Гидрология

Гидрология Явление морских приливов было замечено очень давно . В V веке до нашей эры о нём уже писал древне греческий историк Геродот . Долгое время причи ны , вызывающие приливы , оставались непонятными . В древности их объясняли дыханием живущего в море божества Океана , или следствием дыхания планеты . Высказывались и другие фантастические предположения о природе приливо в . Между тем уже в весьма отдалённые в ремена простые жители приморских земель не только знали об особенностях приливов , но и связывали их с положением луны . Древн ие финикийцы – лучшие мореплаватели античног о м ира – были убеждены , что три движения моря управляются Луной : одно из них можно наблюдать ежедневно , второе – ежемесячно , третье – ежегодно. На островах Самоа ещё задолго до прихода туда европейцев жители заранее очень точно высчитывали время приливов , рук оводствуясь положением и фазами Луны . На к оралловых рифах у берегов Самоа в огромно м количестве живут морские черви палоло – излюбленное лакомство самоанцев . Дважды в год (в октябре и ноябре ) черви покидаю т риф и всплывают к поверхности моря , где их и лов я т . Каждый раз палоло "приходят " среди ночи во время пр илива на шестые сутки после полнолуния и потом ещё две ночи подряд . На Самоа не было календаря , не велось летосчисления , но наблюдательные самоанцы к долгожданной ночи запасали сети и корзины и никогда не ошибались в сроках лова. Из европейских учёных первым обратил внимание на связь приливов с движением Лу ны философ Р . Декарт (1596 – 1650). Он подметил , что время наступления приливов связано с положением нашего естественного спутника над горизонтом , а а мплитуда зависит от фазы луны . Связь между Луной и приливами он установил , а вот правильно объяснить её не смог . Согласно теории Декарта Л уна , проходя по небосводу , давит на воздух , окружающий Землю , а воздух , в свою оч ередь , давит на воду , заставляя её п о нижаться . Теория приливов Декарта была совершенно непохожа на господствовавшие в то время взгляды Галилея на приливы. Галилей отказался от идеи Кеплера о гравитационном притяжении , которую он считал вызывающей сожаление уступкой средневековью . (К еплер в св оей "Новой астрономии " (1609г .), содержавшей общие рассуждения о силе тяже сти , объяснял приливы как результат гравитаци онного притяжения , с которым Луна действует на поверхность океана .) Сам Галилей верил , что приливы вызываются влиянием вращения З емли на море и что само сущест вование приливов является доказательством того , что Земля движется , и тем самым косвенн ым подтверждением коперниковской системы . Теория приливов Галилея была изложена им в 1595г ., и окончательный её вариант появился в 1632 г . в " Dealo gi sopra i due massimi sismi del mondo , Tolecaico e Coperniciano ". Галилей предположил , что в каждой точке земной поверхности происходят постоянн ые изменения в скорости , зависящие от того , совпадают ли направления орбитального и осевого вращения Земли . Под орбитальным здесь понималось движение Земли вокруг Солнца в течение года , а под осевым – в ращение каждые 24 часа вокруг своей оси . Изм енения скорости каждой отдельной точки Земли вызывают возмущения в морском дне , которы е , передаваясь воде , вызывали прил и вы . Галилей пытался объяснить наблюдаемые времена и высоты приливов , также как и их изменения от места к месту , как результат ограничений , наложенных на первоначал ьную силу , вызываемую движениями Земли вокруг Солнца и своей оси , конфигурацией морског о дна. Эти три подхода к объяснению происхож дения морских приливов – галилеев , декартов и ранние версии гравитационной теории (на иболее полно изложенные у Кеплера ) были ос новным содержанием "теории " морских приливов в середине Х VII в ека . Ни одна из них ни тогда, ни через некоторо е время не смогла занять место другой , и все три имели своих почитателей и последователей , также как и критиков . До настоящего объяснения устройства Вселенной , так же как морских приливов , пришлось , однако , подождать до рождения в Англии Исаака Ньютона . Он сумел в своих "Н ачалах " не только сформулировать основные зак оны механики , но и показать , как на их основе можно объяснить многие загадочные явления , наблюдаемые на нашей планете . В первую очередь это , пожалуй , относится к объяснению пр и ливов в Мировом океане . Теория приливов Ньютона предполагает , что в поле приливообразующей силы поверхность океана