§ 36. движения воды в океане. волны

Виды и классификация океанических течений

Вода в океанах находится в постоянном движении. Это вызвано притяжением Луны, поверхностным и внутренним трением, а также отклонением земной оси. Под влиянием вращения Земли эта циркуляция в южном полушарии смещается влево, а в северном- вправо.Карта движения воздушных и водных масс на планете имеет много общего. Из этого можно сделать вывод, что гидросфера и атмосфера тесно связаны между собой.

Основные океанические течения разделяются по своему происхождению, температурным показателям, устойчивости и по глубине расположения.

В зависимости от происхождения виды течений бывают:

1. Ветровое. Яркий пример — течение Западных Ветров, которое образует кольцо радиусом в 30 тыс. км вокруг Антарктиды.
2. Градиентное. Появляется по причине изменения атмосферного давления и плотности. Примером является Гольфстрим.
3. Стоковое. Возникает из-за притока пресных материковых вод в соленый океан. Самое большое из них — Обь-Енисейская циркуляция, образовавшаяся вследствие стока речных вод.
4. Приливно-отливное. Оно захватывает толщу воды до дна и располагается вдоль берегов. Такое происхождение имеет Мадагаскарский океанский поток.

Но эта классификация условна, поскольку водные потоки находятся во взаимодействии с окружающей средой и часто меняют величину солености и температуры.

Волны-убийцы

Волны-убийцы (Блужда́ющие во́лны, волны-монстры, freak wave — аномальная волна) — гигантские волны, возникающие в океане, высотой более 30 метров, обладают несвойственным для морских волн поведением.

Еще каких-то 10-15 лет назад ученые считали истории моряков об исполинских волнах-убийцах, которые возникают из ниоткуда и топят корабли, всего лишь морским фольклором.
Долгое время блуждающие волны считались выдумкой, так как они не укладывались ни в одну существовавшую на то время математические модели расчётов возникновения и их поведения, потому как волны высотой более 21 метра в океанах планеты Земля не могут существовать.

Одно из первых описаний волны-монстра относится к 1826 году. Её высота была более 25 метров и заметили её в Атлантическом океане недалеко от Бискайского залива. Этому сообщению никто не поверил. А в 1840 году мореплаватель Дюмон д’Юрвиль рискнул явиться на заседание Французского географического общества и заявить, что своими глазами видел 35-метровую волну. Присутствующие подняли его на смех. Но историй о громадных волнах-призраках, которые появлялись внезапно посреди океана даже при небольшом шторме, и своей крутизной походили на отвесные стены воды, становилось все больше.

Исторические свидетельства «волн-убийц»

Так, в 1933 году корабль ВМС США «Рамапо» попал в шторм в Тихом океане. Семь суток корабль бросало по волнам. А утром 7 февраля сзади внезапно подкрался невероятной высоты вал. Вначале судно швырнуло в глубокую пропасть, а потом подняло почти вертикально на гору пенящейся воды. Экипаж, которому посчастливилось выжить, зафиксировал высоту волны — 34 метра. Двигалась она со скоростью 23 м/сек, или 85 км/ч. Пока что это считается самой высокой когда-либо измеренной волной-убийцей.

Во время Второй мировой войны, в 1942 году, лайнер «Королева Мария» вез 16 тыс. американских военных из Нью-Йорка в Великобританию (между прочим, рекорд по количеству человек, перевозимых на одном судне). Неожиданно возникла 28-метровая волна. «Верхняя палуба была на обычной высоте, и вдруг — раз! — она резко ушла вниз», — вспоминал доктор Норвал Картер, находившийся на борту злополучного корабля. Корабль накренился под углом 53 градуса — если бы угол составил хотя бы на три градуса больше, гибель была бы неизбежной. История «Королевы Марии» легла в основу голливудского фильма «Посейдон».

Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые приборно зафиксирована волна высотой в 25,6 метров, названная волной Дропнера. Проект «Максимальная волна» позволил по-новому посмотреть на причины гибели сухогрузов судов, которые перевозили контейнеры и другие немаловажные грузы. Дальнейшие исследования зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 20 метров. Новый проект получил название Wave Atlas (Атлас волн), в котором предусматривается составление всемирной карты наблюдавшихся волн-монстров и её последующую обработку и дополнение.

