительно Земли и Солнца. Когда Солнце, Земля и Луна располагаются вдоль одной прямой (что соответствует новолунию или полнолунию), действие Луны и Солнца взаимно усиливается и возникает особенно высокий сизигийный прилив. Когда Солнце и Луна наблюдаются с Земли под прямым углом (при этом Луна находится в первой или третьей четверти), действия Луны и Солнца частично гасят друг друга, амплитуда прилива уменьшается — такой прилив называют квадратурным.

Эта теория была разработана около 1900 г. в Береговой и геодезической службе США. Она заменила прежнюю теорию поступательных волн, в которой приливы рассматривались как единый глобальный процесс. Теория стоячих волн опирается на представление о том, что океан состоит из отдельных бассейнов, каждый из которых имеет свой период собственных колебаний и по-своему реагирует на приливообразующие силы Солнца и Луны. Результирующий прилив в каждом бассейне зависит от соотношения периодов собственных и вынужденных колебаний. Хотя приливные колебания несколько осложняются тем, что колеблющиеся бассейны перекрываются, эта теория согласуется с наблюдениями.

Это отметка уровня, взятая в качестве нуля футштока. Ее превышение определяется относительно местного приливного нуля глубин. Приливная отметка уровня устанавливается там, где производятся наблюдения над приливами, а нуль футштока связывают с нулем глубин обычными геодезическими методами. Превышение приливной отметки уровня может определяться также относительно местной высоты полной воды, малой воды, среднего уровня моря и т. д.

Это максимальная высота подъема уровня во время прилива. Как правило, она зависит лишь от периодических приливных колебаний, но иногда на обычный прилив может наложиться действие сильного шторма или нагонного ветра.

Это минимальная высота уровня, наблюдаемая во время отлива. Она тоже зависит в основном лишь от периодических приливных колебаний, но иногда на отлив может наложиться действие сильного сгонного ветра.

Приливы бывают полусуточные, суточные и смешанные. При полусуточном приливе наблюдаются две полные и две малые воды в течение суток. Это наиболее распространенный тип приливов. При суточных приливах наблюдается одна полная и одна малая вода в течение суток. Если приливы каждые несколько дней ведут себя то как суточные, то как полусуточные, то они считаются смешанными. Такой прилив имеет характер полусуточного, когда Луна находится вблизи экватора, но становится суточным, когда Луна имеет максимальное северное или южное склонение.

Приливными (или лунными) сутками называется время оборота Земли относительно Луны, иначе говоря, интервал между двумя последовательными прохождениями Луны через местный меридиан. Длительность средних приливных суток составляет примерно 24,84 солнечных часа.

Аристотель в 350 г. до н. э. писал: «Говорят еще, что многие отливы и приливы в море всегда изменяются вместе с Луной и в некоторые определенные дни». Вскоре после начала новой эры римский ученый Плиний установил точное соответствие между фазами Луны и приливами.

В 1687 г. Исаак Ньютон дал объяснение влияния небесных тел на водную оболочку Земли. Это произошло в том же году, когда был опубликован его закон всемирного тяготения.

Причиной повышения или понижения уровня моря могут быть такие атмосферные явления, как ветер или изменение давления. Зависит уровень и от температуры воды: плотность теплой воды меньше, чем холодной, поэтому ее уровень выше. Значительный подъем воды в закрытых бухтах и эстуариях может быть вызван речным стоком.

Когда к берегу подходит ураган, уровень может подняться более чем на 6 м выше нормы. Такие катастрофические подъемы уровня во время ураганов часто вызывают человеческие жертвы. Например, в результате урагана, пронесшегося в сентябре 1900 г. в районе Гальвестона, погибло 6 тыс. человек.,

В заливе Фанди (Канада) амплитуда сизигийного прилива достигает 13,6 м, а в отдельных случаях — 18 м. Сильные приливы наблюдаются также в Бристольском заливе и в Охотском море.

В некоторых районах Мирового океана приливы настолько малы, что ими можно пренебречь. К таким районам относятся, например, Средиземное море, Балтийское море и Мексиканский залив.

Таблицы приливов Британского Адмиралтейства, в которых даются предвычисленные значения высот полной воды, публикуются с 1833 г. Приливные таблицы были включены в Британский атлас, изданный в 1875 г., и, возможно, такие таблицы были составлены задолго до этого.

