Внешние силы планеты Земля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Внешние силы Земли

горный порода образование разрушение

Образование гор объясняется в основном внутренними (эндогенными) силами Земли - тектоническими и вулканическими процессами, тогда как разрушение гор связано в основном с внешними (экзогенными) силами Земли. В данной теме мы будем говорить именно о внешних силах.

Горы и горные системы геологи подразделяют на молодые и древние. Если преобладают внутренние силы, то процессы образования гор идут интенсивнее процессов разрушения. Такие горы называют молодыми. Они с течением времени растут. Если же преобладают внешние силы, то интенсивнее идут процессы разрушения гор. Такие горы называют древними. Они не растут, а, напротив, с течением временем постепенно выравниваются. Примерами молодых гор являются Гималаи, Гиндукуш, Памир. Типичный пример древних гор - Уральский хребет.

Какие же процессы отвечают за разрушение гор? Следует выделить три группы подобных процессов: 1) выветривание, 2) работу рек, 3) обвалы и оползни. Все они заслуживают отдельного рассмотрения.

Выветривание - разрушение горных порол

Справка. Выветривание - процессы разрушения и химического изменения горных пород на земной поверхности вследствие колебаний температуры и воздействий атмосферы, воды и организмов.

Как ты думаешь, очень ли прочен гранит? Многие полагают, что гранитные скалы - это что-то незыблемое. Увы, это не так. С течением времени камень-гранит рассыпается в мелкий щебень, крошку, песок, превращается в глину. Пройдет еще некоторое время, и бывший гранит превратится в осадочные породы.

Почему же гранит со временем рассыпается? Представь себе гранитную скалу весенним днем. Пригрело солнце, снег на скале подтаял, по ее склонам побежали ручейки, проникая в трещины и углубления скалы. Ночью температура снизилась и вода в трещинах замерзла. Ты знаешь, что при превращении воды в лед происходит небольшое увеличение ее объема. Из-за этого лед внутри трещины начнет раздвигать ее стенки, будет расширять трещину. И так изо дня в день, из года в год. Рано или поздно трещина разовьется так сильно, что от скалы отделится кусок гранита и скатится вниз. Так постепенно разрушается гранитная скала.

Процессы, приводящие к постепенному разрушению наземных горных пород, геологи называют выветриванием. Не думай, пожалуйста, что выветривание - это работа ветра. Конечно, ветер играет здесь определенную роль. Но далеко не главную. Более существенно воздействие воды и колебаний температуры. Вода вымывает все, что откололось или раскрошилось. А раскалыванию пород весьма способствуют не только образующийся внутри трещин лед, но и изменения объема пород, вызванные колебаниями температуры.

Влияние колебаний температуры следует отметить особо. Тебе наверняка известно, что твердые тела (а значит, и твердые горные породы) при повышении температуры расширяются, а при понижении температуры сжимаются. Величина расширения и сжатия для различных веществ различна. Любая горная порода, и в том числе гранит, неоднородна. Гранит, например, как тебе известно, содержит минералы - кварц, полевой шпат, слюду. Эти минералы при колебаниях температуры расширяются и сжимаются в разной степени, что и способствует разрушению гранитной скалы. У геологов есть даже специальный термин - температурное выветривание.

Температурное выветривание особенно велико в местностях с континентальным климатом, где довольно велики суточные и сезонные перепады температуры. Оно в разной степени проявляется в разных породах. Желтоватые песчаники, из которых сложены знаменитые египетские пирамиды, выветриваются со скоростью порядка одного миллиметра в год. Скорость выветривания известняков значительно больше - до 2 см/год, а гранит, напротив, разрушается намного медленнее.

Итак, колебания температур приводят к тому, что горные породы покрываются трещинами, раскалываются, отслаиваются, крошатся. А вода и ветер усугубляют процесс разрушения, вымывая и выметая мелкие обломки и каменную крошку. Определенный вклад вносит также лед, образующийся в трещинах, если температура опускается ниже О °С.

