Движение водных масс в бухтах 5. Курс лекций

Колебательные движения всей массы воды в водохранилище или озере называют сейшами. Поверхность воды при этом приобрета­ет уклон то в одну, то в другую сторону. Ось, вокруг которой колеблет­ся поверхность водоема, называется узлом сейши. Сейши могут быть одноузловые (рис. 40, и), двухузловые (рис. 40, б) и т. д.

Рис. 40. Сейши

Сейши возникают при резких изменениях атмосферного давления, прохождении грозы, при резких изменениях силы и направления вет­ра, способных раскачать массу воды. Водная масса, стремясь возвра­титься в прежнее положение равновесия, приходит в колебательное движение. Колебания под воздействием трения будут постепенно за­тухать. Траектории частиц воды в сейшах подобны траекториям, на­блюдаемым в стоячих волнах.

Чаще всего сейши имеют высоту от нескольких сантиметров до метра. Периоды колебаний сейш могут быть от нескольких минут до 20 ч и более. Например, в приплотинной части Цимлянского водохра­нилища наблюдаются одноузловые сейши с периодом 2 ч и высотой 5-8 см.

Тягун представляет собой резонансные волновые колебания воды в портах, бухтах и гаванях, вызывающие циклические горизонталь­ные движения судов, стоящих у причалов. Период колебаний воды при тягуне от 0,5 до 4,0 мин.

Тягуны создают длиннопериодные стоячие волны, где частицы воды движутся по орбитам узлов. Однако под вершиной и подошвой волны движение их направлено вертикально. Период колебания поверхности воды и скорость движения частиц зависят в основном от конфигурации берегов и глубины бассейна.

Порт не является полностью замкнутым бассейном, он сообщается с открытым водоемом или морем сравнительно узким проходом. Лю­бое колебание воды в этом проходе под действием внешних сил вызывает собственные колебания воды в бассейне. Внешними силами могут быть:

послештормовая долгопериодная зыбь; барические волны, возникаю­щие после быстрого выхода циклона и антициклона с моря на сушу;

внутренние волны, образующиеся под действием штормов в открытом море или озере, которые, приближаясь к мелководью, выходят на поверхность и проникают на акваторию порта. Если период внешней силы близок к периоду собственных колебаний воды портовой аквато­рии, то эти колебания быстро нарастают и достигают наибольшей ве­личины. После прекращения действия внешних сил колебания зату­хают.

В зависимости от того, в какой точке тягуна находится судно, оно испытывает или горизонтальные, или вертикальные перемещения. Если размеры судна и места крепления швартовов таковы, что период его собственных колебаний близок или совпадает с периодом сейш, то возникают сильные резонансные движения. Причем рядом может находиться судно, которое практически не испытывает действие тягуна, так как оно отличается от первого размерами, массой, периодами качки и собственных колебаний.

Во время тягунов пассажирские суда вынуждены отходить на рейд, так как стоянка у причалов становится невозможной, а грузовые - прекращать работы. Даже при очень маленьких ускорениях в дви­жении судна возникают ударные силы, способные повредить его кор­пус. Тягуны воздействуют на суда неодинаково, поэтому судоводите­ли должны знать их особенности в данном порту, период колебаний воды в акватории, а также особенности поведения своего судна при тягуче.

При изменении объема воды (прихода и расхода), а также при дви­жении водной массы в озерах происходят колебания уровней воды. Чем больше изменение водного объема, тем больше амплитуда колеба­ний уровня воды (она может быть от 2-3 см и до нескольких метров).

Величина колебаний уровня во многом зависит от площади и ха­рактера берегов озера. В течение года в отдельных климатических зонах периоды колебаний уровня бывают различны. В северных ши­ротах наибольшие колебания бывают в начале лета и наименьшие в конце весны. На северо-западе европейской части СССР в течение года максимальные уровни бывают весной и осенью и минимальные - зимой и летом. В озерах средней части Сибири (например, на Байкале) наи­больший уровень наступает летом, а наименьший осенью, зимой и весной.

Вынесенная в заголовок фраза является буквальным переводом японского слова "цунами" и обозначает уникальное природное явление: несколько следующих друг за другом длинных океанских волн, порождаемых резкими смещениями значительных участков дна океана, вызванными землетрясениями.

Образовавшиеся на больших глубинах цунами представляют собой поперечную длинную волну (длиной 100-300 километров) малой высоты (не более 2 метров), распространяющуюся со скоростью около 0,2 километра в секунду (700 километров в час), их период равен 15-60 минутам. Но при выходе на мелководье эти волны резко увеличиваются по высоте, уменьшается их длина, гребни начинают разрушаться и по существу формируются огромные волны перемещения, к которым собственно и относится название "цунами". В некоторых случаях высота волн достигает 30-40 метров.

Наступлению цунами на берег обычно предшествуют понижение уровня моря и приход сравнительно небольших волн. Затем может быть вторичное понижение уровня, и после этого приходит цунами. За первой волной, как правило, приходит еще несколько волн большей величины с интервалами от 15 минут до 1-2 часов. Обычно максимальной бывает третья или четвертая волна.

Волны проникают в глубь суши в зависимости от ее рельефа иногда на 10-15 километров и, обладая большой скоростью, вызывают огромные разрушения. После получения предупреждения о цунами необходимо вывести судно в открытое море навстречу волне.