Причины возникновения

Существует несколько гипотез о причинах возникновения экстремальных волн. Многие из них лишены здравого смысла. Наиболее простые объяснения построены на анализе простой суперпозиции волн разной длины. Оценки, однако, показывают, что вероятность экстремальных волн в такой схеме оказывается слишком мала. Другая заслуживающая внимания гипотеза предполагает возможность фокусировки волновой энергии в некоторых структурах поверхностных течений. Эти структуры, однако, слишком специфичны для того, чтобы механизм фокусировки энергии мог объяснить систематическое возникновение экстремальных волн. Наиболее достоверное объяснение возникновения экстремальных волн должно основываться на внутренних механизмах нелинейных поверхностных волн без привлечения внешних факторов.

Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. Дальнейшее исследование привлекает эффекты нелинейности в ветровых волнах, способные приводить к образованию небольших групп волн (пакетов) или отдельных волн (солитонов), способных проходить большие расстояния без значительного изменения своей структуры. Подобные пакеты также неоднократно наблюдались на практике. Характерными особенностями таких групп волн, подтверждающими данную теорию, является то, что они движутся независимо от прочего волнения и имеют небольшую ширину (менее 1 км), причем высоты резко спадают по краям.

Впрочем, полностью прояснить природу аномальных волн пока не удалось.

Приливы и отливы

Приливами и отливами называются циклические изменений уровня
воды в мировом океане под воздействием гравитационной силы солнца или луны.
Отмечают, что сила солнечного притяжения в два раза меньше, чем лунного,
поэтому солнечные приливы и отливы проходят практически незаметно. Поскольку воды
океанов и морей составляют ¾ от всего объема гидросферы, влияние ближайшего
спутника земли на водные ресурсы интересует ученых на протяжении многих лет.

Несмотря на частоту и заметность этого явления приливы и
отливы не несут существенной угрозы, кроме судов, которым приходится заходить
на материковые реки по каким-либо причинам. В этом случае, игнорирование цикла
изменения высоты воды в мировом океане способно привести к крушению или
серьезным повреждениям.

Человечество пытается приспособить силу приливных волн для
получения энергии, поскольку доля вод мирового океана в гидросфере составляет
70,8%, но пока это направление развивается очень медленно и неохотно.

Причины

Батиметрия на плато Кергелен в Южном океане регулирует ход Кергелен глубокой западной границе течения , части глобальной сети океанических течений.

Динамика океана определяет и описывает движение воды в океанах. Поля температуры и движения океана можно разделить на три отдельных слоя: смешанный (поверхностный) слой, верхний слой океана (выше термоклина) и глубинный океан. Океанские течения измеряются в sverdrup (sv) , где 1 sv эквивалентен объемному расходу 1 000 000 м 3 (35 000 000 куб. Футов) в секунду.

Поверхностные течения, которые составляют только 8% всей воды в океане, обычно ограничиваются верхним слоем воды океана 400 м (1300 футов) и отделены от нижних областей за счет изменения температуры и солености, которые влияют на плотность воды , который, в свою очередь, определяет каждый океанический регион. Поскольку движение глубокой воды в океанских бассейнах вызывается силами, зависящими от плотности, и гравитацией, глубокие воды опускаются в глубокие океанические бассейны в высоких широтах, где температуры достаточно низкие, чтобы вызвать увеличение плотности.

Циркуляция, приводимая в движение ветром

Поверхностные океанические течения вызываются ветровыми течениями, преобладающие крупномасштабные ветры вызывают основные устойчивые океанические течения, а сезонные или случайные ветры вызывают течения, имеющие такую ​​же постоянство, что и ветры, которые их двигают, и эффект Кориолиса играет важную роль в их развитии. Распределение скорости по спирали Экмана приводит к тому, что течения, текущие под углом к ​​движущемуся ветру, образуют типичные спирали по часовой стрелке в северном полушарии и вращение против часовой стрелки в южном полушарии . Кроме того, области поверхностных океанских течений несколько меняются в зависимости от времени года ; это наиболее заметно в экваториальных течениях.