приобретает фигуру равновесия . Если считать , что океан покрывает твёрдую оболоч ку Земли непрерывным слоем одинаковой глубины , то такой повер х ностью будет эллипсоид вращения - эллипсоид прилива , большая ось которого всегда направлена на Луну . Поверхность эллипсоида двумя выпуклостями – "горбами " – поднимается выше среднего уровн я покоя океана , а между ними широким п оясом , охватывающим весь твёр д ый ш ар , - пояс малых вод – лежит ниже сред него уровня . Эллипсоид , следуя за луной , де лает один оборот в течение месяца , а т вёрдое тело внутри эллипсоида делает один оборот в сутки , что и создаёт в каж дой точке тела периодические колебания уровня приливног о типа . В течение суто к Луна продвигается в ту же сторону , ч то и Земля (при её вращении ) по своему пути на расстояние , соответствующее 50 минутам (Луна обращается вокруг Земли за 27 1 /3 дня ). Поэтому от момента одной полной воды до другой до лжно проходить не 12 часов , а 12 ч 25 мин. Так как Луна имеет склонение , периодич ески изменяющееся в пределах от 23,5° S до 23,5° N , то бо льшая ось эллипсоида переменно наклонена к плоскости экватора . Это и создаёт суточное неравенство прилива в амплитудах и време нах . Иног да это приводит к полному изменению картины прилива . На параллели буд ет уже наблюдаться только одна полная вод а в сутки . Прилив из полусуточного (две полные и две малые воды в сутки ) ст ановится суточным . Ньютон смог дать вполне законченное объяснение тако й трансфо рмации приливов , и это было его первой теорией так называемых неравенств прилива. Ньютон не упустил из вида , что Сол нце , с точки зрения механизма возникновения приливообразующих сил , также должно приводить к аналогичным эффектам , что и действие Лун ы . В некотором смысле его действ ие должно быть даже проще . Ведь вращение земли составляет 24 часа ( а не 24ч 50 мин как у Луны ), так что солнечный прилив будет иметь период равный точно 12 ч . П равда , он может уступать по мощности лунно му и несмотря на то, что масса Солнца больше массы Луны , так что при тягивать водные частицы оно должно сильнее . Это было бы так , если бы не огромна я разница в расстояниях от Земли до Л уны и до Солнца . Расчёт солнечного эллипсо ида , сделанный Ньютоном , показал , что величины сол н ечного прилива в 2,17 раз ме ньше лунного . Имея теперь два равноправных эллипсоида : солнечный и лунный , Ньютон смог дать вполне наглядное объяснение сизигийным и квадратурным приливам . Когда оба эллипс оида складываются , т.е . когда приливообразующие силы Лу н ы и Солнца действуют в одном направлении (а это бывает в сизигии – при полнолунии или новолунии ), то высокая вода максимальна . В квадратуре , наоборот , она минимальна (солнечный эллипсоид "вычитается " из лунного ). Ньютону удалось также заметить , что та кие в ажные астрономические эффекты как изменение расстояния Луны от Земли в т ечение месяца и расстояния от Земли до Солнца в течение года приведут , естественно , к соответствующему изменению величин прилив ообразующих сил и к особым долгопериодным аномалиям в хо д е приливов . Посл едние носят названия параллактических неравенств , наличие которых было также объяснено Нью тоном. Ньютон обнаружил , что в рамках его теории путём учёта изменений в склонениях Луны и Солнца можно объяснить и тако й казалось бы малозначительный факт , под меченный уже к тому времени наблюдателями , что в разных местах вечерний прилив вы ше , чем утренний в одно время года , и ниже в другое . Поскольку между весенним и осенним равноденствием Солнце имеет се верное склонение (лунная орбита почти не м еняе т своего склонения относительно солнца ), то линия из центра Земли к Луне всегда будет на солнечной стороне , т. е . в северных широтах . Эта линия – ось приливного эллипсоида , так что днев ной прилив выше ночного , а зимой когда склонение Солнца южное – на о б орот. Приходится лишь удивляться , как Ньютон смог в то время объяснить практически все основные особенности приливов . Видимо , х орошее знание астрономии позволило ему сразу уловить причины аномалий приливов , связанные с изменением во времени взаимного рас положения Земли , Солнца и Луны. Теория морских приливов , созданная Ньютон ом и известная в настоящее время под названием статическая (потому что предполагалось существование равновесного эллипсоида в кажд ый момент времени ), открыла всем глаза на природу при ливов и их особенности . Это было блестящим достижением . Но вот один факт из приливных наблюдений не мог не смущать Ньютона и послужил зародышем дальнейшего развития теории приливов . Факт этот заключался в том , что наблюдаемые приливы могли сильно запаздыв а ть или наоборот опережать статические приливы. Чтобы объяснить несоответствия , отмеченные в статической теории , динамическая теория п рилива рассматривает явление не в статике , а в движении , как волну . Эта теория была выдвинута П . Лапласом (1749 – 1827), ра зв ивалась Дж . Эри , Дж . Дарвином , А . Дудсоном и продолжает совершенствоваться. В 1773 – 1775 гг . в своей знаменитой раб оте "Небесная механика " Лаплас впервые сформул ировал динамические уравнения движения жидкости под действием приливообразующих (периодическ их ) сил . Основное отличие динамической теории от статической заключалось в том , что не требовалась мгновенная реакция жидкост и на действие приливообразующих сил Ньютона . Естественно , что как частный случай из динамической теории должна была получаться ста т ическая . Лапласу в своей те ории удалось показать то , что ускользнуло от Ньютона , а именно , решающую роль в х арактере приливов глубины водоёмов , так как период свободных колебаний приливных волн зависит от неё . Лаплас сделал первые попыт ки применения теори и к данным н аблюдений над приливами во французском порту Брест , так как ему было ясно , что успехи в предсказании приливов теперь должны зависеть от понимания гидродинамики больше , чем от знания астрономии . В Бресте с 1711 до 1715 г . проводились довольно де т альные наблюдения над колебаниями уровня моря . Но они были далеки от совершенс тва . А новые наблюдения , инициированные Лаплас ом , начались только в 1806 г . Таким образом , эпоха , когда наблюдения над морскими прилив ами стали использовать для проверки теории, началась только с Х I Х века. Для практической деятельности человека , в частности для судовождения , очень важно з аранее знать уровень воды в любое время суток и в любом месте . Для этого со здаются специальные карты и таблицы приливов . По инициативе англичанин а Уэвелла в 1834 г . в течение двух недель были сделан ы наблюдения над приливами и отливами по всему побережью Великобритании и Ирландии , а затем они были повторены в июне 1835 г ., причём в то же самое время произв одились наблюдения от м . Нордкап до Гибрал т арского пролива и от устья р еки Св . Лаврентия до устьев Миссисипи . Так ая программа наблюдений являлась следствием т ого , что Уэвелл решил построить фактически первую карту приливов в Мировом океане . В 1833 г . в "Философских трудах " эта карта была опубликов а на как приложение к его статье "Опыт построения первой карты котидальных линий ". Котидальные линии , как пишет Уэвелл , те , которые соединяют точки , в которых в одно и то же время отмечается высокая вода . Они показывают гребе нь приливной волны и тем самым д а ют сведения о прикладном часе (время между прохождением Луны через меридиан и моментом наступления полной воды ) в разны х местах . Первые таблицы приливов были сос тавлены в 1870 г . английским учёным У . Кельвин ом. Величина и характер приливов в различ ных част ях побережья Мирового океана зависят от конфигурации берегов , угла наклона морского дна и от ряда других причин . Наиболее типично они проявляются на откр ытом побережье океана . Проникновение приливных волн во внутренние моря затруднено , и п отому амплитуда п риливов в них невелика. Узкие мелководные Датские проливы надёжно заслоняют от приливов Балтийское море . Те оретические расчёты показывают , что амплитуда колебания высоты уровня воды в Балтике ра вна приблизительно 10 сантиметрам , но увидеть эт и приливы прак тически невозможно , так как они полностью стираются колебаниями уровн я воды под влиянием ветра или изменениями атмосферного давления . Ещё более надёжно защищены от приливной волны наши южные мо ря – Чёрное и Азовское , сообщающиеся с водами Мирового океана ч ерез ряд узких проливов , и внутренние Эгейское и Средиземное моря . Если разница в уровне воды во время прилива и отлива на атлантическом берегу Испании вблизи Гибралтара достигала 3 метров , то в Средиземном море у самого пролива она равна лишь 1,3 мет ра . В остальных частях моря прилив ы ещё менее значительны и обычно не п ревышают 0,5 метра . В Эгейском море и пролива х Босфор и Дарданеллы приливная волна ещё сильнее затухает . Поэтому в Чёрном море колебания уровня воды под влиянием прили вов менее 