курс лекций

Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

63

брежных мелководьях воды взмучиваются во время штормов. В открытом море прозрачность и цвет определяются в основном количеством частиц органического происхождения, главным образом количеством планктона. Весной и осенью, в период интенсивного развития фитопланктона, прозрачность моря уменьшается и цвет его вод становится зеленым.

В центральных частях океанов прозрачность обычно превышает 20 м, а цвет соответствует синему, темно-синему, тем- но-голубому.

Существует специальная шкала цветности моря.

Свечение и цвет моря. Свечением моря (океана) называется восприятие зрением ночью увеличения яркости морской поверхности, вызванного светом, излучаемым морскими организмами. Иначе это явление называется биолюминесценцией. Свет в этих случаях продуцируется химическими реакциями, происходящими в органах некоторых морских организмов.

Способностью к свечению обладают тысячи видов морских организмов, главным образом низших (планктонных). Среди позвоночных такое явление встречается у некоторых видов рыб, лангустов и даже акул. Свечение наблюдается повсеместно в теплых поверхностных водах (например, Бенгальский залив — так называемые бенгальские огни). В сильно опресненных водах оно не встречается.

Хотя большинство светящихся организмов малы по размерам, но их так много, что судну, которое движется ночью, часто сопутствует настоящая иллюминация. Одни из этих организмов светятся непрерывно (бактерии), другие — под влиянием раздражения, третьи — произвольно.

Различают три типа свечения:

à) разлитое, или бактериальное; á) искрящееся (точечное); â) свечение крупных организмов.

Первый тип свечения вызывается бактериями, это сплошное, как бы разлитое по поверхности моря свечение. Искрящееся (то- чечное) свечение вызывается планктоном (многими видами жгутиковых, моллюсками, рачками). Светятся также крупные рыбы (более 200 видов), некоторые виды акул и осьминогов. Святящиеся организмы обитают во всей толще вод, от поверхности до самого дна. Биологический смысл свечения еще полностью не изучен, свет позволяет животным одного вида отпугивать друг друга, а

64	Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

также служит для отпугивания хищников. Явление свечения моря представляет собой практический интерес для различных отраслей деятельности человека. Оно учитывается при рыбном промысле, а также при мореплавании. Свечение моря сигнализирует рыболовам о наличии косяков рыбы и в то же время отпугивает рыбные стада. Может предостерегать мореплавателей от подводных опасностей и от столкновения с соседствующими судами и плавающими предметами.

Цветение моря. Под цветением моря подразумевается необычное изменение окраски поверхности моря, вызванное биологическими причинами. Это явление — следствие бурного развития растительности и реже животных организмов. Массовое скопление обычно одного какого-либо организма окрашивает поверхность моря в разные цвета. В тропиках довольно часто встре- чаются скопления синезеленых водорослей, которые окрашивают воду в зеленый цвет; многочисленные жгутиковые воду в Желтом море — в желтый цвет. Осенью в Азовском море, во время развития кремневых одноклеточных диатомовых водорослей, вода принимает коричневую окраску.

Ночесветка, святящаяся ночью, днем вызывает цветение моря и окрашивает его воды в розовые, буро-красные, а иногда желтые и зеленые тона. При массовом развитии диатомовых водорослей у тихоокеанских берегов Северной Америки вода приобретает цвет крови, поэтому Калифорнийский залив за кровавый цвет воды носит название Багряного моря. Синезеленые водоросли окрашивают морскую воду в зеленый цвет. В тропиче- ских широтах происходят скопления синезеленых водорослей триходесмиум на сотни миль вокруг. Вода при этом зеленеет и имеет запах хлора. Зеленая окраска воды в результате скопления синезеленых водорослей в летнее время года — частое явление в Балтийском и Азовском морях. В арктических и антарктических водах розовый цвет воды обусловлен скоплением ракообразных организмов (капшака) и мелководных рачков — криля.

Вызывает изменение окраски моря также икра рыб и яйца морских червей. Так, яйца тропического червя палоло окрашивают воду в молочный и соломенно-желтые тона. Это явление характерно для центральных акваторий Индийского океана. С этим событием у жителей многих островов Индийского океана связано празднование Нового года.

Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

65

Акустические свойства морской воды. Звук в морской воде. Еще во времена Гомера заметили, что море полно звуков. Легенда о пении сирен не была лишена основания. Современники Аристотеля не сомневались в том, что рыбы могут петь, а сам великий мыслитель одним из первых сделал попытку обосновать происхождение звуков, издаваемых морем. О возможности слышать звуки под водой говорил и писал Леонардо да Винчи. Однако все эти наблюдения в течение столетий не имели практических последствий. В XIX веке измерили скорость распространения звука на Женевском озере и убедились, что звуковые колебания могут проходить в воде значительные расстояния. Первое практическое применение этого явления можно отнести к концу XIX века. Как известно, в туманную погоду маячные огни не просматриваются с приближающихся к берегу кораблей, поэтому решили применить подводную звуковую сигнализацию. Оказалось, что звук подводного колокола был слышен на значительно большем расстоянии, нежели колокола, установленного на берегу. Так гидроакустика впервые послужила безопасности мореходства.

После многочисленных опытов в гидроакустике начали широко использовать явление распространения звука в воде и установили, что звук представляет собой волнообразные распространяющиеся колебательные движения частиц упругой среды, какой и следует рассматривать морскую воду. При распространении акустических волн в морской воде происходят колебания ее плотности (или удельного объема на пути следования звука). Таким образом, в отличие от многих задач океанографии, при решении которых морскую воду можно считать практически несжимаемой, в акустике она рассматривается как сжимаемая среда. Слышимость звука в воде зависит от частоты колебаний. Если они происходят с частотой от 20 до 20 000 колебаний в секунду, то возникает звук, воспринимаемый человеческим ухом. Колебания с частотами ниже 200 Гц (1 Гц = 1 колебание в секунду) — это инфразвук, а выше 20 кГц — ультразвук; эти звуки не вызывают слуховых ощущений. Однако для практики важны как слышимые, так и неслышимые звуки. И в то же время ультразвуковые колебания представляют наибольший интерес для подводной связи, пеленгации и локации (для подводных лодок).

66	Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

Скорость звука в морях и океанах может колебаться от 1400 до 1500 м/с.

4.5. ВОДНЫЕ МАССЫ МИРОВОГО ОКЕАНА

Мировой океан, как водная оболочка Земли, в отличие от суши, представляет собой единое целостное природное тело. Морская вода, из которой он состоит, самое распространенное вещество на поверхности Земли. Вместе с тем это неповторимое природное образование характеризуется только ей присущими химическими и физическими свойствами. В результате динамиче- ских процессов, протекающих в толще океанических вод, в ней устанавливается более или менее подвижная стратификация вод, происходит обособление так называемых водных масс, т. е. вод, отличающихся присущими им консервативными свойствами, которые они приобретают в определенных районах и сохраняют их в пределах этого пространства. По В. Н. Степанову, различаются поверхностные, промежуточные, глубинные è придонные водные массы.

Поверхностные водные массы характеризуются тем, что они формируются при непосредственном взаимодействии с атмосферой. Они в наибольшей степени подвержены перемешиванию волнением и изменениям температуры, солености и других свойств. Толщина поверхностных масс в среднем составляет 200—250 м. Нагревание поверхностных масс океана сопровождается накоплением тепла и увеличением испарения. Вследствие механического перемешивания нагретых и охлажденных масс под воздействием ветра тепло распространяется на большую глубину, до нескольких десятков метров. Как раз эта часть водных масс является важнейшим звеном в цепи получения и перераспределения солнечной энергии.

Промежуточные водные массы выделяются в полярных областях повышенной температурой, в умеренных широтах и тропических областях пониженной èëè повышенной соленостью. Верхняя их граница проходит с поверхностными водными массами, нижняя — лежит на глубине от 1000 до 2000 м. Выделяют субантарктические, субарктические, северо-антлантиче- ñêèå, северо-индоокеанские, антарктические и арктические промежуточные водные массы. Основная часть промежуточных

Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

67

водных масс формируется за счет опускания поверхностных вод в зонах субполярной конвергенции. Эти водные массы направлены от субполярных областей к экватору. В Атлантическом океане субантарктические промежуточные водные массы

проходят за экватор и распространены примерно до 20 с. ш., в Тихом — до экватора, а в Индийском примерно до 10 ю. ш. Субарктические промежуточные водные массы в Тихом океане также достигают экватора, в Атлантическом они быстро погружаются и теряются. В северной части Атлантического и Индийского океанов промежуточные водные массы имеют иное происхождение. Они формируются еще на поверхности, в областях высокого испарения, в результате чего образуются избыточные соленые воды, испытывающие медленное погружение. К ним добавляются плотные соленые воды из Средиземного и Красного морей, Персидского и Оманского заливов (в Индийском океане). В Атлантическом океане промежуточные воды растекаются под поверхностным слоем на север и на юг от широты Гибралтарского пролива и распространяются в пределах между 20 и

60 с. ш. В Индийском океане распространение этих вод идет на юг и на юго-восток до 5—10 ю. ш.