Глубоководные океанические бассейны обычно имеют несимметричное поверхностное течение, т. Е. Проточная ветвь восточного экватора широкая и диффузная, тогда как западное пограничное течение, протекающее в направлении полюса, относительно узкое.

Термохалинное кровообращение

Глубокие океанические течения обусловлены градиентами плотности и температуры. Эта термохалинная циркуляция также известна как конвейерная лента океана. Эти течения, иногда называемые подводными реками, текут глубоко под поверхностью океана и скрыты от немедленного обнаружения. Там, где наблюдается значительное вертикальное движение океанских течений, это называется апвеллингом и даунвеллингом . В настоящее время глубоководные океанические течения исследуются с помощью флота подводных роботов под названием Арго .

Термохалинная циркуляция является частью крупномасштабной циркуляции океана, которая вызвана глобальными градиентами плотности, создаваемыми поверхностным теплом и потоками пресной воды . Прилагательное термохалин происходит от термо- относящегося к температуре и -халинного, относящегося к содержанию соли , факторов, которые вместе определяют . Поверхностные течения, вызываемые ветром (такие как Гольфстрим ), движутся к полюсам от экваториальной части Атлантического океана , охлаждают по пути и в конечном итоге опускаются в высоких широтах (образуя глубокие воды Северной Атлантики ). Затем эта плотная вода стекает в бассейны океана . Хотя основная его часть поднимается вверх в Южном океане , самые старые воды (с временем прохождения около 1000 лет) поднимаются вверх в северной части Тихого океана. Таким образом, между океанскими бассейнами происходит интенсивное перемешивание, уменьшая различия между ними и делая океаны Земли глобальной системой. В своем путешествии водные массы переносят по земному шару как энергию (в виде тепла), так и материю (твердые, растворенные вещества и газы). Таким образом, состояние циркуляции оказывает большое влияние на климат Земли. Термохалинную циркуляцию иногда называют океанской конвейерной лентой, великим океанским конвейером или глобальной конвейерной лентой. Иногда его неточно используют для обозначения меридиональной циркуляции опрокидывания, MOC .

Объединив данные, собранные НАСА / Лабораторией реактивного движения с помощью нескольких различных спутниковых датчиков, исследователи смогли «прорваться» через поверхность океана, чтобы обнаружить «медиков» — сверхсоленые водовороты в теплой воде, которые берут начало в Средиземном море, а затем тонут еще больше. чем в полумиле под водой в Атлантическом океане. Медди показаны красным на этом научном рисунке.

Измеритель тока записи

Причины образования течений в мировом океане

Широкие движения воды, составляющей мировой океан, перемещаются в горизонтальном направлении. Процесс перемещения носит название течения.

Факторы, приводящие к возникновению течений, подразделяются на внешние и внутренние. Первая группа представлена в виде списка:

• влияние ветра;

• приливы;

• неоднородность рельефа;

• разница атмосферного давления.

Схема направления основных течений мирового океана показана на рисунке ниже.

Ключевой фактор перемещения воды – ветер. Влияние последнего обусловливает формирование мелких потоков – неровностей на поверхности воды. Это приводит к образованию энергии между ветром и водными массами, способствующей появлению волновых движений. Напряжение распространяется сверху вниз (с поверхностных слоев на глубинные). В основе процесса лежит явление турбулентной вязкости жидкости, что способствует становлению дрейфового течения. 

Ветер действует как на поверхностные слои, так и на береговые составляющие океана. Отклонение воды от берега осуществляется под наклоном. Так образуются течения по градиенту (градиентные).

Приливы зависят от вращения Луны и Солнца. Планета совершает полный оборот в течение суток, этим объясняется периодичность приливов. 

Силы притяжения связаны с суточными изменениями. Ряд исследователей рассматривают приливы, как источник турбулентного (с завихрениями, хаотичного, без четкой направленности) потока воды.

