Морские течения и волны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Морские течения и волны

волна гребень ложбина

Возникающие на поверхности воды волны отличаются большим разнообразием. Это не удивительно, поскольку разнообразны причины, вызывающие их появление. Волны возникают от всевозможных сотрясений. Примерами могут служить скромные волны, расходящиеся кругами от брошенного в воду камня, и гигантские волны цунами, порожденные землетрясением, которое произошло в море. Волны рождаются при обтекании водой тех или иных препятствий; это хорошо знакомые тебе волны на речных перекатах, порогах, а также волны, образующиеся при движении корабля. Возникновение особых волн связано с движением Луны вокруг Земли. При этом рождаются необычайно длинные (длиной до десятков тысяч километров) приливные волны, воспринимаемые нами как ежесуточные подъемы и опускания уровня моря.

10.1.1. «Подует ветер - и встает волна...»

Но основной причиной возникновения волн на поверхности воды является, конечно, ветер. Вызываемые ветрами волны называют ветровыми волнами. Именно они и определяют в основном картину волнения на море.

Подует ветер - и встает волна. Стихает ветер - и волна спадает. Они, должно быть, старые друзья, Коль так легко друг друга понимают.

Это замечательное четверостишие средневекового японского поэта Кино Цураюки весьма точно отражает суть дела. Волны на море - своеобразное отражение динамики воздушных потоков в приповерхностных слоях атмосферы. Проще говоря, отражение силы и характера ветров над морем. Ветры отвечают за рождение и развитие морских волн. Свою энергию волны получают от ветра.

Давай уточним некоторые характеристики волны:

длина волны - расстояние между вершинами соседних гребней, или расстояние между нижними точками соседних ложбин;

высота волны -- расстояние по вертикали от нижней точки ложбины до вершины гребня;

крутизна волны - отношение высоты волны к ее длине;

скорость волны - скорость, с какой перемещается гребень волны.

Предположим, что несколько дней нет ветра и поверхность моря практически неподвижна. Такое бывает, хотя и довольно редко. Но вот появился легкий ветерок - и сейчас же на гладкой водной поверхности возникла рябь. Волны, ряби - это мелкие волны высотой всего несколько миллиметров. Они легко возникают и быстро затухают; в результате наблюдаются образующиеся на короткое время то в одном месте, то в другом полосы ряби, как бы бегущие по гладкой поверхности. Можно заметить, что, чем меньше длина волны ряби, тем быстрее бежит эта волна.

Над морской поверхностью продолжает дуть ветер. Он все еще слабый, но постепенно усиливается. Полосы ряби сменяются отчетливо наблюдаемыми волнами, длина которых измеряется десятками сантиметров. Эти волны образуют довольно правильные параллельные ряды гребней и ложбин.

Ветер понемногу крепчает - волнение на море усиливается. Увеличиваются длина и высота волн. При этом происходит качественное изменение наблюдаемой картины: вместо регулярно следующих друг за другом параллельных рядов волн возникают хаотически разбросанные по водной поверхности холмы и холмики неправильной формы, разделенные столь же «неправильными» впадинами и ложбинами. Вся картина приобретает изменчивый, неупорядоченный вид. На первый взгляд кажется даже, что водяные холмы движутся в разные стороны. Все быстро меняется, холмы и впадины возникают и исчезают, и, кажется, никакого порядка нельзя усмотреть в этой картине. Постепенно вершины водяных холмов все более обостряются, украшаются белыми барашками пены. Время от времени то в одном месте, то в другом возникают особенно крупные холмы. Такую картину можно наблюдать в открытом море, пожалуй, наиболее часто.

Если ветер дует с очень большой скоростью достаточно долго и притом в одном и том же направлении, возникают штормовые волны; их высота измеряется метрами и даже десятками метров, а длина сотнями метров. Они образуют внушительные водяные валы, довольно регулярно следующие один за другим. Время от времени возникает особенно высокий вал -хорошо известный морякам как «девятый вал» (хотя, надо заметить, он совсем не обязательно оказывается девятым).