Однако этим процессы разрушения горных пород не исчерпываются. Важную роль играет так называемое химическое выветривание. Под воздействием воды, воздуха, гниющих остатков организмов образуются кислотные растворы, которые вызывают различные химические реакции, приводящие к появлению в породах новых минералов, новых соединений. Скорость реакций может быть весьма медленной, но это не имеет принципиального значения для геологических процессов.

Разрушению горных пород способствуют также разнообразные живые организмы, поселяющиеся на этих породах. В связи с этим используют еще один специальный термин - биогенное выветривание. Породы всегда богаты всевозможными микроорганизмами, живущими на поверхности и во внутренних пустотах. Микроорганизмы выделяют кислоты и тем самым активизируют химическое выветривание. На голых скалах поселяются колонии лишайников и мхов; они способствуют превращению части породы в почву, на которой затем появляются растения. Корни растений углубляют и расширяют трещины в каменных скалах и этим вносят свой вклад в процессы выветривания.

Так как прочность даже у одной и той же породы различна для разных ее составляющих, то вполне естественно, что одни участки породы поддаются выветриванию быстрее, чем другие. Избирательный характер выветривания объясняет возникновение каменных колодцев, столбов, ниш, арок. Более рыхлые участки пород быстрее выветриваются (они вымываются, выносятся вниз по склонам), а более плотные участки пород начинают выступать в виде различных каменных «изваяний». На рисунке на с. 128 ты можешь полюбоваться рельефом, сформировавшимся благодаря избирательности выветривания.

Реки - «виновники» грандиозных геологических процессов

Текущие воды (реки) нередко называют «ударной силой экзогенных процессов». И это справедливо. Подсчитано, что все реки Земли каждый год выносят в моря и океаны в общей сложности около 20 млрд. тонн вещества, позаимствованного у суши. Три четверти всей этой массы выносится с континента Евразия. Те вещества, которые были растворены в речной воде, останутся в виде растворов в морской воде. А нерастворимые вещества осядут в прибрежных областях морского дна. Частицы глины отлагаются на морском дне достаточно далеко от устья реки. Поближе к устью отлагается песок - основной материал, который поставляет река. Гравий и галька отлагаются и могут подхватываться морскими течениями, могут разноситься прибоем вдоль берега. Некоторые реки выносят в море слишком много материала - и тогда вблизи устья формируются постепенно нарастающие равнинные участки суши, называемые дельтой.

Как рождается речная долина

Вот перед нами обычная речная долина - равнинная полоса земли шириной от нескольких сотен метров до нескольких километров. По ее откосам тянутся холмы, а по самой долине течет небольшая река шириной 20-40 м. Она плавно извивается - приближается то к одному откосу долины, то к другому. Кажется, будто когда-то здесь протекала широкая и глубокая река, потом она высохла, и от нее осталась вот эта небольшая речка. Но в действительности все было не так. В действительности все пространство между склонами нынешней долины было некогда занято горными породами. Ты спросишь: куда же они подевались? Оказывается, постепенно, в течение десятков и сотен тысяч лет (мелочь по геологическим масштабам!), все эти горные породы по камешкам, крупинкам, песчинкам вынесла вниз по течению та небольшая речка, которая сейчас извивается тонкой лентой по долине. Это удивительно, но это так и есть. Чтобы объяснить столь удивительный факт, надо понять, почему река не течет прямо, почему она извивается. Извивы рек не следует объяснять только рельефом местности. Главная причина в другом. Представим реку, текущую прямолинейно по совершенно ровной местности в достаточно однородном грунте. Нетрудно сообразить, что даже в таких идеальных условиях прямое направление течения реки будет неустойчивым. Как это понимать? А вот как. Допустим, что вследствие каких-либо причин (например, небольшой неоднородности грунта) где-то вдоль течения образовался незначительный изгиб русла реки. Выровняет ли река это случайно возникшее искривление русла? Оказывается, не только не выровняет, а наоборот, еще более увеличит. Возникновение случайного искривления русла означает, что в данном месте водная масса движется уже не прямолинейно, а по некоторой дуге. Она (водная масса) будет напирать на вогнутый берег и подмывать его. В результате будет увеличиваться искривление русла реки. Подмываемый (вогнутый) берег будет становиться круче, причем дно реки у этого берега будет углубляться. У противоположного же (выпуклого) берега река будет напротив, становиться более мелкой, там возникнет отмель.