Атмосферные изменения влекут за собой деформации поверхностного рельефа (слоя воды) мирового океана, формируя течения. Последние также зависят от температурных характеристик, плотности воды, которые варьируют на разной глубине.

В таблице представлены известные течения.

Теории происхождения Мирового океана

Принято считать, что происхождение океанической воды глубинное. Согласно этой теории, она была образована во время дифференцировки первичного вещества Земли. Ныне она представляет собой раствор неорганических солей, концентрация которого сильно варьируется от региона к региону и зависит от множества внешних факторов. Этот раствор поступает к мантии планеты во время извержения вулканов по областям глубинных разломов.

Колебания уровня океанов на протяжении миллионов лет находились в зависимости от движений тектонических плит, изменениям глубины и объёма впадин, образованием и таянием на материках гигантских ледяных покровов. Для ранних периодов истории планеты хронология изменений уровня Мирового океана выяснена ещё не полностью, но последний миллион лет наивысший и самый низкий уровни воды океана имеют довольно точную датировку.

Наука, к сожалению, ещё достаточно далека от разгадки величайшей тайны в истории – тайны появления жизни. Но тщательное изучение истории Мирового океана способно пролить свет на некоторые аспекты данной проблемы. Уже полученные данные помогают в решении самых сложных задач, которые также входят в вопрос о зарождении всего  живого. Так, например, выяснена и детально изучена роль океанов в процессах биологической эволюции. Учёные весьма убедительно продемонстрировали, что зародившаяся жизнь с океанскими водами была тесно взаимосвязана: она не только зависела от них, но и стала мощным преобразователем всей Земли, поскольку из-за жизнедеятельности уже существовавших водных организмов значительно менялся качественный и количественный состав всей гидросферы.

Самые крупные споры возникают при обсуждении образования и формирования дна океана. В отношении данной проблемы разработано несколько интересных концепций. С течением времени они несколько видоизменяются, поскольку с результатами всё новых исследований приходят свежие данные о том или ином аспекте каждой, а также отпадают нежизнеспособные теории.

Так, к примеру, гипотеза о формировании рельефа дна Тихого океана в результате отрыва от Земли ещё части, которая в дальнейшем превратилась в Луну, была опровергнута. Современные представления об этом, как правило, основываются на информации об особенностях движения земной коры под океанами и распределении геофизических полей.

Морские геологи достигли невероятных успехов в изучении слоёв осадочных пород на дне, а также физический и географических условий, в которых эти слои образовывались. Дня некоторых периодов удалось просчитать температуры Мирового океана в разных его регионах, солёность воды, её циркуляцию. Стало возможным представить общую схему развития основной части гидросферы на протяжении практически всего её существования, Постепенно становятся известными многие занятные подробности, которые способствуют восполнению пробелов в знаниях об истории великого земного океана.

Свойства вод Мирового океана

Океан справедливо принято считать главнейшим аккумулятором тепла на Земле. Его средняя температура равна 17 градусам тепла по Цельсию.

Вся толща воды нагревается Солнцем намного медленнее поверхности суши и очень неравномерно. Сперва тепло накапливается в верхних слоях воды, и лишь затем намного более медленно проникает к самому дну. Многие испробовали это на себе. Так, плавая жарким летним днём в водоёме – озере, реке или даже море (особенно в море) – легко ощутить разницу в температуре у поверхности и у дна. И если наверху вода может оказаться очень тёплой, то ноги вполне могут занеметь от холода. Это объясняется тем, что вода и большинство водных растворов солей крайне плохо проводят тепло. Данное общее свойство работает и для вод Мирового океана, которые, как отмечалось выше, представляют собой раствор многих солей.

Таким образом, поскольку тепло отдаётся водой довольно медленно, то обогрев той части планеты, которая находится вне досягаемости солнечных лучей (иными словами, как раз та, где в некоторый момент времени ночь), происходит именно за счёт накопленного океаном тепла.