В прибрежных районах нередки случаи образования другого природного феномена – крупных стоячих волн – сулоя, что означает водоворот, толчею. Небольшие сулои наблюдаются в Черном море (в Керченском проливе), более сильные – в узкостях у тихоокеанских берегов Канады, шхерах Скандинавии. Но наибольших размеров сулои достигают в мелководных районах с сильными реверсивными течениями – в Курильских проливах, в проливах Сингапурском, Портленд-Ферте и др. (до 4-х метров). Образование сулоев обычно связывают с взаимодействием двух встречных потоков воды (рис. 4.36,а.). При этом во фронтальной зоне образуются вихри, выходящие на поверхность в виде беспорядочных волн, причем энергия этих волн тем больше, чем больше скорость потоков.

Сулои могут появляться и в результате выхода потока на мелководье. В этом случае образуются большие градиенты скоростей в струе воды, разрывы потока, вихри и как следствие волны на поверхности (рис. 4.36,б).

Наибольшей своей величины сулои достигают во время максимальных скоростей приливных течений. Эта зависимость сулоев от характера прилива позволяет весьма надежно их прогнозировать.

Сулой весьма опасен для мореплавания. Суда, проходя через сулой, испытывают неприятную беспорядочную качку, сбиваются с курса, высокая волна может сорвать с креплений механизмы и спасательные средства. Пересечение таких районов мелкими судами грозит им гибелью.

Когда вода в море имеет скачок плотности на какой-либо глубине, то на границе между верхним менее плотным слоем и нижним – с резко увеличенной плотностью, могут возникнуть волны, называемые внутренними волнами.

Внутренние волны могут иметь высоту в несколько раз большую, чем поверхностные волны (до 90 м, период до 8 мин).

При возбуждении внутренних волн наблюдается явление, известное под названием «мертвой воды».

Судно на мертвой воде теряет ход и при полной работе машин может оставаться почти на месте.

Поверхность моря при следовании по «мертвой воде» в штиль приобретает необычный вид. За кормой сильно увеличиваются поперечные волны, впереди судна появляется огромная волна, которую корабль вынужден толкать. На «мертвой воде» возникают почти такие же волновые движения, как при следовании судна по мелководью. Если скорость судна совпадает со скоростью распространения свободных внутренних волн, то при своем движении судно создает не только обычные корабельные волны на поверхности воды, но и генерирует волны на поверхности раздела двух слоев – «легкого» верхнего и «тяжелого» нижнего. Волна возникает в том случае, когда слой раздела расположен приблизительно на глубине киля. При этом водные массы верхнего слоя толщиной, равной осадке судна, движутся в обратном направлении и вызывают потерю скорости корабля, волновое сопротивление сильно возрастает, так как судну приходится «тащить за собой» внезапно возникшую волну. Этим явлением и объясняется «мертвая вода».

Явление «мертвой воды» встречается повсеместно вблизи устьев крупных рек - Амазонки, Ориноко, Миссисипи, Лены, Енисея и др. Но особенно часто оно наблюдается в норвежских фиордах и в арктических морях в штилевую весеннюю погоду при ледотаянии, когда относительно тонкий слой почти пресной воды располагается над высокосоленой и плотной морской водой.

Внутренние волны представляют серьезную угрозу подводной навигации. Это проявляется и в прямом, физическом, воздействии внутренних волн, внутреннего прибоя на подводные лодки, и в косвенном - усложнении условий прохождения звука в воде.

Глубокое изучение структуры крупных океанских течений выяснило, что эти потоки представляют собой далеко не "реку в жидких берегах", как думалось раньше. Оказалось, что течения состоят из ряда перемежающихся струй, движущихся с различной скоростью. Причем в потоке Гольфстрима была измерена скорость 2,7 м/с (5,2 узла). Кроме того, обнаружилось, что по обеим сторонам основного потока имеются узкие противотечения (могут достигать 2 узлов).

Выяснилась и еще одна интересная особенность течений: потоки изгибаются в пространстве, образуя излучины – подобно речным меандрам. Меандры, увеличиваясь в размерах, перемещаются вместе с течением, а иногда отрываются от него и движутся самостоятельно. Оторвавшиеся меандры образуют вихри самых различных величин. Слева от генерального потока вихри вращаются по часовой стрелке, справа – против. Скорость течения в этих завихрениях составляет до 2,0 узлов.

Наблюдения показали, что, например, в поле Гольфстрима образуются по 5-8 пар циклонов и антициклонов в год. Наиболее развитые циклоны Гольфстрима имеют диаметр до 200 км и захватывают слой водных масс почти до ложа океана (2500-3000 м). Циклоны Гольфстрима дрейфуют в основном на юго-запад со скоростью до 3 миль в сутки.

Открытие вихрей имеет большое значение для навигации в открытом океане. Система циркуляции вихрей и есть то реальное поле течений, которое воздействует на находящееся в океане судно. Проходя районы с постоянными течениями, нанесенными на гидрометеорологические карты и атласы, судоводители должны знать, что реальная изменчивость направлений и скоростей течений, а следовательно, и фактический снос судна могут сильно отличаться от дирекционного направления течения.

Многие мореплаватели отмечали, что зачастую, особенно в тропических широтах, в темное время суток хорошо заметно свечение воды, набегающей на форштевень судна; светится бурлящая вода у бортов, обтекая корпус, за кормой образуется клубящаяся, постепенно суживающаяся и затухающая светлая полоса. Свечение воды выделяет на общем фоне моря берег, скалы, рифы, отмели, буи, суда и молы.