10 сантиметр о в . В Азовском море , соединённом с Чёрным лишь узким Керченским проливом , амплитуда приливов близка к нулю. По этой же причине очень невелики приливы и в Японском море – здесь они едва достигают 0,5 метра. Если во внутренних морях величина при ливов по сравн ению с открытым побереж ьем океана уменьшена , то в заливах и б ухтах , имеющее с океаном широкое сообщение , она возрастает . В такие заливы приливная волна входит свободно . Водные массы устремл яются вперёд , но , стеснённые суживающимися бер егами и не находя вы х ода , подн имаются вверх и заливают сушу на значител ьную высоту. У входа в Белое море , в так на зываемой Воронке , приливы почти такие же , как и на побережье Баренцева моря , то есть , равны 4 – 5 метрам . На мысе Канин Н ос они даже не превышают 3 метров . Однако , входя в постепенно суживающуюся Воронку Белого моря , приливная волна становится в сё выше и в Мезенском заливе достигает уже десятиметровой высоты. Ещё более значителен подъём уровня во ды в самой северной части Охотского моря . Так , у входа в залив Шелихова у ровень моря в прилив поднимается до 4 – 5 метров , в кутовой же (наиболее удалённой от моря ) части залива возрастает до 9,5 ме тра , а в Пенжинской губе достигает почти 13 метров ! Очень велики приливы в Ла-Манше . На английском его побережье в маленьком залив е Лайм вода в сизигий поднимается д о 14,4 метра , а на французском , у городка Гранвиль , даже на 15 метров. Предельных величин приливы достигают на некоторых участках атлантического побережья Канады . В проливе Фробишера (он находится у входа в Гудзонов пролив ) – 15,6 метра , а в заливе Фанди (вблизи границы США ) – целых 18 метров. Иногда влияние морских приливов видно и на реках . В устьевую область приливна я волна приходит из открытых районов океа на или моря . По мере приближения к бер егу уровень повышается , а п рофиль прил ивной волны под влиянием уменьшения глубины и особенностей конфигурации берега деформиру ется . На взморье её передний склон станови тся круче заднего . От устьевого взморья пр иливная волна проникает в русловую систему реки . Более солёная вода по д н у речного русла , подобно клину , стреми тельно движется против течения . Столкновение двух встречных потоков , морского и речного , вызывает образование крутого вала , получившего название бора . В реке Цаньтанцзян , впадаю щей в Восточно-Китайское море к югу от Ш а нхая , бор достигает высоты 7 - 8 м етров , а крутизна волны равняется 70 градусам . Эта страшная водяная стена со скоростью 15 – 16 километров в час проносится вверх п о реке , размывая берега и грозя потопить любое судно , вовремя не укрывшееся в спокойном зат о не . Мощным бором сла вится и величайшая река Южной Америки – Амазонка . Там волна высотой 5 – 6 метров распространяется вверх по реке на три тысячи километров от океана . На Меконге во лны прилива распространяются до 500 км , на Ми ссисипи - до 400 км , на Север н ой Д вине – до 140 км . Прилив несёт с собой осолонённые воды в реку . При этом на устьевом участке реки происходит либо по лное , либо частичное смешение речных и сол ёных морских вод , либо имеет место стратиф ицированное состояние , когда наблюдается резкое ра з личие солёности поверхностных и подстилающих их вод . Солёные воды проника ют в устье реки тем дальше , чем больше глубина русла и плотность (солёность ) мор ской воды и меньше расход речных вод. Кроме изменения уровня приливы сопровожда ются перемещением вод – приливными теч ениями . Это периодические течения . Они возника ют с началом прилива , прекращаются на очен ь короткое время по окончании отлива . В устьях рек скорость приливного течения 5 – 10 м /с , но в конкретных районах наблюда ются и другие величины. В зимнее время приливно - отливные явления , перемешивающие водные массы , как пр авило , задерживают начало льдообразования . Однако в дальнейшем приливо-отливные явления непрес танно взламывают ледяной покров , причём на открывающихся пространствах чистой воды идёт инт е нсивное льдообразование , вследствие чего общее количество льдов увеличивается. Прежде приливно-отливные явления приводили лишь к разрушениям или создавали известные неудобства . Изучив их природу , человек на чал использовать эту пока ещё почти необу зданную с илу . Так построена полуэкспериме нтальная Кислогубская приливная электростанция (П ЭС ). Существуют проекты строительства ПЭС в Мезенском заливе Белого моря и других местах.