Для обеспечения максимальной точности необходимо иметь по каждому данному району 19-летний ряд наблюдений, так как именно за этот период завершается цикл всех существенных астрономических изменений. С достаточно высокой точностью можно предвычислять приливы и на основании месячного ряда наблюдений, так как за это время Луна совершает полный оборот вокруг Земли.

Первую приливную машину изобрел в 1882 г. американский математик Уильям Феррель. Машина позволяла учитывать 19 гармонических составляющих прилива. Ею пользовалась Береговая и геодезическая служба США с 1885 пс 1911 г. В 1910 г. Роллин А. Харрис, также математик, занимавшийся изучением приливов, создал вместе с Э. Фишером усовершенствованную приливную машину, которая учитывала 37 составляющих.

Да, такие измерения можно провести с помощью установленных на морском дне приборов, регистрирующих разницу в давлении при подъеме и опускании уровня моря.

Приливной бор возникает при движение приливной волны вверх по течению реки. Когда приливная волна входи! в реку, то за счет сужения живого сечения потока высота ее сильно увеличивается, а скорость, наоборот, снижается из-за встречного речного потока.

В результате приливная волна опрокидывается, образуя пенящийся вал высотой до 3 м и более.

Приливной бор на реке Фучуньцзян в Китае образует почти вертикальную стену воды высотой более 3 м и шириной около 2 км — от одного берега реки до другого. Скорость движения бора может достигать 14 узлов. Китайские джонки поднимаются вместе с бором далеко вверх по течению реки.

К настоящему времени в мире построена лишь одна действующая приливная электростанция — на р. Ране во Франции[28]. Успешное осуществление французского проекта оживило интерес к использованию энергии приливов в заливе Фанди. Исследуется также побережье Кимберли в Австралии, где высота приливов достигает 12 м. Однако приливные ГЭС имеют ряд недостатков. Максимумы выработки энергии зависят от приливного цикла и не совпадают с пиками потребления. Большей частью приливные ГЭС не могут соперничать по экономичности с электростанциями, использующими энергию атома и другие источники энергии.

Осадка крупнейших современных лайнеров достигает 12 м. Поскольку некоторые порты при сизигийной малой воде имеют меньшую глубину, то для того чтобы составить расписание движения таких судов, надо знать время наступления полной воды и ее высоту, а также высоту уровня в промежутки от одной полной воды до другой, чтобы обеспечить гарантированный запас глубины.

В устьевые участки рек, впадающих в приливные районы океана, с приливами обычно проникает соленая морская вода. Ее плотность выше плотности пресной речной воды, поэтому она опускается вниз и распространяется вдоль дна в виде клина, который по мере удаления от моря становится все тоньше. Смена прилива вызывает перемещения клина соленой воды вверх или вниз по течению реки. Размеры клина зависят от объема речного стока. Весной, когда сток максимален, клин проникает вверх по течению на минимальное расстояние, и наоборот, поздним летом и осенью, когда сток минимален, проникновение клина максимально. В последнее время водоснабжение некоторых городов, стоящих на реках, подверженных воздействию прилива, осложнилось, так как вследствие засух и других факторов, уменьшающих речной сток, клин соленой воды постепенно продвигается вверх по реке все дальше.

Зона осушки — это участок суши, периодически затопляемый и осушаемый в ритме суточных колебаний уровня моря. Собственно, это зона между урезами средней полной и средней малой воды.

Термин «приливо-отливная зона» иногда употребляют как синоним «зоны осушки», но это неверно, ибо приливо-отливная зона — это область, всегда покрытая водой; колеблется только глубина этой воды.

Некоторые виды рыб кормятся только при полной или малой воде, другие — только при подъеме или опускании уровня. Небольшая рыбка граньон, распространенная у побережья Калифорнии, откладывает икру только во время полной воды, точнее — на вторую, третью и четвертую ночи после сизигийного прилива.

Термином прилив обозначается вертикальный подъем и опускание уровня воды, тогда как течение — это горизонтальное перемещение водной массы. Оба эти явления представляют собой различные стороны единого приливного волнового процесса.