Но вот ветер стих, а затем и вовсе прекратился. Волнение на море улеглось, но волны не исчезли. Теперь они катятся друг за другом регулярными рядами; высота волн около метра, длина порядка десяти метров. Гребни волн округлые, ложбины очень пологие. В этой картине плавно катящихся при полном безветрии волн нет никакой суеты, в ней чувствуется внутренняя мощь. Перед нами мертвая зыбь.

Скорость волны зависит от скорости ветра и длительности его воздействия на волну. Возможно, ты считаешь, что ветер попросту гонит волну, разгоняет ее. Между прочим, именно так многие и полагают.

Забегая вперед заметим, что такое представление ошибочно. Скорость волны всегда меньше скорости ветра. При постоянном ветре скорость установившихся волн составляет 4/5 скорости ветра. Если, например, дует сильный ветер в 6 баллов (его скорость 12 м/с), то скорость волны будет равна 10 м/с. При этом надо иметь в виду, что десять метров в секунду отнюдь не относятся к скорости, с какой переносится вещество, в данном случае вода. Брось в волну пробку и понаблюдай за ней. Когда под пробкой проходит гребень, она устремляется вместе с ним вперед, однако тут же соскальзывает с него, отстает и, попадая в ложбину волны, начинает двигаться назад, пока ее не подхватит следующий гребень.

Итак, ветер перемещает воздушную массу вперед со значительной скоростью, волна бежит вперед с несколько меньшей скоростью, а водная масса совершает перемещения «на одном месте», лишь слегка смещаясь по направлению движения волны.

До сих пор мы рассматривали морские волны вдали от берега. Там, где море достаточно глубоко. Теперь вспомним о волнах на мелководье с плавно поднимающимся дном. Здесь мы видим существенно другую картину. При очень слабом ветре волны «лижут» кромку берега, то набегая на нее, то отступая назад. Ветер крепчает - и волны начинают накатываться на берег, с шумом обрушиваясь, разбиваясь на мириады брызг и покрывая кромку берега пеной. При еще более сильном ветре картина прибоя становится более впечатляющей. Вблизи линии берега вырастают относительно высокие волны с белыми гребнями - буруны. Они с грохотом опрокидываются на берег, выбрасывая на него потоки воды и обильную пену.

Волна с профилем в виде трохоиды

Профиль волны мертвой зыби можно приближенно описать кривой, называемой трохоидой. На рисунке на с. 217 ты можешь познакомиться с трохоидой и даже понять, как она строится. Представь себе колесо радиуса К, которое катится по прямой МЫ. Выбери на колесе точку, находящююся на расстоянии -- от центра колеса. Пусть она занимает положение А в тот момент, когда колесо соприкасается с прямой в точке 1. Колесо катится по прямой; на рисунке показаны разные его положения и соответствующие положения рассматриваемой нами точки колеса: А2, А3, А ,.. . Кривая, проведенная через все эти точки, есть трохоида.

Можно ли считать поперечными волнами волны на поверхности воды?

Физики различают волны поперечные и продольные. В поперечной волне частицы среды совершают колебания в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. В продольной волне колебания частиц происходят в том же направлении, в каком распространяется волна; в этом случае по среде бегут чередующие области сжатия и разрежения. При объяснении поперечных волн нередко их сопоставляют с волнами на поверхности воды. Это весьма некорректное сопоставление. Волны на поверхности воды не являются поперечными волнами. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на рисунок «а» на с. 218. Из рисунка видно, что частицы воды не могут перемещаться только по вертикалям. Это означало бы, что слой воды толщиной Н должен был бы оказаться растянутым по линии АА на величину АН и, напротив, сжатым по линии ВВ на ту же величину. Однако вода не может так сильно растягиваться и сжиматься; вода практически несжимаема.

Вспомним движение пробки на волне. Как уже отмечалось, попадая на гребень волны, пробка устремляется вместе с волной вперед, а соскальзывая затем в ложбину волны, движется назад. Итак, вперед и назад. И при этом пробка одновременно поднимается на гребне и опускается в ложбину. В результате пробка описывает в вертикальной плоскости траекторию, которая, как оказывается, близка к окружности. Таким же образом движутся и частицы воды в волне. Следовательно, волны на поверхности воды -- это не поперечные и не продольные волны. Каждая частица в волне движется приблизительно по окружности в вертикальной плоскости, параллельной направлению движения волны.