Ещё одним интересным свойством является температура замерзания океанских вод. Всем давно известен и привычен тот факт, что вода в нормальных условиях замерзает при 0 градусов по Цельсию. Но для морской воды это несколько иначе. Дело в том, что тем больше вещества присутствует в растворе и чем меньше в нём доля растворителя, тем сильнее понижается температура замерзания субстанции. Что это значит? Океаническая вода замерзает при более низкой температуре, которая в среднем составляет приблизительно 4 градуса мороза по Цельсию.

На количестве растворённой соли (то есть, на солёности – о ней речь пойдёт немного ниже) базируется ещё одно свойство вод Мирового океана. Показатели плотности и солёности вод прямо пропорциональны друг другу: чем выше концентрация соли, тем выше плотность раствора, то есть, как было условлено раньше, воды. Таким образом, плотность разнится от региона к региону.

Общеизвестно, что в северных широтах на поверхности океанов могут образовываться айсберги. Их плотность намного меньше, чем плотность воды, и именно поэтому они как бы дрейфуют по ней.

Анатомия волны

Периодическое колебание вод относительно положения равновесия называется волной.

У нее выделяют следующие элементы:

• подошва – нижняя плоскость;
• гребень (лип, от английского lip – губа);
• фронт – линия гребня;
• труба (tube/barrel) – участок, где гребень смыкается с подошвой;
• стенка (wall) – наклонная часть, по которой скользит серфер;
• плечо – участок, где стенка становится пологой;
• пик – точка падения волны;
• impactzone – место, куда обрушивается лип.

Из-за изменчивости волн измерять их чрезвычайно трудно. Оценивают колебания несколькими параметрами.

Высота – расстояние от подошвы до гребня. Измеряют ее по-разному. В сводках для серферов указывают перепад в колебании метеорологических буев. Иногда высоту волны указывают в «ростах».

Так как спортсмен скользит по волне, согнувшись, 1 «рост» равен приблизительно 1,5 метра.

Длина – расстояние между смежными гребнями.

Крутизна – отношение высоты к длине волны.

Период – время между двумя волнами в группе (сете).

Типы

Серфинг по каменистому дну с неровной поверхностью. Порто-Кову , западное побережье Португалии

Со временем развиваются три разных типа ветровых волн:

• Капиллярные волны или рябь, в которых преобладают эффекты поверхностного натяжения.
• Гравитационные волны

  Море, поднятые местами ветром.

  , в которых преобладают гравитационные и инерционные силы.

• Волны , которые ушли от места, где они были подняты ветром, и в большей или меньшей степени рассеялись.

Волны появляются на гладкой воде, когда дует ветер, но быстро исчезнут, если ветер прекратится. Возвращающая сила, которая позволяет им распространяться, — это поверхностное натяжение . Морские волны представляют собой крупномасштабные, часто нерегулярные движения, возникающие при устойчивых ветрах. Эти волны, как правило, длятся намного дольше, даже после того, как ветер стих, а восстанавливающая сила, которая позволяет им распространяться, — это гравитация. По мере того, как волны распространяются от своей области происхождения, они естественным образом разделяются на группы с общим направлением и длиной волны. Наборы волн, сформированные таким образом, известны как зыби. Тихий океан является 19,800km от Индонезии до побережья Колумбии и, основываясь на средней длину волны 76.5m, будет иметь \ 258,824 набухает над этой шириной.

Отдельные « волны- убийцы» (также называемые «волнами-убийцами», «волнами-чудовищами», «волнами-убийцами» и «волнами короля») могут возникать намного выше, чем другие волны в состоянии моря . В случае волны Драупнера ее высота 25 м (82 фута) была в 2,2 раза больше высоты значительной волны . Такие волны отличаются от приливов и отливов , вызвано Луны и Солнца «s гравитационного притяжения , цунами , которые вызваны подводных землетрясений или оползней и волн , генерируемых подводных взрывов или падения метеоритов -Все , имеющие гораздо более длинные длины волн , чем ветровые волны.