Легко понять, почему река более глубока именно у вогнутого берега. Частицы воды вблизи этого берега проходят на повороте более длинный путь (описывают более длинную дугу), чем частицы воды вблизи выпуклого берега. Значит, у вогнутого берега скорость движения воды, больше, чем вблизи выпуклого. Чем выше скорость воды, тем интенсивнее идет процесс вымывания грунта. Вымывая вблизи крутого (вогнутого) берега больше грунта, река тем самым углубляет свое русло именно у этого берета. На рисунке «а» (см. с. 131) линия со стрелками показывает, где на речной поверхности наиболее сильное течение (стрежень). Видно, что наиболее быстрый водяной поток прижимается к вогнутым берегам и отступает от выпуклых берегов.

Полное объяснение картины (объяснение не только углубления дна у вогнутого берега, но и обмеления вблизи выпуклого берега) дает рисунок «б», где показана циркуляция воды в вертикальной плоскости. Из рисунка видно, почему вода активно подмывает обрывистый берег и в то же время выносит на отмель все то, что в излишке скапливается в самых глубоких местах дна. В частности, вода выносит на отмель частицы породы, и прежде всего песок, которые попали в реку с подмываемого водой обрывистого берега.

Вот так и происходит с одного края размывание пород, а с другого - откладывание пород. А в итоге возникают и становятся круче и круче речные извивы. Так что можно сказать: реки извиваются потому, что они трудятся. Где-то размывают породы, а где-то намывают.

В результате подобной многолетней трудовой деятельности сравнительно небольшая река способна сформировать широкую и глубокую долину, пролегающую через горную местность. Эта равнинная долина сложена из обломков (мелких камней, песка, глины) тех самых пород, которые залегали в горной местности. Коротко говоря, многолетний труд реки превращает горы в равнину.

Откуда берется энергия реки?

Разумеется, этот труд огромен, он требует огромной энергии. Откуда берется эта энергия? Тут мы с тобой должны снова (в который раз!) заглянуть мысленно вглубь Земли и вспомнить об энергии движения магматических масс в астеносфере, получаемой от тепловой энергии земных недр.

Энергия астеносферы превращается (разумеется, не целиком, а частично) в энергию движения литосферных плит. Мы с тобой уже выяснили, что энергия движущихся литосферных плит обеспечивает энергию деформации этих плит, которая, в свою очередь, обеспечивает энергию сейсмических волн, порождающих землетрясения.

Конечно, энергия движущихся литосферных плит превращается в энергию их деформации лишь частично. Какая-то часть энергии движущихся плит превращается в энергию поднятых вверх пород. Физики называют эту энергию потенциальной. Поднятые вверх тела (в том числе породы) могут под действием силы тяжести начать движение вниз (падать или перемещаться по наклону); энергия их движения берется как раз за счет той потенциальной энергии, которую они приобрели в результате подъема вверх.

Энергия движения опускающихся вниз по течению реки обломков пород - это и есть одна из двух частей энергии, за счет которой выполняют свою работу реки. А другая часть - это энергия образовавшихся в атмосфере облаков, которые, выпадая в виде осадков, обеспечат энергию самой воды, стекающей по наклону к морю. Облака образуются за счет энергии солнечных лучей.

Таким образом, энергия грандиозных геологических процессов, происходящих благодаря участию в них рек Земли, обеспечивается, во-первых, потенциальной энергией поднятых вверх пород и, во-вторых, энергией солнечного излучения.

О Большом Каньоне, а также о порогах и водопадах

Но вернемся к разговору непосредственно о геологической деятельности рек. В некоторых местностях эта деятельность приводит к образованию удивительных форм рельефа - узких и очень глубоких ущелий, которые называют каньонами. Много каньонов в Северной Америке. Полюбуйся изображенным на рисунке на с. 134 знаменитым Большим Каньоном. Его создала река Колорадо (американский штат Аризона). Каньон выработан рекой Колорадо в толще известняков, песчаников и сланцев. Длина каньона 450 км, глубина до 1600 м. Он проходит по поверхности горной равнины (плато Колорадо), находящейся на высотах 1500-2000 м. Ширина каньона на уровне поверхности плато от 10 до 25 км, ширина вблизи дна менее километра (на отдельных участках до 100 м).