На рисунке «б» показан непрерывной кривой профиль волны в некоторый момент времени. На профиле выбраны восемь частиц воды, выделенных на рисунке малыми кружками. Каждая частица движется по своей окружности диаметром, равным высоте волны; движение совершается по направлению движения часовой стрелки. За некоторый промежуток времени каждая частица описала дугу, соответствующую углу, показанному на рисунке. Проведем через новые положения рассматриваемых точек-кружочков плавною кривую (серая кривая на рисунке). Это будет профиль нашей волны, сместившийся по отношению к исходному профилю на расстояние Ь вправо. Таким образом, мы убеждаемся, что движение частиц воды по окружностям действительно согласуется с движением волны.

Известно, что волнение быстро уменьшается по мере погружения. Наверху, вблизи поверхности может происходить сильное волнение, а в то же самое время внизу, в глубине, будет царить полный покой. Волнение на море затрагивает лишь приповерхностные слои воды.

На рисунке «в» показано, как движутся частицы воды по мере погружения. Чем дальше от поверхности, тем меньше радиусы окружностей, описываемых частицами воды. Уже на глубине в половину длины волны радиус уменьшается более чем в 20 раз. А. на глубине, равной одной длине волны, он уменьшается более чем в 500 раз. Таким образом, опустившись на глубину всего в половину длины волны, ты практически уже не почувствуешь волнения.

Все сказанное о движении частиц воды в волне верно, как говорится, в первом приближении. При более строгом рассмотрении выясняется, что центры окружностей, описываемых частицами воды, вовсе не неподвижны,

а медленно перемещаются по направлению движения волны. Действительное движение частиц воды надо рассматривать как результат сложения двух движений: быстрого кругового и медленного прямолинейного. Получается, что в действительности частицы воды движутся не по замкнутым траекториям, а по разомкнутым. Представление о таких траекториях дает рисунок «г» на с. 218.

Итак, приповерхностные водяные массы все же перемещаются в направлении движения волны, хотя и с гораздо меньшей скоростью, нежели сама волна. Именно это перемещение масс воды позволяет жителям побережий собирать на берегу всевозможные дары моря.

Как происходит передача волнам энергии ветра?

Тебе наверняка известны пушкинские строки: «Ветер по морю гуляет и кораблик подгоняет...». Примерно так представляли себе раньше возникновение ветровых волн. Считалось, что ветер «подгоняет» волны подобно кораблику. Ты уже знаешь, однако, что быстрое движение волны - это всего лишь перемещение ее профиля, а не частиц воды. В связи с этим возникает вопрос: как происходит передача волнам энергии ветра!

Вопрос этот оказался отнюдь не простым. Начнем с того, как зарождается волна. Вот вдоль горизонтальной поверхности воды начинает перемещаться воздух (над спокойной водной гладью подул легкий ветерок). Поверхность воды начинает искривляться - на ней образуются легкие вспучивания и впадины, перемещающиеся по направлению ветра. Иными словами, возникают небольшие волны. Что же заставляет ровную водную поверхность искривляться? Дело в том, что любой даже слабенький воздушный поток, строго говоря, не является ровным; в нем всегда имеются какие-то завихрения. Когда такой маленький вихрь возникает вблизи поверхности воды, давление воздуха на поверхность в данном месте уменьшается. Вот потому и происходит искривление водной поверхности. Там, где давление слегка упало (т.е. в месте возникновения завихрения), поверхность чуть-чуть вспучивается, образуется водяной горбик. Так зарождается ветровая волна.

Теперь посмотрим, как совершается передача энергии ветра в уже образовавшуюся волну. Пусть волна бежит слева направо (см. рис. на с. 221). Выберем на гребне волны четыре частицы - две на левой стороне гребня (частицы 1 и 2) и две на правой (частицы 3 и 4). Частицы движутся по своим круговым траекториям, показанным в левой половине рисунка

пунктирными линиями; при этом частицы 1 и 2 уходят в глубь водной массы, а частицы 3 и 4, напротив, стремятся выйти из воды наружу. Ветер дует слева направо, поэтому его давление на левый склон гребня волны (на наветренный склон) будет больше, чем на правый (подветренный) склон. Значит, ветер будет подталкивать частицы 1 и 2 внутрь воды сильнее, чем тормозить выход частиц 3 и 4 из воды. Можно сказать, что энергия, передаваемая ветром частицам 1 и 2 (точнее говоря, всем частицам на наветренном склоне гребня волны), будет больше энергии, получаемой ветром от частиц 3 и 4 (от частиц подветренного склона гребня). Тем самым происходит накачка волны, энергией ветра.