Как выяснили гидробиологи, свечение моря вызывается в основном биолюминесценцией морских организмов. Чаще всего встречается искрящееся или мерцающее свечение разнообразных одноклеточных и многоклеточных существ планктона величиной от десятков микрон до нескольких миллиметров. Когда таких светящихся существ много, отдельные точки света сливаются в неравномерное сияние. Это свечение возникает при механическом раздражении организмов, например, при движении животных и рыб, при ударе веслом по воде, а также при химическом воздействии.

С давних пор моряки, возвратившиеся из тропических морей Юго-Восточной Азии, рассказывали о встречавшихся там гигантских, диаметром по несколько миль, светящихся колесах, вращающихся с большой скоростью на поверхности моря. Западноевропейские моряки окрестили их «дьявольской каруселью», на Востоке их называют «колеса Будды».

Объяснением этих явлений можно считать образование мелкомасштабных вихрей. Такие вихри и водовороты возникают по краям течений, в местах стыка различно направленных потоков любого происхождения, где глубина невелика, сильны приливо-отливные течения и возникают внутренние волны.

Падающие ветры

Общим названием «падающие ветры» объединены прибрежные ветры, наблюдающиеся в предгорных районах некоторых морей; эти ветры в различных местностях называются по-разному: фен, бора, мистраль, сарма. Их объединяют такие качества, как внезапность, большая сила и характер воздействия на суда. Немало судов терпело аварии во время боры вблизи Новоземельских берегов, у берегов Гренландии, на рейдах таких крупных портов, как Триест, Марсель, Новороссийск.

Скорость падающих ветров достигает у поверхности моря 40 метров в секунду, а при порывах 50-60. Естественно, они представляют большую опасность для прибрежного судоходства, для стоянки судов на рейде и у причалов, для работы портов.

При изучении этого явления исследователи обратили внимание на то, что бора бывает, как правило, зимой, причем в тех местностях, где прибрежные горы ограничивают довольно высокую равнину, которая зимой сильно выхолаживается. Над равниной часто образуется область высокого давления, в то время как над морем сохраняется циклоническая область. Из-за этого возникают большие горизонтальные градиенты, которые приводят в движение огромные массы холодного воздуха. Вследствие действия силы тяжести скорость движения воздуха резко возрастает при его перевале через хребет.

Бурное падение холодного воздуха на поверхность бухт создает сильное волнение в прибрежной зоне, при отрицательных температурах водяные брызги вызывают обледенение судов и портовых сооружений. Ледовая броня доходит до 4 метров, что нередко вызывает катастрофические последствия. По вертикали бора распространяется на 200-300 метров, а по горизонтали – всего на несколько миль от берега.

Механизм образования фена немного иной. Собственное название ветра «фен» (теплый) дает ключ к пониманию природы явления. Установлено, что фен образуется благодаря значительной разности между атмосферным давлением в глубине суши и над морем. При прохождении циклона над морем вблизи побережья, когда в глубине суши сохраняется ядро высокого давления, барическое поле формирует потоки воздушных масс, направленные со стороны суши к морю. И если на пути этих потоков встречаются горы, то массы воздуха, накапливаясь за хребтом, начинают медленно подниматься. Температура воздуха при его подъеме падает, а влажность постепенно возрастает и в некоторой точке достигает максимума.

На вершине гребня, где воздух перенасыщен водяным паром, он начинает конденсироваться, образуя облачный вал, покрывающий весь горный хребет, - возникает характерная «феновая стена». С этой высоты воздух устремляется к морю, нагреваясь, поэтому на побережье он приходит с более высокой температурой и небольшой влажностью.

Иногда при соответствующих погодных условиях образуются маломасштабные атмосферные вихри – смерчи (или как их иногда называют – торнадо, тромбы, тифоны).

Обычный смерч образуется следующим образом: в результате интенсивных восходящих потоков воздуха край грозного облака начинает подниматься, закручиваясь горизонтально вокруг оси, параллельной границе облачности, - образуется ротор небольших размеров. Ротор, быстро вращаясь, опускается одним концом (обычно левым по движению облака) к земле в виде воронки. Эта воронка - основная составляющая смерча - представляет собой спиральный вихрь, состоящий из чрезвычайно быстро вращающегося воздуха.

Внутренняя полость воронки диаметром от нескольких метров до немногих сотен метров представляет собой пространство, ограниченное стенками; оно почти чистое, безоблачное, иногда от стенки до стенки проскакивают небольшие молнии; движение воздуха в нем ослабевает. Давление здесь резко падает – порой на 180-200 мб. Такое катастрофически быстрое падение давление служит причиной своеобразного эффекта; полые предметы, в частности дома, другие постройки, шины автомобилей, при соприкосновении с воронкой смерча взрываются.

Непосредственных замеров скорости ветра в смерчах нет: ни один прибор не выдерживает огромных ускорений. Однако специалисты по сопротивлению материалов высчитали эти скорости по характеру разрушений и аварий: до 170-200 м/с, а иногда даже 350-360 м/с – больше скорости звука.

Время существования смерча различно и составляет от нескольких минут до нескольких часов.