В проливах и узких бухтах приливо-отливное течение изменяет свое направление на обратное скачком; такие течения называют реверсивными. В открытом океане, где течения не стеснены берегами, направление течения меняется постепенно, а не реверсивно, поэтому такие течения называются вращательными.

В открытом океане течения считаются сильными, если они достигают скорости 3 узлов и более — как, например, в Гольфстриме. Однако в узких каналах, проливах и в прибрежных водах — там, где приливами создаются исключительные гидравлические условия, — течения могут быть значительно сильнее. Хороший пример тому — течение, которое образуется в трех проливах, соединяющих два норвежских фьорда — Салтенфьорд и Сьерстадфьорд. В среднем из этих проливов, известном под названием «Сторстраум» («сильное течение»), скорость потока в сизигию достигает 16 узлов. Когда сильные западные и юго-западные ветры гонят воду во внутренний фьорд Сьерстад, скорости бывают еще выше. Местные жители утверждают, что когда течение достигает полной силы, рев слышен на расстоянии многих километров. Эти течения образуют в проливах сотни водоворотов, причем некоторые из них достигают 9 м в диаметре и 1–2 м в глубину.

Наши знания о поверхностных течениях основаны на огромном количестве наблюдений, проведенных торговыми судами. В 40 — х гг. XIX в. лейтенант ВМС США М. Ф. Мори обратился с призывом ко всем морякам мира сообщать результаты наблюдений о дрейфе и сносе судов.

По этим наблюдениям были составлены карты поверхностных течений. Океанографическое управление ВМС США до сих пор пользуется этим методом.

В навигации дрейфом называю! найденное с помощью астрономических или радиогеодезических определений смещение судна относительно его счислимого положения, обусловленное действием ветра, в то время как аналогичное смещение под действием течения называют сносом.

В океанологии же под словом «дрейф» нередко понимают перенос течением либо суммарный перенос под действием как течения, так и ветра.

Дрейфующие бутылки применяют для определения поверхностных течений. В них добавляют немного песка для балласта, вкладывают почтовую открытку или специальный бланк и выпускают в море с кораблей, паромов, самолетов и даже дирижаблей. Нашедшего просят сообщить место и время обнаружения бутылки. Ежегодно Вудс-Холский океанографический институт выпускает в море у восточного побережья США 10–20 тыс. дрейфующих бутылок. Возвращается обычно 10–11% вложенных в них открыток. Полученные сведения о дрейфе бутылок хранятся на перфокартах. Эти данные были использованы при составлении атласа поверхностной циркуляции в районе континентального шельфа.

Для этого существует много способов. Например, Вудс-Холский институт применяет пластиковые карточки или конверты, которые утяжеляются с помощью небольшого груза таким образом, чтобы они дрейфовали вблизи дна. Из 7000 карточек, выпущенных институтом, было возвращено около 1700.

В 1885 г. принц Альберт Монакский использовал бутылки и деревянные поплавки для прослеживания течений в Атлантике. Он выпустил около 2000 бутылок и поплавков и получил достаточное количество сообщений о них, чтобы составить довольно точную карту поверхностных течений. Эта карта очень пригодилась после первой мировой войны для определения вероятного дрейфа мин.

Известны случаи, когда такие бутылки пересекали Атлантику от берегов США до Ирландии, Англии и Франции, то есть покрывали расстояние около 5 тыс. км. Некоторые бутылки описывали почти замкнутый круг, проходя мимо Азорских о-вов и попадая на берег Вест-Индских о-вов, то есть проделывая путь в 8 тыс. км.

Пожалуй, самое длительное плавание совершила бутылка, выпущенная 20 июня 1962 г. в австралийском городе Перт: она была выловлена почти пять лет спустя вблизи Майами на Флоридском п-ове. Океанологи из Биологической лаборатории тропической Атлантики подсчитали, что бутылка проплыла около 26 тыс. км со средней скоростью 0,4 узла. Вероятнее всего, путь ее лежал вокруг мыса Доброй Надежды, затем на север вдоль побережья Африки, далее через Атлантику к северному побережью Бразилии, затем на север вдоль побережья Южной Америки в Мексиканский залив, а уже оттуда через Флоридский пролив — в Майами.