Глубинные водные массы образуются в основном в высоких широтах при перемешивании поверхностных и промежуточных водных масс. Охлаждаясь и соответственно приобретая большую плотность, эти массы, образуясь в основном на шельфах, постепенно сползают по материковому склону и растекаются в направлении к экватору. Нижняя граница глубинных вод располагается на глубине порядка 4000 м. Различают циркумполярную (околополярную) глубинную водную массу Южного полушария, северо-атлантическую, северо-тихоокенскую, севе- ро-индоокеанскую и арктическую водные массы. Северо-атлан- тические глубинные массы отличаются повышенной соленостью (до 34,95 ‰) и температурой (до 3 С) и несколько повышенной скоростью перемешивания. В их формировании, кроме охлажденных полярных шельфов и погружающихся при перемешивании поверхностных и промежуточных вод высоких широт, участвуют также тяжелые соленые воды Средиземноморья и достаточно соленые воды Гольфстрима. Циркумполярные глубинные воды формируются за счет охлаждения вод в приантарктических районах Мирового океана. Северные глубинные воды

68	Глава 4. Климат и водные массы Мирового океана

Индийского и Тихого океанов имеют местное происхождение за счет стока соленых вод из Красного моря, Персидского залива в Индийском океане и охлаждении вод на шельфе Берингова моря в Тихом океане.

Придонные водные массы отличаются наиболее низкими температурами и наибольшей плотностью. Они занимают всю остальную часть океанов глубже 4000 м и характеризуются очень медленным горизонтальным перемешиванием по сравнению с глубинными, в связи с притоком геотермического тепла со дна океанов. Среди этих водных масс наибольшим распространением пользуются придонные антарктические массы, которые хорошо прослеживаются по наиболее низким температурам и относительно высокому содержанию кислорода. Центр их образования — приантарктические районы Мирового океана, особенно шельф Антарктиды. Кроме этого, выделяются северо-атлантические и северо-тихоокеанские придонные водные массы.

Промежуточные, глубинные и придонные водные массы

также находятся в состоянии циркуляционных процессов. Для промежуточных вод характерно почти полное затухание ветровых циркуляций в тропической и экваториальной зонах с небольшим сдвигом субтропических круговоротов в сторону полюсов. В эту же систему циркуляции входят подповерхностные экваториальные противотечения типа течения Ломоносова. Интенсивность циркуляции глубинных вод ослабевает с глубиной. В горизонтальном перемешивании этих вод главную роль играют нижние антициклональные круговороты и циркумполярные глубинные течения в Южном полушарии, которые обеспечивают обмен глубинных вод между океанами.

Придонные водные массы характеризуются преимущественным меридиональным переносом в северном направлении. Кроме того, в северо-западной части Атлантики четко выражено те- чение южного направления, получающего питание за счет холодных вод Норвежско-Гренландского бассейна. Скорость движения придонных масс возрастает при приближении ко дну, что связано с геологическими структурами и их воздействием на перемещение придонных масс.

ГЛАВА 5

ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ МИРОВОГО ОКЕАНА

5.1. ВОЛНЕНИЕ В ОКЕАНАХ И МОРЯХ. ВИДЫ ВОЛНЕНИЙ

Âолнение в Мировом океане — одно из природных явлений, издавна известных человеку. Многие древние государства возникали на прибрежных территориях

(Египет, Греция, Рим, Индия). Уже тогда люди не только любовались, страшились, но интересовались регулярно возникающими на морской поверхности волновыми движениями. Впоследствии было установлено, что в результате воздействия на воды океанов и морей различных сил возникают колебательные и поступатель-

ные движения частиц воды.

Распространение колебаний в морской воде называют волновыми движениями или волнами.