Картина передачи энергии от ветра к волнам осложняется тем, что волна, в свою очередь, воздействует на воздушный поток, который распространяется над ней. За подветренной стороной гребня воздушный поток «заворачивается», образуя завихрение, показанное в правой половине рисунка. У самой поверхности воды воздух в этом вихре движется назад по отношению к направлению волны. Туда же движутся и частицы воды, оказавшиеся в ложбине волны. Значит, эти частицы будут эффективно подгоняться воздушным потоком; в результате гребень волны будет увеличиваться, энергия волны будет расти. Заметим, что одни ученые считают напор ветра на наветренные склоны гребней главной причиной роста ветровых волн. Другие же полагают, что главную роль играет передача энергии волне за счет возникновения завихрений над подветренными склонами гребней.

Понятно, что передача энергии ветра волнам происходит тем интенсивнее, чем больше скорость ветра по сравнению со скоростью волны и чем выше гребень волны. Известно, что скорость волны уменьшается с уменьшением ее длины. Значит, при данной скорости ветра должны развиваться прежде всего более короткие волны, причем волнам «выгодно» расти в высоту, оставаясь при этом относительно короткими. Вначале все так и происходит - до тех пор, пока в игру не включатся два весьма существенных фактора.

Первый фактор - неустойчивость волн. Волны с крутизной выше --

7 оказываются неустойчивыми -- они немедленно разрушаются. Второй фактор - быстрое увеличение с ростом высоты волн потерь, связанных с внутренним трением, т.е., проще говоря, потерь на нагревание воды (во время шторма море теплее, чем в штиль). На начальной стадии развития волн потери на трение несущественны, но потом они быстро возрастают и рано или поздно становятся больше поступления энергии от ветра. И тогда дальнейшее развитие волн данной длины прекращается.

Отмеченные два фактора объясняют, почему в общей картине волнения на море преобладают в конечном счете не короткие высокие волны, а волны длинные пологие. Конечно, длинные пологие волны менее эффективно отбирают энергию у ветра, но зато они более устойчивы, и, кроме того, у них заметно ниже потери на внутреннее трение. Последние два обстоятельства оказываются в итоге решающими. Относительно короткие волны рождаются и растут первыми, и первыми же они разрушаются, достигнув предельной высоты. Их энергия передается более длинным волнам.

Морские течения

Его Величество Океан находится все время в движении. Основная причина тому - беспокойная атмосфера Земли. Именно воздушные потоки нижних слоев атмосферы вызывают волнения в морях и океанах. Эти волнения отнюдь не ограничиваются морскими ветровыми волнами. Как в приповерхностных, так и в глубинных «этажах» Мирового океана наблюдаются мощные перемещения водных масс. Их называют морским течениями, хотя, наверное, правильнее было бы назвать океаническими течениями.

Поверхностные морские течения

Различают поверхностные и глубоководные морские течения. Поверхностные течения захватывают поверхность морей и океанов; они распространяются вдоль поверхности, проникая в глубину от сотен метров до одного-двух километров. Глубоководные течения наблюдаются на достаточно больших глубинах; эти течения связаны с подъемом и опусканием водных масс, с их движением вдоль поверхности дна океанов.

Вот перед тобой карта поверхностных морских течений. Здесь сплошными линиями со стрелками показаны холодные течения, а штриховыми линиями - теплые течения. Поверхностные морские течения - это весьма мощные водные потоки длиной в тысячи километров, шириной в сотни километров и глубиной, как уже отмечалось, до одного-двух километров.