В 1893 г. норвежский океанограф Фритьоф Нансен намеренно позволил своему судну «Фрам» вмерзнуть в арктический лед. Оно дрейфовало со льдом в течение трех лет. Этим дрейфом Нансен доказал свою гипотезу о существовании в Арктическом бассейне течения, направленного с востока на запад. Ледяное поле, с которым дрейфовал «Фрам», прошло 1028 миль со средней скоростью менее 1 мили в сутки.

Водные массы одного происхождения отличаются от других водных масс соленостью и температурой. По характерным сочетаниям температуры и солености можно прослеживать перемещение водных масс на значительных расстояниях.

По мере опускания водной массы ниже зоны фотосинтеза, в которой вырабатывается кислород, его содержание в воде постепенно уменьшается за счет биологической деятельности. Чем медленнее опускается водная масса, тем значительнее становится дефицит кислорода в ней. Измерение содержания растворенного в воде кислорода на больших пространствах позволяет океанологам прослеживать границы течений. Правда, эту информацию необходимо увязывать с другими данными, поскольку низкое содержание кислорода может быть вызвано аномально высоким биологическим потреблением в течение короткого промежутка времени, а не нормальным потреблением за более долгий период времени.

Возрастом водной массы называют время, прошедшее с тех пор, когда эта масса находилась на поверхности моря в контакте с атмосферой. Обычно возраст водной массы измеряют по скорости распада радиоактивного изотопа углерода (С¹⁴) в пробе воды. Время полураспада С¹⁴ составляет 5600 лет.

С ошибкой ±100 лет с помощью радиоуглеродного метода можно оценить возраст Атлантических придонных вод в 900 лет, Северо-Атлантических глубинных вод — в 700 лет, Северо-Атлантических центральных вод — в 600 лет. Для Антарктических промежуточных и придонных вод эта методика дает возраст около 350 лет.

Во многих измерителях течений, как механических, так и электрических, датчиком скорости течения служит крыльчатка, а датчиком направления — магнитный компас. Все эти приборы основаны на измерении числа оборотов крыльчатки за определенный промежуток времени. Это делается с помощью механического (вертушка Экмана) или электрического (измеритель течений Робертса) счетчика. В последнее время широко используется ротор Савониуса, обороты которого регистрируются электрическим счетчиком.

Это механический прибор для измерения скорости и направления течений, изобретенный шведским физиком В. В. Экманом. Поток вращает чувствительную крыльчатку, число ее оборотов подсчитывается специальным счетчиком. С помощью специальной таблицы число оборотов пересчитывается на единицы скорости течения. Направление течения определяется по выпадению металлических шариков в компасную коробку через определенное количество оборотов крыльчатки. Направление течения определяется по тому, в какой из секторов компасной коробки попали шарики. После каждого измерения вертушку приходится поднимать на палубу для снятия отсчетов количества оборотов крыльчатки и для определения положения шариков в компасной коробке. После этого она перезаряжается для следующего измерения.

Вертушка Экмана работает в течение заданного времени: она включается и выключается с помощью специального посыльного груза. Это цилиндрический латунный груз диаметром 2,5 см и длиной 7,5 см. Его надевают на трос и отпускают. Груз скользит по тросу и, ударяясь об установленный на заданной глубине прибор, заставляет его срабатывать. Батометр при этом переворачивается, а счетчик морской вертушки включается либо выключается.

Так океанологи сокращенно называют электромагнитный измеритель течений — прибор, измеряющий скорость и направление течений с движущегося судна. ЭМИТ работает на принципе электромагнитной индукции, открытом еще в 1832 г. Фарадеем. Морская вода является электролитом, поэтому при ее движении через геомагнитное поле в ней возникает электрический ток. Потенциалы наведенной э. д. с. снимаются с помощью двух электродов, буксируемых за судном на расстоянии 100 м один от другого. Вектор течения рассчитывается по результатам измерений на двух взаимно перпендикулярных курсах.

Это поплавки нейтральной плавучести, изобретенные английским океанологом Джоном Сваллоу. Вес каждого поплавка можно подобрать таким образом, чтобы он находился на определенной, заранее заданной глубине. Направление и скорость движения поплавка определяются по сигналам установленного на нем акустического передатчика; сигналы эти принимаются судовым гидролокатором. С помощью поплавков Сваллоу удалось обнаружить течение на глубинах гораздо более 2000 м.