Самые большие из когда-либо зарегистрированных ветровых волн — это не волны-убийцы, а стандартные волны в экстремальных морских условиях. Например, на RRS Discovery были зарегистрированы волны высотой 29,1 м (95 футов) в море со значительной высотой волны 18,5 м (61 фут), так что самая высокая волна была только в 1,6 раза больше высоты значительной волны. Самый большой зарегистрированный буй (по состоянию на 2011 год) был 32,3 м (106 футов) в высоту во время в от Тайваня.

Приливные и сейсмические волны

Приливные волны

Приливными волнами называют явления, возникающие от воздействия сил притяжения Солнца и Луны и вызывающие периодические характерные колебания уровня водных масс в Мировом океане. Приливная деятельность начинает формироваться от влияния Луны и Солнца, но, по причине большей удаленности Солнца, приливы спровоцированные им случаются не так часто, как из-за Луны (их в два раза меньше). Основное влияние на приливную деятельность оказывают острова и очертания линии берега. Данная причина может объяснить то, как колебания Мирового океана во время приливов на одинаковой широте изменяются в более широких пределах. Возле островов приливы совсем не значительные, а вот в открытых водах, вода поднимается до 1 метра. На много больших значений приливы могут достигать в заливах, имеющих извилистые берега, проливах и речных устьях.

Сейсмические волны

Причина, из-за которой начинают формироваться сейсмические волны (цунами) — это изменение рельефа на морском дне, которое происходит из-за передвижений литосферных плит, в следствии чего могут появляться поднятия, провалы, оползни или землетрясения. Нужно подчеркнуть, что механизм, при котором зарождаются сейсмические волны, имеет прямую зависимость от характера процессов, которые преобразуют рельеф на океаническом дне. К примеру, во время образования цунами в водах открытого океана при появлении трещины или провала на дне, вода сразу же стремиться попасть в центр появившегося углубления, наполнив вначале его, а потом переполняет, образуя гигантский по объему водяной столб на поверхности мирового океана.

Перед тем как начинается процесс образования цунами и их обрушение на береговую линию, обычно предшествует серьезное понижение уровня воды. Буквально за пару минут вода начинает отступать от берега на несколько сотен метров, а в редких случаях на километры, после чего на береговую линию начинается обрушение цунами. Сразу же за первой, самой большой и разрушительной волной приходят еще 2-5 волн небольшого размера.

Скорость передвижения волн цунами очень высока и может достигать 150 — 900 км/ч. При обрушении на города и поселки, находящиеся на береговой линии в зоне их воздействия, они могут нанести серьезные разрушения и способны уносить жизни людей. Одно из самых разрушительных цунами произошло в 2004 году в Индийском океане, из-за него погибло больше чем 200 000 человек, а ущерб причиненный им составил миллиарды долларов.

В наше время появление цунами можно предсказать с максимально высоким коэффициентом точности. Базируются эти прогнозы на наблюдениях и контроле сейсмической активности под водными массами Мирового океана. Обычно, прогнозы делаются на основе таких наблюдений как:

• акустическое наблюдение;
• мониторинг при помощи мареографов;
• сейсмический мониторинг.

Эти способы дают возможность вырабатывать и предпринимать определенные меры, которые направлены на обеспечение безопасности.

Влияние давления атмосферы

В морях подобное влияние давления атмосферы на их различные части сказывается значительно на течениях в проливах, соединяющих их с океанами или другими морями. Например, Гольфстрим в своем начале во Флоридском проливе, случается, обладает большей скоростью при северных, т. е. противных, ветрах и меньшей при южных, попутных. Такое несоответствие объясняется влиянием давления атмосферы; когда северные ветры дуют над Гольфстримом во Флоридском проливе, тогда над Мексиканским заливом бывает слабое давление атмосферы, отчего уровень в заливе повышается, уклон к Флоридскому проливу увеличивается, а это в свою очередь ускоряет вытекание воды из залива через Флоридский пролив к северу. Южные же ветры бывают во Флоридском проливе при условии существования над Мексиканским заливом высокого давления, почему тогда уровень в заливе понижается и уклон уровня во Флоридском проливе становится меньше, а следовательно, и скорость течения уменьшается, несмотря на попутные ветры.