Скорость продвижения смерчей также различна. Иногда облако движется очень медленно, почти стоит на месте, иногда несется с большой скоростью. Метеорологи определяют среднюю скорость передвижения смерчей 40-60 км/ч, но иногда эта скорость доходит до 200 км/ч. При своем движении смерч проходит путь, равный в среднем 20-30 км. Однако нередки случаи прохождения смерчей 100-120 км.

Морские водяные смерчи обычно возникают группами из одного материнского облака. Чаще всего они образуются и достигают наибольшей силы у грозовых кучево-дождевых облаков. Иногда они сопровождают тропические циклоны.

Смерчи видны с достаточно большого расстояния, хорошо обнаруживаются на экране радиолокатора, и поэтому, увидев приближение этого природного образования, судоводители должны принять меры к тому, чтобы избежать с ним встречи.

На море давно замечены редкие, но очень опасные явления: - потеря плавучести во время извержения подводных вулканов, которых в океанах очень много (при этом образуется водо-воздушная смесь) или из-за прорыва газа со дна моря.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует напомнить основное правило моряка – ничего второстепенного на море нет . В данный конкретный момент времени, в данном месте наиболее сильно может проявиться действие какого-либо природного фактора, в результате чего наступают последствия – вплоть до катастрофы.

Поэтому судоводитель должен всегда «считать свое место ближе к опасности» не только в буквальном навигационном понимании этого, но и при учете всех других условий плавания. Даже простое знание самого фактора влияния этих явлений на судовождение, а тем более качественная оценка эффекта позволяют свести к минимуму возможные негативные последствия.

ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ, периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики.

Самый высокий уровень воды, наблюдаемый за сутки или половину суток во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива - малой водой, а момент достижения этих предельных отметок уровня - стоянием (или стадией) соответственно прилива или отлива. Средний уровень моря - условная величина, выше которой расположены отметки уровня во время приливов, а ниже - во время отливов. Это результат осреднения больших рядов срочных наблюдений. Средняя высота прилива (или отлива) - осредненная величина, рассчитанная по большой серии данных об уровнях полных или малых вод. Оба этих средних уровня привязаны к местному футштоку.

Вертикальные колебания уровня воды во время приливов и отливов сопряжены с горизонтальными перемещениями водных масс по отношению к берегу. Эти процессы осложняются ветровым нагоном, речным стоком и другими факторами. Горизонтальные перемещения водных масс в береговой зоне называют приливными (или приливо-отливными) течениями, тогда как вертикальные колебания уровня воды - приливами и отливами. Все явления, связанные с приливами и отливами, характеризуются периодичностью. Приливные течения периодически меняют направление на противоположное, тогда как океанические течения, движущиеся непрерывно и однонаправленно, обусловлены общей циркуляцией атмосферы и охватывают большие пространства открытого океана (см. также ОКЕАН).

В переходные интервалы от прилива к отливу и наоборот трудно установить тренд приливного течения. В это время (не всегда совпадающее со стоянием прилива или отлива) вода, как говорят, «застаивается».

Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Объяснение происхождения приливообразующих сил.

Хотя Солнце играет существенную роль в приливо-отливных процессах, решающим фактором их развития служит сила гравитационного притяжения Луны. Степень воздействия приливообразующих сил на каждую частицу воды, независимо от ее местоположения на земной поверхности, определяется законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс обеих частиц и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом подразумевается, что чем более масса тел, тем больше возникающая между ними сила взаимного притяжения (при одинаковой плотности меньшее тело создаст меньшее притяжение, чем большее). Закон также означает, что чем больше расстояние между двумя телами, тем меньше между ними притяжение. Поскольку эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между двумя телами, в определении величины приливообразующей силы фактор расстояния играет значительно бóльшую роль, чем массы тел.

Гравитационное притяжение Земли, действующее на Луну и удерживающее ее на околоземной орбите, противоположно силе притяжения Земли Луной, которая стремится сместить Землю по направлению к Луне и «приподнимает» все объекты, находящиеся на Земле, в направлении Луны. Точка земной поверхности, расположенная непосредственно под Луной, удалена всего на 6400 км от центра Земли и в среднем на 386 063 км от центра Луны. Кроме того, масса Земли в 81,3 раза больше массы Луны. Таким образом, в этой точке земной поверхности притяжение Земли, действующее на любой объект, приблизительно в 300 тыс. раз больше притяжения Луны. Распространено представление, что вода на Земле, находящаяся прямо под Луной, поднимается в направлении Луны, что приводит к оттоку воды из других мест земной поверхности, однако, поскольку притяжение Луны столь мало в сравнении с притяжением Земли, его было бы недостаточно, чтобы поднять столь огромный вес.