В каждом океане имеется четко выраженный круговорот течений. В северном полушарии вода вращается по часовой стрелке, в южном — против. Отчасти это обусловлено вращением Земли, но главная причина заключается в пассатных ветрах, дующих по обе стороны экватора с востока на запад.

Широкое использование океана для захоронения радиоактивных отходов вызвало у ученых опасение, что со временем эти отходы снова будут вынесены в прибрежные воды. Современные представления о характере глубинных течений позволяют надеяться, что за промежуток времени, необходимый для переноса радиоактивных отходов из глубоководных районов в мелководные, их активность понизится до безопасного уровня Тем не менее нужна дополнительная информация, для того чтобы ученые могли с уверенностью утверждать, что захоронение в океане радиоактивных отходов во все увеличивающемся количестве вполне безопасно.

Ее изучают не столько прямыми, сколько косвенными методами. По температуре и солености проб воды, взятых в известных точках, океанологи рассчитывают плотность морской воды, а по распределению плотности и градиентам давления определяют скорость и направление течений.

Течения смягчают климат прибрежных районов суши, сглаживая резкие колебания температуры. Так, благодаря теплым водам Гольфстрима температура воздуха зимой в Рейкьявике выше, чем в Нью-Йорке. Холодные течения сказываются на климате меньше: например, воздействие холодного Калифорнийского течения, движущегося вдоль западного побережья США, проявляется главным образом в образовании туманов.

Поверхностное течение в Гибралтарском проливе направлено из Атлантического океана в Средиземное море. Вследствие избыточного испарения с поверхности Средиземного моря уровень его ниже уровня прилегающего района Атлантики, так что атлантические воды просто перетекают через Гибралтарский пролив в Средиземное море. Глубинные воды движутся в обратном направлении — из Средиземного моря в Атлантику.

Во время второй мировой войны немецкие подводные лодки проходили Гибралтарский пролив незамеченными, погружаясь на малую глубину при входе в Средиземное море и на большую глубину — при выходе из него. Двигатели выключались, и лодки бесшумно переносило течением через пролив.

Раз в 12 лет к побережью Перу подходит теплое течение, замещая обычное для этого района холодное Перуанское течение. Это течение называют Эль-Ниньо («Младенец»), так как оно появляется обычно на Рождество. Резкое изменение температуры приводит к массовой гибели всех форм морских организмов. Гибнут от голода и питающиеся рыбой птицы — производители гуано.

Это выражение в ходу у моряков. Вследствие катастрофической гибели морских организмов во время прихода Эль-Ниньо в перуанском порту Кальяо чернеет краска на днищах кораблей. Происходит это потому, что входящий в состав краски свинец соединяется с сероводородом, выделяющимся при разложении погибших организмов. В результате реакции образуется сернистый свинец, имеющий черный, цвет.

В тех местах побережья, где волны особенно высоки, создается волновой нагон воды, и вода перемещается вдоль берега до тех пор, пока не достигает места, где волны ниже. Здесь она может повернуть в сторону моря, образуя сильное поверхностное течение, называемое разрывным течением. Попавшему в него пловцу следует плыть не против течения, а вдоль берега, иначе он может выбиться из сил и утонуть.

Так называют район Северной Атлантики, расположенный юго-восточнее системы Гольфстрима внутри круто-, ворота течений.

Этот район отличается очень чистой, теплой водой глубокого синего цвета, которая очень бедна жизнью, если не считать огромных масс саргассовых водорослей.

Ветер и поверхностные течения здесь слабы, однако под поверхностью располагаются противотечения, направленные противоположно поверхностным и движущиеся со скоростью до 3 узлов.

Это скорость, равная одной морской миле в час, что равнозначно 52 см/сек. Говорить «узлы в час» неправильно.

Источником энергии для океанической циркуляции служит солнечная радиация, благодаря которой формируются системы ветров и возникают градиенты в поле плотности морской воды. На формирование течений влияют также такие факторы, как глубина моря, топография дна, близость суши и очертания береговой линии, приливы и отклоняющая сила вращения Земли.

Ветер служит главной причиной возникновения поверхностных течений. Пассаты, дующие вдоль экватора с востока на запад, увлекают за собой воду. В ряде случаев течения приобретают круговой характер из-за отклоняющего воздействия силы Кориолиса.