Геологи считают, что плато Колорадо - это остаток древней обширной долины. Примерно 10 млн. лет назад произошло поднятие Североамериканской литосферной плиты (тогда-то и образовалась возвышенная равнина, называемая плато Колорадо). Это поднятие существенно увеличило энергию рек, стекающих с плиты. По-видимому, река Колорадо стала весьма энергичной и принялась вымывать собственное дно настолько активно, что склоны реки попросту не успевали сформироваться. Река буквально врезалась в горные породы, слагающие плато, и «пропилив» толщу пород, образовала уникальный каньон.

Вот как описывает свои впечатления один из тех, кому посчастливилось побывать у Большого Каньона.

Панорама Большого Каньона - это совершенно необычная картина природы. Перед глазами открывается исполинская каменная стена двухкилометровой высоты, изрезанная бесчисленными ущельями, гротами, амфитеатрами, выступающими карнизами. Она спускается в глубину рядами террас и бесконечно протягивается направо и налево. Вся эта огромная масса сложена из совершенно горизонтальных слоев, которые вырисовываются с предельной ясностью благодаря различной окраске. В верхних слоях располагаются песчаники. Их верхние пласты нежно-телесного цвета, а нижние сверкают яркой огненно-красной краской. Еще ниже идут главные породы - известняки с характерной темно-пурпуровой окраской. Тут густой красный цвет смешивается с синим. Полутонов, постепенных переходов света и тени здесь нет. Там, куда падают лучи солнца, царит яркий свет, а ущелья и теневая сторона каменных стен окутаны непроницаемой тьмой.

Внизу вьется темная ложбина, по которой течет Колорадо. Она видна только на небольшом протяжении - дальше повороты каньона скрывают ее от наших взоров. Река кажется темно-красной неподвижной лентой, замкнутой в глубокой тени скалистых берегов. На самом деле эта кажущаяся мертвой полоса воды - бешеный поток. С пеной ж ревом несется он вниз по каменным террасам, образуя бесчисленные пороги и водопады, но огромное расстояние и страшная глубина пропасти скрывают от нас все детали этой оживленной картины.

Разговор о реке Колорадо и Большом Каньоне позволяет обратить внимание на процесс углубления рекой собственного русла. Река не просто вымывает обломки придонных пород, снося их вниз по течению, но и использует эти обломки как материал, с помощью которого она бомбардирует и соскабливает участки дна ниже по течению.

Предположим, что по ходу русла реки встречается участок достаточно прочной породы (например, гранита), а после него идет участок менее прочной породы (например, песчаника). Текущей воде весьма затруднительно воздействовать на гранитный участок дна, зато легче размывать песчаник. Особенно если придет на помощь температурное выветривание. Нетрудно сообразить, что в данном случае на дне реки образуется гранитный уступ.

Поначалу это будет порог. С течением времени он может превратиться в водопад.

С образованием водопада шансы у гранитного уступа устоять под натиском реки уменьшаются. Низвергаясь с уступа, вода не только вымывает под ним глубокую яму, но и подмывает основание уступа, что рано или поздно приводит к его обрушиванию, в результате бровка водопада будет постепенно отодвигаться вверх по течению реки.

Разрушительно-созидательная деятельность рек

Говоря о разрушительно-созидательной деятельности рек, надо учитывать, что у рек есть серьезные помощники. Сама река трудится, строго говоря, на достаточно ограниченной территории. Она ограничена руслом реки и ее долиной. Причем не всей долиной, а той ее частью, которая затопляется в половодье или во время паводков (эту часть речной долины называют поймой). Необходимо, чтобы находящиеся за пределами упомянутой территории горные породы кто-то раздробил, измельчил и доставил к руслу реки. Эта работа как раз и выполняется в процессах выветривания, которые мы уже рассматривали. Наряду с выветриванием большую роль играют оползни, осыпи, обвалы, сели. С этими явлениями мы познакомимся позднее.