Основными причинами возникновения волн в морях и океанах являются:

а) ветры, вызывающие короткие ветровые волны; б) приливы, вызывающие длинные приливные волны;

в) изменения атмосферного давления, вызывающие образование стоячих волн — ñåéø è солитонов;

г) землетрясения, вызывающие особо длинные волны цунами;

д) движения кораблей, вызывающие корабельные волны и т. д. Если волны образуются на поверхности или в приповерхностном слое моря, их называют поверхностными волнами, если же они возникают на некоторой глубине — их называют внутренними волнами. Различают поступательные и стоячие, а также длинные и короткие волны. У коротких волн длина меньше глу-

70 Глава 5. Динамический режим Мирового океана

ÐÈÑ. 12. Хокусаи (1760–1849). “Большие волны”. Цветная гравюра на дереве

бины моря, у длинных волн, наоборот, длина больше глубины моря. К числу длинных волн относятся приливные волны и волны цунами. Рассмотрим волны цунами è сейши.

Цунами. Длинные морские волны, образующиеся в океанах и морях в результате землетрясений и вулканических извержений, возникающих на морском дне или вблизи берега, называют японским словом “цунами”. Термин “цунами” дословного перевода не имеет. Смысловое значение термина — “гигантская волна в заливе” (рис. 12). Эти волны часто несут с собой колоссальную энергию и, обрушившись на берега, вызывают катастрофи- ческие разрушения.

В исторических хрониках сохранились сведения о самых страшных цунами. Примерно в XV веке до н. э. произошло сильнейшее землетрясение в результате взрыва вулкана на острове Крит в Средиземном море. Предполагают, что вместе с вулканом перестала существовать под огромными волнами древняя критская культура. До нас дошли письменные свидетельства о десятке цунами, наблюдавшихся в течение первого тысячелетия до нашей эры. Известны разрушительные цунами 1821 г. на острове Сулавеси, в 1960 г. — цунами на побережье Чили. Волны были столь огромной силы, что их чувствовали на себе жите-

Глава 5. Динамический режим Мирового океана 71

ли всего побережья Тихого океана. Волны этого цунами дошли до берегов Новой Зеландии, Австралии, Филиппин. Но самой страшной разрушительной силы цунами за последние сто лет произошло 26 декабря 2004 г. с эпицентром на о. Суматра, унесшее жизни около 300 тыс. человек.

Цунами — это необычайно длинные и высокие волны, внезапно появляющиеся на побережье и в гаванях океанов. Как правило, они возникают в океанах, где проходят активные сейсмиче- ские зоны. Цунами образуются в результате подводных землетрясений с силой более 6,5 балла, с эпицентром на глубине 50 км, а также при извержении подводных, а иногда и прибрежных вулканов.

Разрывы в земной коре, сопровождающие такие землетрясения, могут поднимать или опускать крупные участки дна (рис. 13). Это, в свою очередь, вызывает большое изменение объема водного бассейна. Вода, как мы знаем, не сжимается и не растягивается, поэтому в ней быстро формируются продольное волны, которые со скоростью 1500 м/с достигают поверхности океана и образуют новые поверхностные волны, распространяющиеся концентрическими кругами во все стороны (рис. 14). Это и есть цунами. Возникают цунами одинаково, а распространяются по-разному. Многое зависит от рельефа дна, очертаний побережья и т. д. Длина волн цунами на поверхности океана достигает 100—300 км, а высота ее в открытом океане 2—3 м. Высота волн возрастает при выходе на мелководье, а самой большой высоты они достигают у берега (20—30 м). В Тихом океане скорость цунами 650—800 км/ч. Идут они серией (цугом) в 3—9 волн подряд. В открытом океане волны цунами незаметны. Но подойдя близко к берегу, затормаживаясь на неровностях дна, цунами принимают резко асимметричную форму, опрокидывают свой гребень вперед и тараном обрушиваются на берег. Поэтому разрушительная сила цунами огромна.

1.Яростно устремляются цунами в узкие клинообразные бухты. Они огромными валами вкатываются по долинам рек вглубь материка (рис. 15).

2.Если цунами подходят к низинному пологому берегу, их ударная сила уменьшается, но увеличивается зона затопления. Например, невысокое побережье Бангладеш затапливается волной цунами на 50 км вглубь страны. Как правило, цунами в Бангладеш вызваны не землетрясениями, а тайфунами (рис. 16).