Это сила, возникающая за счет вращения Земли и действующая на любую движущуюся частицу, в результате чего движение воды отклоняется от направления ветра вправо в северном полушарии и влево — в южном. Сила Кориолиса проявляется сильнее всего в полярных районах: под ее действием «Фрам» дрейфовал в арктических паковых льдах (1893–1896 гг.) под углом 45° к направлению ветра.

Опираясь на данные ледовых наблюдений, выполненных Нансеном во время дрейфа «Фрама», шведский физик Вальфрид Экман разработал теорию океанских течений, получившую всеобщее признание. Согласно этой теории, ветер, постоянно дующий над безграничным однородным океаном бесконечной глубины, создает дрейфовое течение, направленное в поверхностном слое под углом 45° вправо от направления ветра (в северном полушарии). На больших глубинах течение все больше отклоняется вправо, так что на некоторой глубине (порядка 100 м) вода должна двигаться в сторону, противоположную направлению ветра. При этом скорость течения с глубиной уменьшается, так что кривая, описываемая концом вектора скорости по мере увеличения глубины, представляет собой спираль. Она вошла в науку под названием «спираль Экмана».

В общем, ветер должен действовать непрерывно около 12 час прежде, чем установится ветровое течение, хотя на его формирование оказывают влияние и другие факторы. Скорость течения обычно составляет менее 2% скорости ветра.

Различия в плотности воды могут создавать как горизонтальные, так и вертикальные движения воды, вызывающие изменения в поверхностных течениях, обусловленных действием ветра. В районах теплых вод малой плотности уровень морской поверхности может быть на 0,5 м выше уровня в районах холодных и более плотных вод. Возникающий уклон поверхности порождает течения, направленные из области с низкой плотностью в область с высокой плотностью. Плотность морской воды растет с увеличением солености и уменьшением температуры воды. Такие условия наблюдаются в Арктике и Антарктике: там охлаждающиеся воды высокой солености опускаются и распространяются вдоль дна.

Водные массы различной температуры и солености не смешиваются в однородную массу потому, что воздействие ветра и волнения распространяется лишь на верхний слой воды, глубиной всего несколько десятков метров; скорости же глубинных течений малы, поэтому перемешивание может происходить лишь на границах водных масс.

Приливообразующие силы, по-видимому, влияют на Гольфстрим и, вероятно, на другие течения тоже. Максимум суточного хода скорости Гольфстрима наступает через 3 часа после кульминации Луны. Течение обычно усиливается во время квадратуры, когда приливо-отливные колебания выражены слабее, то есть примерно каждые две недели. Когда Луна находится над экватором, Гольфстрим становится более узким и быстрым, чем в тех случаях, когда Луна имеет максимальное северное или южное склонение.

В 1513 г. три судна под командой Понсе де Леона едва не погибли во Флоридском проливе. Они направлялись на юг от нынешнего мыса Канаверал, но Гольфстрим сносил их назад.

13 сентября 1494 г. Христофор Колумб находился очень близко от Гольфстрима, но не дошел до него: заметив стаю птиц, он изменил курс с веста на вест-зюйд-вест. Если бы Колумб продолжал двигаться прежним курсом, Гольфстрим вынес бы его к берегу где-нибудь в районе Флориды.

Бенджамин Франклин в бытность свою Генеральным почтмейстером заинтересовался, почему почтовые суда, курсировавшие между Англией и ее колониями, быстрее пересекали океан, когда шли с запада на восток. На основании изучения вахтенных журналов и карт китобоев Нантакета Франклин составил карту Гольфстрима. Во время своих плаваний через Атлантику он измерял температуру воды на поверхности, беря пробы воды деревянным ведром. По изменению температуры воды можно было определить, когда судно вошло в Гольфстрим и когда вышло из него.

Хотя скорости течения в Гольфстриме и уменьшаются от верхней до нижней его границы, они все еще значительны до глубины 1500 м.

Книга М. Ф. Мори «Физическая география морей», изданная в 1856 г., начинается словами: «В океане есть река. Она не пересыхает и в самые сильные засухи и не выходит из берегов даже при самых сильных наводнениях. Ее берега и ложе из холодной воды, а ее стремнина — из теплой. Истоком ее служит Мексиканский залив, а устьем — Арктический океан.