Кусочки грунта, обломки пород поступают в реку со склонов также в результате ливней и таяния снега (за счет так называемого плоскостного смыва). Человек усиливает процесс плоскостного смыва пород, вырубая

леса по берегам рек, распахивая поля. Образующийся вследствие деятельности человека беззащитный (оголенный) слой почвы легко смывается дождевой водой в реку. На рыхлых оголенных землях дожди и таяние снега порождают овраги - длинные и относительно узкие провалы-трещины с крутыми склонами. Зародившись на каком-нибудь склоне, овраг начинает расти за счет обвалов его стенок, появляются ответвления. Длина оврага может достигать нескольких километров. Его ширина может составлять десятки и даже сотни метров, а глубина доходить до 10 м.

Итак, реки Земли в союзе с процессами выветривания, обвалами, оползнями, хотя и постепенно, но неумолимо изменяют рельеф континентов. Горные плато они разрезают на ущелья. Холмы и горы превращают в равнины. Но и сама река со временем изменяется. Происходит не только углубление и расширение русла и долины. Сами русла рек, сами речные долины изменяют с течением времени положение на географической карте.

Нетрудно понять, почему это происходит. Сотворив собственную долину, река, переполнившись обломочными материалами, может завалить ими долину, в буквальном смысле сравнять ее с землей. Вполне возможно, что при этом река может как бы «забыть» о своем прежнем русле и проложит новое, а потом сотворит и соответствующую новую речную долину. Великая китайская река Хуанхэ за последнюю тысячу лет не раз меняла свое русло в нижнем течении, попеременно впадая то в Желтое, то в Восточно-Китайское море. Река Амударья засыпала принесенным ею песком огромную территорию, называемую сегодня пустыней Каракумы. Когда-то эта река впадала в Каспийские море, но сотворенные ею же пески «сбили ее с толку» - и теперь Амударья впадает в Аральское море. Восемь тысяч лет назад Кама и Вятка были притоками Северной Двины. Потом они проложили новые русла - и ныне находятся в бассейне Волги.

А теперь наступило время задать вопрос: что же следует считать главным в деятельности рек - разрушение или созидание?

Возможно, ты отдашь первенство разрушению. Ведь именно реки (непосредственно сами и вместе со своими союзниками) постепенно превращают горные участки континентов в равнинные. Это, конечно, так. Но те же реки намывают новые участки суши, отвоевывают их у водной территории. Это не только дельты рек или речные острова. Многие озера превратились в равнины (их так и называют - озерные равнины), и многим еще предстоит превратиться. Ученые предсказывают, что небольшая река Швейцарская Рона, постоянно сбрасывая наносы в Женевское озеро, превратит это знаменитое озеро в равнину через 45 тыс. лет. Крупные сибирские реки Обь, Енисей, Лена, а также Оленек, Яна, Индигирка, Колыма создали своими наносами в Северном Ледовитом океане полуострова Ямал и Гыданский, намыли Северо-Сибирскую и Колымскую низменности. Рейн отвоевал у моря Голландию, Нил - весь Нижний Египет, Миссисипи - низменность Мексиканского залива.

С учетом всего этого ты, возможно, начнешь считать, что реки Земли в большей степени являются созидателями, нежели разрушителями. Но, как всегда, не надо торопиться. Создание речными наносами значительных участков суши, которые прежде были заняты морями и океанами, - это только промежуточный этап в той грандиозной геологической работе, которую вершат реки.

А следующий этап - это размывание равнин, превращение их в отложения на дне морей и океанов. Пока материки все еще возвышаются над уровнем Мирового океана (иными словами, пока они обладают потенциальной энергией, соответствующей этому возвышению над океаном), реки не успокоятся. Геологи подсчитали, что реки Земли могли бы за 200 млн. лет полностью размыть все выступающие над поверхностью океана участки земной коры и превратить все пространство нашей планеты в единый безбрежный океан.

Могли бы, если бы не одно «но». Если бы не продолжалась тектоническая деятельность внутренних сил Земли, если бы благодаря ей не происходили поднятия земной коры, если бы на смену древним горам не рождались новые.

Морские течения и волны

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.

«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