Файл: Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник.pdf

волны распространяются со значительно меньшей скоростью, чем поверхностные.

С учетом вращения Земли для свободной поверхности имеем

вине «маятниковых суток», т. е. половине периода вращения маят­ ника Фуко.

Рассмотрим отношение амплитуд поверхностной А і и внутрен­ ней А г волн

Отношение амплитуд обратно пропорционально устойчивости Е вод на граничной поверхности и пропорционально отношению тол­ щины верхнего (hi) и нижнего (йг) слоев друг к другу. Знак ми­ нус говорит о том, что амплитуды этих волн находятся в противо­ фазах колебаний.

Поступательные внутренние волны перемещаются тем медлен­ нее, чем меньше различие в плотности соприкасающихся слоев, и с меньшей скоростью, чем поверхностные. Амплитуды их значи­ тельно превосходят амплитуды поверхностных волн, а при одина­ ковом периоде они обычно короче волн на свободной поверхности. Внутренние волны бывают не только поступательные, но и стоячие. Стоячие внутренние волны наблюдаются в районах подводных по­ рогов, резко изменяющихся глубин, над которыми распростра­ няются на поверхности моря приливные волны. Внутренние волны могут возникать не только при наличии двух слоев существенно различной плотности, но и при непрерывном ее изменении, а также при наличии нескольких резко различающихся по своим характе­ ристикам слоев. Основными факторами, определяющими элементы внутренних волн, служат характер и особенности стратификации водных масс, их вертикальная устойчивость, глубина и характер рельефа дна, а также наличие возбуждающих внешних сил. Внут­ ренние волны могут возникать и распространяться в различных на­ правлениях, но при малоустойчивой и неустойчивой стратификации вод они могут трансформироваться, опрокидываясь и разрушаясь. Наиболее распространены и реально обнаруживаются в море при­ ливные внутренние волны, которые создают не только вертикальные смещения вод, но и горизонтальные, т. е. внутренние приливные течения. Эти течения наблюдаются на больших глубинах и при определенных условиях могут иметь максимальные скорости, более значительные, чем на поверхности. Запросы практики — подвод­ ного плавания, рыбного промысла, использования гидроакустиче­ ской аппаратуры — требуют детального знания внутренних волн в различных районах Мирового океана. Весьма актуальна эта проб­ лема и в связи с решением задачи о захоронении в области боль­ ших глубин радиоактивных отходов, а также для многих океаноло­ гических проблем, связанных с изучением динамических условий в морях и океанах, вплоть до оценки точности наблюдаемых океа­ нологических характеристик.

§ 61. Волны, вызываемые землетрясениями (цунами)

При резких вертикальных и горизонтальных смещениях дна, вызванных тектоническими процессами, в толще океанов и морей возникают волновые колебания, которые на поверхности воды соз­ дают серию длинных волн, известных под японским названием цу­ нами. Большая часть волн цунами связана с землетрясениями и меньшая создается подводными вулканическими извержениями и оползнями. Не все наблюдаемые подводные землетрясения сопро­ вождаются цунами: слабые землетрясения их не вызывают, но и сильные вызывают не всегда. Например, в Тихом океане из ста сильных землетрясений только одно создает цунами. Установлено, что цунами возникают при силе подземных толчков более 6 баллов и расположении фокусов (очагов) на глубине до 40 км. При более

глубоком расположении очагов цунами проявляются слабо, а при глубине их 75—80 км цунами почти не наблюдаются.

оценки интенсивности землетрясений, пропорциональная логарифму максимальной амплитуды горизонтального смещения почвы на рас­ стоянии 100 км от очага землетрясения, Н — глубина очага) . Кроме силы землетрясения и положения очага, большое значение в фор­ мировании волн цунами имеют рельеф дна и очертания берегов. В открытом океане или море волны цунами не заметны, так как они очень длинные и пологие. Длина их приближенно равна протяжен­ ности зоны их зарождения и колеблется от 20 до 400—600 км. Она определяется по формуле

редки и наблюдаются в узких бухтах и суживающихся заливах. Обычно к побережью подходит группа волн цунами (две-три и бо­ лее), причем чаще всего они распространяются от эпицентра кон­ центрически, а не в одном направлении, со скоростью 400—800 км/ч [5]. Наиболее активные зоны зарождения цунами связаны с сейсми­ ческим поясом Тихого океана. Это районы Алеутской, Курило-Кам­ чатской, Японской, Филлипинской, Марианской впадин и побережье Чили. Цунами наблюдаются и в морях Средиземном, Мраморном, Черном, даже Каспийском. В среднем в год проходит пять цунами, отмеченных приборами, но не разрушительных. Сильные цунами случаются в Мировом океане в среднем один раз в год. Последнее самое крупное цунами, с которым связаны огромные катоетрофш ческие бедствия, было 22 мая 1960 г. у берегов Чили. В пределах всего Мирового океана, по неполным данным, за 2500 лет зафикси­ ровано 368 случаев цунами. У берегов Японии из 99 цунами только 17 были катастрофическими, на Камчатке из 16 — 4, на Гавайских островах из 49 — 5. На Черном море эпицентры сильных землетря­ сений расположены у Южного берега Крыма и у кавказского побе­ режья от Анапы до Сочи. Крымские и кавказские землетрясения, которых в среднем в год насчитывается 50, не все сопровождаются цунами. Их эпицентры расположены в море. Последние цунами, отмеченные у берегов Крыма, зафиксированы 26 июня и 12 сен­