Тем не менее океаны, моря и большие озера на Земле, будучи крупными жидкими телами, свободны перемещаться под действием силы бокового смещения, и любая слабая тенденция к сдвигу по горизонтали приводит их в движение. Все воды, не находящиеся непосредственно под Луной, подчиняются действию составляющей силы притяжения Луны, направленной тангенциально (касательно) к земной поверхности, как и ее составляющей, направленной вовне, и подвергаются горизонтальному смещению относительно твердой земной коры. В результате возникает течение воды из прилегающих районов земной поверхности по направлению к месту, находящемуся под Луной. Результирующее скопление воды в точке под Луной образует там прилив. Собственно приливная волна в открытом океане имеет высоту лишь 30-60 см, но она значительно увеличивается при подходе к берегам материков или островов.
За счет перемещения воды из соседних районов в сторону точки под Луной происходят соответствующие отливы воды в двух других точках, удаленных от нее на расстояние, равное четверти окружности Земли. Интересно отметить, что понижение уровня океана в этих двух точках сопровождается повышением уровня моря не только на стороне Земли, обращенной к Луне, но и на противоположной стороне. Этот факт тоже объясняется законом Ньютона. Два или несколько объектов, расположенные на разных расстояниях от одного и того же источника тяготения и подвергающиеся, следовательно, ускорению силы тяжести разной величины, перемещаются относительно друг друга, поскольку ближайший к центру тяготения объект сильнее всего притягивается к нему. Вода в подлунной точке испытывает более сильное притяжение к Луне, чем Земля под ней, но Земля, в свою очередь, сильнее притягивается к Луне, чем вода, на противоположной стороне планеты. Таким образом, возникает приливная волна, которая на обращенной к Луне стороне Земли называется прямой, а на противоположной - обратной. Первая из них всего на 5% выше второй.

Благодаря вращению Луны по орбите вокруг Земли между двумя последовательными приливами или двумя отливами в данном месте проходит примерно 12 ч 25 мин. Интервал между кульминациями последовательных прилива и отлива ок. 6 ч 12 мин. Период продолжительностью 24 ч 50 мин между двумя последовательными приливами называется приливными (или лунными) сутками.
Неравенства величин прилива.

Приливо-отливные процессы очень сложны, поэтому, чтобы разобраться в них, необходимо принимать во внимание многие факторы. В любом случае главные особенности будут определяться:

1) стадией развития прилива относительно прохождения Луны;

2) амплитудой прилива

3) типом приливных колебаний, или формой кривой хода уровня воды. Многочисленные вариации в направлении и величине приливообразующих сил порождают разницу в величинах утренних и вечерних приливов в данном порту, а также между одними и теми же приливами в разных портах. Эти различия называются неравенствами величин прилива.

Полусуточный эффект.

Обычно в течение суток благодаря основной приливообразующей силе - вращению Земли вокруг своей оси - образуются два полных приливных цикла. Если смотреть со стороны Северного полюса эклиптики, то очевидно, что Луна вращается вокруг Земли в том же направлении, в каком Земля вращается вокруг своей оси, - против часовой стрелки. При каждом следующем обороте данная точка земной поверхности вновь занимает позицию непосредственно под Луной несколько позже, чем при предыдущем обороте. По этой причине и приливы и отливы каждый день запаздывают приблизительно на 50 мин. Эта величина называется лунным запаздыванием.

Полумесячное неравенство.

Этому основному типу вариаций присуща периодичность примерно в 143/4 суток, что связано с вращением Луны вокруг Земли и прохождением ею последовательных фаз, в частности сизигий (новолуний и полнолуний), т.е. моментов, когда Солнце, Земля и Луна располагаются на одной прямой. До сих пор мы касались только приливообразующего воздействия Луны. Гравитационное поле Солнца также действует на приливы, однако, хотя масса Солнца намного больше массы Луны, расстояние от Земли до Солнца настолько превосходит расстояние до Луны, что приливообразующая сила Солнца составляет менее половины приливообразующей силы Луны. Однако, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой как по одну сторону от Земли, так и по разные (в новолуние или полнолуние), силы их притяжения складываются, действуя вдоль одной оси, и происходит наложение солнечного прилива на лунный. Подобным же образом притяжение Солнца усиливает отлив, вызванный воздействием Луны. В результате приливы становятся выше, а отливы ниже, чем если бы они были вызваны только притяжением Луны. Такие приливы называются сизигийными.

Когда векторы силы притяжения Солнца и Луны взаимно перпендикулярны (во время квадратур, т.е. когда Луна находится в первой или последней четверти), их приливообразующие силы противодействуют, поскольку прилив, вызванный притяжением Солнца, накладывается на отлив, вызванный Луной. В таких условиях приливы не столь высоки, а отливы - не столь низки, как если бы они были обусловлены только силой притяжения Луны. Такие промежуточные приливы и отливы называются квадратурными. Диапазон отметок полных и малых вод в этом случае сокращается приблизительно в три раза по сравнению с сизигийным приливом. В Атлантическом океане как сизигийные, так и квадратурные приливы обычно запаздывают на сутки по сравнению с соответствующей фазой Луны. В Тихом океане такое запаздывание составляет лишь 5 ч. В портах Нью-Йорк и Сан-Франциско и в Мексиканском заливе сизигийные приливы на 40% выше квадратурных.

Лунное параллактическое неравенство.

Период колебаний высот приливов, возникающий за счет лунного параллакса, составляет 271/2 суток. Причина этого неравенства состоит в изменении расстояния Луны от Земли в процессе вращения последней. Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. Этот расчет справедлив для порта Нью-Йорк, где эффект пребывания Луны в апогее или перигее обычно запаздывает примерно на 11/2 суток относительно соответствующей фазы Луны. Для порта Сан-Франциско разница в высотах приливов, обусловленная нахождением Луны в перигее или апогее, составляет только 32%, и они следуют за соответствующими фазами Луны с запаздыванием на двое суток.

Суточное неравенство.