Одно из наиболее известных и хорошо изученных морских течений -Гольфстрим. Оно имеет длину около 10 тыс. км; начинается вблизи полуострова Флорида, движется на северо-восток и выходит к островам Шпицберген. К востоку от 30° з.д. течение Гольфстрим называют также Северо-Атлантическим течением. У полуострова Флорида течение Гольфстрим особенно быстрое (его скорость здесь до 10 км/ч), особенно теплое (температура воды у поверхности 24-28 °С) и особенно полноводное (расход воды в 20 раз превышает расход воды всех рек Земли, вместе взятых). Расход воды - это величина, измеряемая объемом воды, проходящим в единицу времени через поперечное сечение потока. У Гольфстрима расход воды составляет 25 млн. км3/с. Только вдумайся: каждую секунду через поперечное сечение Гольфстрима проходят 25 миллионов кубических километров воды (2,5 * 1016 тонн воды)! Вблизи Исландии скорость Гольфстрима уже заметно меньше (4-5 км/ч) и температура заметно ниже (10-20 °С).

Структура поверхностных морских течений земного шара определяется тремя основными факторами:

системой глобальных приповерхностных ветров (см. рисунок «а» в п. 9.2 на с. 189);

расположением материков;

вращением Земли вокруг своей оси.

Все эти факторы принципиально важны. Но первое место, по праву, принадлежит ветрам. Именно они, передавая часть своей энергии водным массам, порождают поверхностные морские течения, приводят в движение огромные массы воды. Морские течения порождаются пассатами, западными ветрами, полярными восточными ветрами, а также муссонами. Сравнивая приведенную здесь карту морских течений с направлением постоянных ветров на рисунке «а» (с. 189; п. 9.2), ты легко сообразишь, что Гольфстрим и Северо-Атлантическое течение, а также течение Куросио обязаны своим происхождением западным ветрам Северного полушария. Нетрудно видеть, что Течение Западных Ветров вызывается западными ветрами Южного полушария. Северные Пассатные течения и Южные Пассатные течения говорят сами за себя. Вдоль северного побережья Евразии с востока на запад распространяется течение, вызванное полярными восточными ветрами Северного полушария; оно ответственно за дрейф льдов в Северном Ледовитом океане в направлении от Восточно-Сибирского моря к Гренландии.

Конечно, во всех случаях глобальным ветрам в той или иной мере мешают проявить себя материки. Они вынуждают морские течения поворачивать. В Северном полушарии течения обнаруживают тенденцию поворачивать направо (если смотреть по ходу течения), тогда как в Южном полушарии течения поворачивают налево. Это есть результат воздействия вращения Земли на водную массу планеты. С этим воздействием мы познакомились в п. 9.2, рассматривая структуру ветров на рисунках «а» и «б» на с. 189. Ты, наверное, помнишь разговор о том, что в Северном полушарии воздушные массы, приближающиеся к экватору, заворачивают к западу, а удаляющиеся от экватора заворачивают к востоку. Причина -вращение Земли. По этой же причине водные потоки в Северном полушарии поворачивают направо.

В результате совместного действия трех отмеченных факторов формируются несколько больших циклов поверхностных морских течений. В Северном полушарии они циркулируют в направлении против часовой стрелки. Это три цикла (обязательно рассмотри их на карте морских течений):

в Атлантическом океане: Гольфстрим, Северо-Атлантическое, Канарское, Северное Пассатное;

в Тихом океане: Куросио, Северо-Тихоокеанское, Калифорнийское, Северное Пассатное;

в Индийском океане: Сомалийское, Муссонное, Южное Пассатное.

В Южном полушарии морские течения циркулируют в направлении по часовой стрелке. Здесь также есть три цикла:

в Атлантическом океане: Бразильское, Течение Западных Ветров, Бенгальское, Южное Пассатное;

в Тихом океане: Восточное Австралийское, Течение Западных Ветров, Перуанское (Гумбольдта), Южное Пассатное;

в Индийском океане: Игольное, Течение Западных Ветров, Южное Пассатное.

Задание. Учитывая структуру поверхностных морских течений, выбери маршруты путешествия на воде: 1) от Магелланова пролива через Тихий океан и далее через Атлантический океан к острову Исландия; 2) от Камчатки в Индийский океан и далее к берегам Аргентины. Надо подробно описать каждый маршрут. Лучше всего начертить его на контурной карте.

Размещено на allbest.ru