тября 1927 г. У кавказского побережья последнее цунами относится к 12 июня 1966 г. Эпицентр землетрясения, вызвавшего это цунами, находился на расстоянии 10 км от г. Анапы. Глубина залегания очага 36 км от поверхности дна. Скорость распространения волн цунами была у Феодосии 120 км/ч, у Ялты 200 км/ч, у Геленджика 180 км/ч, длина 86—120 км.

Огромный ущерб, приносимый волнами цунами, определяет не­ обходимость организации специальных служб предупреждения. В СССР, Японии, США и других странах такие службы используют сейсмические, акустические, геофизические и океанологические на­ блюдения, производимые сетью специальных станций и научных учреждений.

§ 62. Сейши

Сейшами называют стоячие свободные волны, возникающие в полузакрытых и закрытых бассейнах под влиянием резких нару­ шений равновесия вод. Причинами этих колебаний могут быть рез­ кие изменения давления атмосферы над бассейном и за его пределами, сгон­ но-нагонные явления при быстрой смене или зату­ хании ветра, обильное вы­ падение осадков в одном из районов моря, созда­ ющего наклон уровенной поверхности и стремление вод восстановить нару­ шенное равновесие. Сейши могут возникать и под влиянием приливных про­ цессов. Возникающие в открытом океане или мо­ ре приливные колебания могут создавать в зали­

вах и полузакрытых морях соколебательное (индуцированное) движение приливных периодов, представляющее собой колебание всей массы этого бассейна.

Сейши могут возникать и вследствие сейсмических явлений. Они охватывают бассейны в целом или их отдельные участки, заливы и бухты. При сейшах отсутствует поступательное движение в форме волны, а наблюдаются лишь вертикальные колебания, при которых в одном месте происходит подъем, в другом — опускание уровня. Самый простой вид сейш, когда уровень воды у одного края бас­ сейна поднимается, у другого — опускается (рис. 30 а ). При этом в средней части бассейна наблюдается линия, вдоль которой не происходит колебаний уровня, но существуют горизонтальные пере­ мещения вод (течения). Такая линия называется у з л о в о й .

Иногда наблюдаются сейши с двумя узловыми линиями (рис. 30 б). В первом случае сейша называется одноузловой, во втором — двух­ узловой. При одноузловой сейше частицы воды в придонном слое движутся вдоль дна в одном и другом направлении. Возможно образование сейш с тремя, четырьмя узловыми линиями и более (многоузловые сейши).

Исследованиями многих ученых разработана теория сейш и предложены методы расчета их периодов [8]. Самая простая фор­ мула была предложена Мерианом для бассейна прямоугольной формы с постоянной глубиной

2L

(76)

VJH ’

где Т — период сейши; L — длина бассейна; g — ускорение силы тяжести; Я — средняя глубина бассейна.

Если сейши многоузловые, то период определяется формулой

где п -— число узлов.

Периоды сейш разнообразны: от 5—10 мин до нескольких часов и даже суток (24, 48 ч и т. д.). Величины их невелики — от не­ скольких сантиметров до 1 м. Важные элементы сейш—-это узло­ вые линии, вдоль которых вертикальные колебания уровня равны нулю, а скорость горизонтальных смещений максимальна.

Элементы сейш зависят от морфометрических особенностей бас­ сейнов: размеров, очертаний, рельефа дна, а также стратификации вод. В бассейнах, где воды резко стратифицированы, могут возни­ кать внутренние сейши.

Сейши изучались на озерах, в заливах, бухтах и морях путем непосредственных измерений колебаний уровня, а также путем рас­ чета и моделирования этого процесса. На моделях такие исследо­ вания проводились в СССР В. П. Дубовым для Балтийского моря, В. Н. Соловьевым для оз. Байкал, М. Ремизовой для Аральского моря. Вследствие различий в очертаниях берегов и в рельефе дна сейши в морях и отдельных их частях могут значительно отли­ чаться друг от друга. Так, в Алжирской бухте в Средизгмном море отмечены сейши с периодами от 1,2 до 75 мин и с величинами до 1 м. На Азовском море (в Темрюке) наблюдались сейши с пе­ риодами до 23 ч и с наибольшей величиной 80 см.

В природных условиях сейши сочетаются с другими периодиче­ скими и непериодическими колебаниями. Поэтому выявление их

всложном реальном спектре колебательных движений водных масс затрудняется тем, что в некоторых бассейнах периоды сейш и инер­ ционных или приливных колебаний бывают близки, как, например,

вБалтийском море. Для решения этой задачи в современной оке­ анологии широко используются численные методы, аппарат иссле­ дования случайных процессов и вероятностно-статистические ме­ тоды расчета.