Период этого неравенства составляет 24 ч 50 мин. Причины его возникновения - вращение Земли вокруг своей оси и изменение склонения Луны. Когда Луна находится вблизи небесного экватора, два прилива в данные сутки (а также два отлива) слабо различаются, и высоты утренних и вечерних полных и малых вод весьма близки. Однако с увеличением северного или южного склонения Луны утренние и вечерние приливы одного и того же типа различаются по высоте, и, когда Луна достигает наибольшего северного или южного склонения, эта разница максимальна. Известны также тропические приливы, называемые так из-за того, что Луна находится почти над Северным или Южным тропиками.

Суточное неравенство существенно не влияет на высоты двух последовательных отливов в Атлантическом океане, и даже его воздействие на высоты приливов мало по сравнению с общей амплитудой колебаний. Однако в Тихом океане суточная неравномерность проявляется в уровнях отливов втрое сильнее, чем в уровнях приливов.

Полугодовое неравенство.

Его причиной является обращение Земли вокруг Солнца и соответствующее изменение склонения Солнца. Дважды в год в течение нескольких суток во время равноденствий Солнце находится близ небесного экватора, т.е. его склонение близко к 0°. Луна также располагается вблизи небесного экватора приблизительно в течение суток каждые полмесяца. Таким образом, во время равноденствий существуют периоды, когда склонения и Солнца и Луны приблизительно равны 0°. Суммарный приливообразующий эффект притяжения этих двух тел в такие моменты наиболее заметно проявляется в районах, расположенных вблизи земного экватора. Если в то же самое время Луна находится в фазе новолуния или полнолуния, возникают т.н. равноденственные сизигийные приливы.
Солнечное параллактическое неравенство.

Период проявления этого неравенства составляет один год. Его причиной служит изменение расстояния от Земли до Солнца в процессе орбитального движения Земли. Один раз за каждый оборот вокруг Земли Луна находится на кратчайшем от нее расстоянии в перигее. Один раз в год, примерно 2 января, Земля, двигаясь по своей орбите, также достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелия). Когда эти два момента наибольшего сближения совпадают, вызывая наибольшую суммарную приливообразующую силу, можно ожидать более высоких уровней приливов и более низких уровней отливов. Подобно этому, если прохождение афелия совпадает с апогеем, возникают менее высокие приливы и менее глубокие отливы.

Методы наблюдений и прогноз высоты приливов.

Измерение уровней приливов осуществляется при помощи устройств различных типов.

Футшток - это обычная рейка с нанесенной на нее шкалой в сантиметрах, прикрепляемая вертикально к пирсу или к опоре, погруженной в воду так, что нулевая отметка находится ниже наиболее низкого уровня отлива. Изменения уровня считывают непосредственно с этой шкалы.

Поплавковый футшток.

Такие футштоки используются там, где постоянное волнение или мелководная зыбь затрудняют определение уровня по неподвижной шкале. Внутри защитного колодца (полой камеры или трубы), вертикально установленного на морском дне, помещается поплавок, который соединен с указателем, закрепленным на неподвижной шкале, или пером самописца. Вода проникает в колодец сквозь небольшое отверстие, расположенное значительно ниже минимального уровня моря. Его приливные изменения через поплавок передаются на измерительные приборы.
Гидростатический самописец уровня моря.

На определенной глубине размещается блок резиновых мешков. По мере изменения высоты прилива (слоя воды) меняется гидростатическое давление, которое фиксируется измерительными приборами. Автоматические регистрирующие устройства (мареографы) также могут применяться для получения непрерывной записи приливо-отливных колебаний в любой точке.

Таблицы приливов.

При составлении таблиц приливов используются два основных метода: гармонический и негармонический. Негармонический метод всецело базируется на результатах наблюдений. Кроме того, привлекаются характеристики портовых акваторий и некоторые основные астрономические данные (часовой угол Луны, время ее прохождения через небесный меридиан, фазы, склонения и параллакс). После внесения поправок на перечисленные факторы расчет момента наступления и уровня прилива для любого порта является чисто математической процедурой.

Гармонический метод является отчасти аналитическим, а отчасти основан на данных наблюдений за высотами приливов, проводившихся в течение по меньшей мере одного лунного месяца. Для подтверждения этого типа прогнозов для каждого порта необходимы длительные ряды наблюдений, поскольку за счет таких физических явлений, как инерция и трение, а также сложной конфигурации берегов акватории и особенностей рельефа дна возникают искажения. Поскольку приливо-отливным процессам присуща периодичность, к ним применяется анализ гармонических колебаний. Наблюдаемый прилив рассматривается как результат сложения серии простых составляющих волн прилива, каждая из которых вызвана одной из приливообразующих сил или одним из факторов. Для полного решения используется 37 таких простых составляющих, хотя в некоторых случаях дополнительные компоненты сверх 20 основных пренебрежимо малы. Одновременная подстановка 37 констант в уравнение и собственно его решение осуществляется на компьютере.

Приливы на реках и течения.

Взаимодействие приливов и речных течений хорошо заметно там, где крупные реки впадают в океан. Высота приливов в бухтах, устьях рек и эстуариях может существенно возрастать в результате увеличения стока в маргинальных потоках, особенно во время половодий. Вместе с тем океанические приливы проникают далеко вверх по рекам в виде приливных течений. Например, на р.Гудзон приливная волна заходит на расстояние 210 км от устья. Приливные течения обычно распространяются вверх по реке до труднопреодолимых водопадов или порогов. Во время приливов течения в реках отличаются бóльшими скоростями, чем во время отливов. Максимальные скорости приливных течений достигают 22 км/ч.