Это Гольфстрим. Нигде в мире нет более величественного потока вод. Гольфстрим течет стремительнее Миссисипи или Амазонки, а воды в нем в тысячу раз больше».

Теперь-то мы знаем, что Гольфстрим вовсе не река, а скорее система отдельных потоков, движение которых сложно и нерегулярно. Гаррис Б. Стюарт сравнил эту систему со струями и кольцами дыма, поднимающегося от горящей сигареты.

Гольфстрим получил свое название по ошибке: раньше считали, что он зарождается в Мексиканском заливе[29]. Теперь нам известно, что воды самого Мексиканского залива вносят весьма малый вклад в Гольфстрим. Истоки Гольфстрима лежат гораздо дальше: там, где два течения — Северное и Южное пассатное — объединяются и движутся затем через проходы между Наветренными островами в Карибское море. Далее этот объединенный поток идет через Юкатанский пролив, после чего для него остается лишь один проход — между Флоридой и Кубой. В районе побережья Флориды к Гольфстриму присоединяются другие течения, идущие от северного побережья Пуэрто-Рико и из района восточнее Багамских о-вов.

Наиболее четко Гольфстрим выражен между Флоридским проливом и мысом Гаттерас. Начиная от мыса Каролина течение поворачивает к востоку, а на 45° з. д. делится на три ветви. Одна из них в виде слабого нерегулярного течения идет на восток до Бискайского залива другая ветвь образует течение Ирмингера, которое южнее Исландии поворачивает и идет на запад. Основная ветвь направляется на северо-восток, где она образует Норвежское течение, проникающее в Баренцево море. Ученые прослеживают воды Гольфстрима вплоть до северного побережья Новой Земли. Струи теплых вод, ответвляющиеся от Гольфстрима, доходят до советского порта Мурманск, благодаря чему он не замерзает.

Расход воды через Флоридский пролив составляет около 26 млн. м³/сек. На подходе к Чесапикскому заливу расход течения увеличивается до 75–90 млн. м³/сек вследствие притока глубинных вод и вод Саргассова моря. После Большой Ньюфаундлендской банки расход Гольфстрима уменьшается до 40 млн. м³/сек. так как часть потока поворачивает на юг.

Начиная с 1966 г. Океанографическое управление ВМС США издает ежемесячную сводку по Гольфстриму, в которой описываются положение и физические свойства Гольфстрима в Северной Атлантике. Течение прослеживается с самолета с помощью инфракрасного радиометра, измеряющего тепловое излучение морской поверхности. При этом легко обнаруживаются резкие различия температуры Гольфстрима и более холодных прибрежных вод.

Генри Стоммел из Вудс-Холского океанографического института на основании теоретических соображений предсказал существование под Гольфстримом глубинного течения, движущегося в противоположном ему направлении. В 1957 г. это было доказано: наблюдения с помощью поплавков Сваллоу подтвердили существование противотечения на глубинах 2000–3000 м у восточного побережья США.

Противотечение, идущее на восток в экваториальной Атлантике, впервые обнаружил Уильям Дж. Меткалф из Вудс-Холского океанографического института. Опуская батометры, он заметил сильное отклонение троса в сторону, противоположную поверхностному течению. В 1961 г. во время экспедиции на судне Вудс-Холского института «Чейн» на глубине 100 м были измерены скорости в 2,5 узла [30]. Тем самым существование противотечения было подтверждено. В 1963 г. научно-исследовательское судно университета Майами «Пиллсбери» проследило это течение на протяжении 1320 миль в сторону Африки.

Это подповерхностное течение в Тихом океане. Вначале его назвали Экваториальным подповерхностным течением. Позднее оно было переименовано в честь одного из его открывателей, океанолога Таунсенда Кромвелла, погибшего в 1958 г. в авиационной катастрофе. Течение Кромвелла проходит вдоль экватора от Соломоновых до Галапагосских островов и дальше. Общая его длина, по-видимому, достигает 8000 миль. Течение охватывает небольшую толщу воды, ширина его колеблется от 120 до 250 миль, скорость — от 2,5 до 3 узлов.