Бор.

Когда вода, приходящая в движение под воздействием прилива большой высоты, ограничена в своем перемещении узким руслом, образуется довольно крутая волна, которая единым фронтом перемещается вверх по потоку. Это явление называется приливной волной, или бором. Такие волны наблюдаются на реках гораздо выше устьев, где сочетание силы трения и течения реки в наибольшей степени препятствует распространению прилива. Известно явление формирования бора в заливе Фанди в Канаде. Около Монктона (пров. Нью-Брансуик) р.Птикодиак впадает в бухту Фанди, образуя маргинальный поток. В малую воду его ширина 150 м, и он пересекает полосу осушки. Во время прилива стена воды протяженностью 750 м и высотой 60-90 см шипящим и бурлящим вихрем устремляется вверх по реке. Самый большой из известных боров высотой 4,5 м формируется на р.Фучуньцзян, впадающей в залив Ханьчжоу.

Реверсивный водопад

(меняющий направление на противоположное) - это еще одно явление, связанное с приливами на реках. Типичный пример - водопад на р.Сент-Джон (пров. Нью-Брансуик, Канада). Здесь по узкому ущелью вода во время прилива проникает в котловину, расположенную выше уровня малой воды, однако несколько ниже уровня полной воды в этой же теснине. Таким образом, возникает преграда, перетекая через которую вода образует водопад. Во время отлива сток воды устремляется вниз по течению через суженный проход и, преодолевая подводный уступ, образует обычный водопад. Во время прилива проникшая в ущелье крутая волна обрушивается водопадом в вышележащую котловину. Попятное течение продолжается до тех пор, пока уровни воды по обе стороны порога не сравняются и не начнется отлив. Затем опять восстанавливается водопад, обращенный вниз по течению. Средний перепад уровня воды в ущелье составляет ок. 2,7 м, однако при самых высоких приливах высота прямого водопада может превысить 4,8 м, а реверсивного - 3,7 м.
Наибольшие амплитуды приливов.

Самый высокий в мире прилив формируется в условиях сильного течения в бухте Минас в заливе Фанди. Приливные колебания здесь характеризуются нормальным ходом с полусуточным периодом. Уровень воды во время прилива часто поднимается за шесть часов более чем на 12 м, а затем в течение последующих шести часов понижается на ту же величину. Когда воздействие сизигийного прилива, положение Луны в перигее и максимальное склонение Луны приходятся на одни сутки, уровень прилива может достигать 15 м. Такая исключительно большая амплитуда приливо-отливных колебаний отчасти обусловлена воронкообразной формой залива Фанди, где глубины уменьшаются, а берега сближаются по направлению к вершине залива.

Ветер и погода.

Ветер оказывает существенное влияние на приливо-отливные явления. Ветер с моря нагоняет воду в сторону берега, высота прилива увеличивается сверх обычной, и при отливе уровень воды тоже превосходит средний. Напротив, при ветре, дующем с суши, вода сгоняется от берега, и уровень моря понижается.

» статьёй «Гигантский океанический водоворот ринг «. Где расскажем о том, что бывают не только водовороты в ванной или на речке, за кораблём. Мы расскажем о водоворотах диаметром в сотни километров и устойчивостью в годы.

Такие гигантские океанические водовороты называются рингами. От английского языка ring = кольцо. То есть, если переводить буквально, то получаются гигантские океанические кольца. Однако, по форме они всё же напоминают всем знакомые водовороты в ванных. Но обо всём по порядку. Начнём с истоков.

Район Тихого океана по соседству с японскими островами Огасавара с давних времен пользуется у моряков дурной славой. Впрочем, не мудрено — по мнению исследователей аномальных явлений, он расположен на периферии так называемого «моря Дьявола» — моря, не обозначенного на морских картах, да и в соответствующей литературе его местоположение трактуется весьма произвольно. Во всяком случае, из этого района довольно регулярно приходили сообщения о бесследно исчезнувших судах.

В середине 70-х этот район привлек внимание ученых из Университета Киото. Раз его избегают суда, стоило изучить возможность затопления в этом глубоководном (глубины свыше 5000 метров) районе океана радиоактивных отходов. И вот в 400 километрах от Огасавары ими был обнаружен гигантский водоворот — его радиус составлял около 100 километров. Исследования показали, что водоворот поднимается с глубины 5000 метров до поверхности океана.

В центре этой гигантской воронки имеется впадина, уровень воды в которой на несколько десятков метров ниже уровня океана. По подсчетам океанологов, энергия этого водоворота в 10 раз больше энергии обычного течения. И еще одна странность, пока не нашедшая никакого объяснения: примерно раз в 100 дней этот водоворот меняет направление своего вращения.

Итак, воды Мирового океана редко бывают спокойными. Помимо бурь, штормов и волн гигантской разрушительной силы - цунами в океане существуют мощные горизонтальные течения, как поверхностные, так и подводные. Гольфстрим, например, переносит гигантское количество тёплой воды, обогревая западное и северное побережья Европы.

Но нас сейчас интересуют вертикальные течения , приводящие к возникновению в океане тех самых огромных водоворотов. Как и в океане воздушном, появляются они вследствие вертикальных движений водных масс, обусловленных разностью плотностей воды, возникающей из-за разницы температур водных слоёв или их разной солёности (тёплая вода легче холодной, солёная вода тяжелее менее солёной).

Такие вертикальные перемещения воды служат причиной появления гигантских водоворотов, называемых рингами. Причём эти водовороты имеют все те особенности, которые отличают водовороты воздушные, а именно - в Северном полушарии, в центре циклонических водоворотов, вращающихся против часовой стрелки, происходят подъём глубинных вод и их опускание на периферии водоворота. В Южном полушарии такое же вертикальное движение вод приводит к возникновению водоворота, вращающегося по часовой стрелке. В случае же опускания водных масс в центре водоворота в Северном полушарии возникает движение воды по часовой стрелке, а в Южном полушарии - против.

Подобные гигантские водовороты обнаружены и в районе Бермудского треугольника, вблизи Шри-Ланки и даже у берегов Антарктиды. В центре таких водоворотов имеется довольно глубокая впадина: например, возле Шри-Ланки ее глубина превышает 100 метров. Со спутников зафиксированы глубины впадин до 200 метров.

Хотя легенды о таких водоворотах известны уже несколько столетий, первые инструментальные измерения вихрей в открытом океане были выполнены в 1970 году в тропической Атлантике на морском полигоне «Полигон-70» экспедицией Академии наук СССР. Морские водяные вихри живут гораздо дольше воздушных, но, в целом, обладают одинаковыми свойствами: временный характер, циклическое зарождение, перемещение и разрушение внутри более крупных циркуляций.

Итак, обнаружены были ринги сравнительно недавно, в семидесятых годах прошлого века. Как показали исследования, океанические вихри могут существовать достаточно длительное время, исчисляемое месяцами и, по мнению некоторых учёных, годами. Их диаметры могут составлять десятки и даже сотни километров. Вне зависимости от того, в какую сторону, по часовой стрелке или против, вращается водный вихрь, поверхность его за счёт центробежной силы не будет горизонтальной, центр вихря при этом может лежать на десятки метров ниже уровня океана, что отмечает аппаратура, установленная на искусственных спутниках Земли.

Механизм образования рингов полностью идентичен механизму образования воздушных вихрей. Главными действующими объектами этого механизма являются магнитное поле Земли и движущиеся в нём молекулы воды (имеющие частичный положительный и отрицательный заряды) и заряженные положительно и отрицательно частицы солей, которые при своём перемещении в магнитном поле Земли приобретают вращательное движение. Естественно, немалую роль играют уже упоминавшиеся различия в плотности тёплой, холодной, солёной и менее солёной воды.

Непосредственно наблюдать целиком гигантское океаническое образование - ринг - можно только с орбиты искусственного спутника Земли. Мониторинг океанических водоворотов осуществляют в ходе проведения экспедиций с помощью приборов, измеряющих скорости морских течений на интересующих учёных глубинах. Например, экспедиция «Полигон-70″ разместила в южной части северного пассатного течения Атлантического океана около двухсот измерителей, данные с которых фиксировались в течение полугода. В дальнейшем всю эту информацию свели воедино и обработали на компьютере. Результаты обработки убедительно доказали наличие гигантского водного вихря с антициклоническим характером вращения.

Затем только в Северной Атлантике таких рингов было обнаружено около 10. Их возникновение связано с Гольфстримом, который, миновав мыс Гаттерас, отходит от побережья Северной Америки и начинает образовывать петлеобразные изгибы-меандры. Некоторые из меандр отрываются от основного потока и становятся самодеятельными вихрями, скорость течения в которых может достигать 4 и более километров в час. Яхта или плот, попав во время длительного штиля в такой водоворот диаметром 150-300 километров, спустя несколько суток, проделав достаточно большой путь, может оказаться почти на том же самом месте. Дрейф же самого такого водоворота весьма незначителен и редко превышает 3 километра в сутки.

В ходе исследования рингов было установлено, что вихри, обособляющиеся от Гольфстрима с его южной стороны, отличаются от окружающих теплых вод Саргассова моря тем, что в их центре более низкая температура. Те же вихри, которые отделяются от северной стороны Гольфстрима, имеют более теплый центр.

Ринги с теплым центром смещаются, как правило, со скоростью до 5 километров в сутки. Существует такой ринг около года, затем, снова оказавшись в районе мыса Гаттерас, вливается в Гольфстрим. Дрейф рингов с холодным центром в основном юго-западный. Место исчезновения — у восточного побережья п-ва Флорида, срок существования — в 2-3 раза дольше. Удавалось отслеживать ринги, живущие до 4-5 лет.

В центрах холодных рингов часто возникают туманы, отличающиеся чрезвычайно большой длительностью: ведь здесь океанский водоворот поднимает с глубин 2,65-3,5 километра к поверхности воду с очень низкой температурой. При охлаждении теплого воздуха, соприкасающегося с холодной водной поверхностью, происходит процесс конденсации водяного пара, увеличение концентрации которого и является причиной ухудшения видимости.

Таким образом, не хотелось бы попасть в гигантский океанический водоворот ринг.

Разве что сверху посмотреть. Для чего предлагаем вам ознакомиться со следующим видео:

Это, конечно, не водоворот диаметром 100 километров, но всё равно впечатляет.

Источники: П. МАНТАШЬЯН, «Наука и жизнь» №5, 2008 год. Татьяна САМОЙЛОВА, журнал Колумб № 15 (2005)