Почему появляются волны?

Морей и океанов без волн не бывает. В чем же заключаются основные причины этого природного явления?

Главная сила, вызывающая волны, – это ветер. В тихую погоду, особенно ранним утром, морская поверхность кажется практически зеркальной. Однако стоит подняться хотя бы самому слабому ветру, как на воде (за счет трения воздуха о ее поверхность) начнут появляться завихрения. В результате давление становится неравномерным, и это приводит к искажению гладкой водной поверхности – появляется рябь. За вершинами ряби процесс вихреобразования усиливается, и в конце концов это приводит к образованию волн, распространяющихся в направлении ветра.

Нижняя часть волны называется подошвой, верхняя – гребнем. Высота волны – это вертикальное расстояние от подошвы до гребня, длина волны – это горизонтальное расстояние от гребня до гребня.

Основными типами волн на воде, помимо ветровых, являются:

– приливные волны, образующиеся под действием приливообразующих сил Луны и Солнца;

– барические волны, возникающие при резких изменениях атмосферного давления;

– корабельные волны;

– сейсмические волны (цунами);

– «волны-убийцы» (блуждающие волны).

Высота волн в открытом океане может достигать значительных величин, и зависит она от скорости ветра. При ветровом волнении волны могут быть разными еще и по длине, периодичности, скорости распространения и т. д. Более длинные волны движутся быстрее, чем короткие.

Несколько волн подряд могут иметь примерно одинаковые периоды и размеры, но затем обычно появляется волна большого размера, образованная в результате интерференции двух и более различных волн.

Человеку, находящемуся на палубе корабля в бушующем море, волны кажутся очень крутыми, буквально нависающими, словно стены. На самом деле они пологие. Обычно длина волны в 30–40 раз больше ее высоты, и лишь в редких случаях это соотношение равно 1 к 10. Таким образом, максимальная крутизна волн в открытом море не бывает больше 18 градусов.

Длина штормовых волн не превышает 250 метров. Скорость их распространения достигает 60–100 км/ч.

Важно понимать, что с большой скоростью перемещается не водная масса, образующая волну, а исключительно ее форма. При этом отдельно взятая частица воды в волнующемся море совершает не поступательные, а колебательные движения. Таким образом, это только кажется, что при волнении вода движется вперед. На самом деле, если на поверхности воды плавает, например, кусок дерева, легко заметить, что он не двигается вперед вместе с волнами. Он лишь качается вверх-вниз, а двигаться он будет только при наличии ветра или течения.

«В морских волнах Канагавы».

Японская гравюра. Автор К. Хокусай

Корабельные волны создаются достаточно быстро движущимися по поверхности аппаратами, например, кораблями и катерами. Если смотреть сверху, такие волны имеют специфическую форму. Они подразделяются на расходящиеся и поперечные.

А вот цунами – это огромные волны, причиной которых в 85 % случаев являются подводные землетрясения, вызывающие резкое поднятие или опускание участка морского дна.

Более 80 % всех цунами возникают на периферии Тихого океана.

В XXI веке крупнейшее цунами было зарегистрировано 26 декабря 2004 года в Юго-Восточной Азии. Тогда произошло мощнейшее землетрясение с магнитудой в 9,3 балла. Оно вызвало цунами, от которого пострадали Шри-Ланка, Индонезия, Таиланд и другие страны. Общее количество погибших превысило тогда 235 000 человек.

А вот 11 марта 2011 года в Японии землетрясение магнитудой в 9,0 баллов с эпицентром, находившимся в 373 километрах северо-восточнее Токио, вызвало цунами с высотой волны, превышавшей 40 метров(это высота 12-этажного дома). Это землетрясение и цунами стали причиной печально известной аварии на атомной электростанции «Фукусима». Официальное число погибших в результате катастрофы составляет 15 524 человека, 7130 человек числятся пропавшими без вести, а 5393 человека было ранено.

Гигантская волна-цунами

Волны-убийцы – это гигантские одиночные волны высотой 20–30 метров и даже более, возникающие в океане и обладающие нехарактерным для морских волн поведением. Они появляются как бы «из ниоткуда». В самом деле, в отличие от цунами, их появление не связано с какими-то катастрофическими геофизическими событиями. Эти волны могут появляться и при малых ветрах, и при относительно слабом волнении.

Волны-убийцы появляются как бы «из ниоткуда»

Долгое время такие волны считались вымыслом (с точки зрения классической океанологии, волны высотой более 20,7 метров существовать в открытых морях и океанах Земли не могут). Кроме того, не находилось достаточного количества достоверных свидетельств. Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые зафиксирована приборами волна высотой в 25,6 метра.

Дальнейшие исследования в рамках проекта «Max-Wave» («Максимальная волна»), который предусматривал мониторинг поверхности мирового океана с помощью спутников ERS-1 и ERS-2, зафиксировали за три недели по всему земному шару более десятка одиночных гигантских волн, высота которых превышала 25 метров.

По одной из версий, причиной возникновения гигантских одиночных волн-убийц является движение с некоторой определенной скоростью фронта высокого атмосферного давления в направлении зоны низкого давления (расширение зоны высокого давления). При таком «наступлении» фронта высокого давления возникает явление, почти аналогичное «нагону» воды на мелководную восточную часть Балтийского моря, при котором уровень воды в Неве в Санкт-Петербурге поднимается на несколько метров.

Впрочем, есть и другие предположительные причины возникновения волн-убийц.

Фрагмент картины И. К. Айвазовского «Девятый вал»

Под воздействием ветра в поверхностных слоях морей и океанов накапливается огромное количество энергии, которая пока никак не утилизируется. Ученые подсчитали, что штормовые волны высотой 5 метров и длиной 100 метров на каждом метре своего гребня развивают мощность свыше 3000 киловатт, а энергия 1 квадратного километра бушующего моря измеряется миллиардами киловатт в секунду. По сути, можно утверждать, что если будет найден способ использования энергии волнового движения океана, человечество навсегда избавится от угрозы энергетического кризиса. Исследования в этом направлении уже проводятся в ряде стран.

Береговая линия

Для береговой линии морей и океанов характерно наличие бухт, заливов, полуостровов и других форм рельефа.

Бухта – это небольшая часть моря, отделенная от открытой воды с трех сторон частями суши (скалами, выступами берегов и близлежащими островами) и защищенная ими от волн и ветров. Большинство небольших бухт образуются в мягких скальных породах или глинах, вымытых волнами. Примерами бухт могут служить Цемесская (Новороссийская) бухта в северной части российского побережья Черного моря, бухта Золотой Рог в заливе Петра Великого в Японском море (на ней находится город Владивосток) или бухта Ханаума на Гавайях. При этом маленькие бухты могут входить в состав большой бухты.

Бухта Ханаума на Гавайях

Залив – это часть моря, глубоко вдающаяся в сушу, но имеющая свободный водообмен с основной частью моря. Типичные примеры: Финский залив, Персидский залив, Бискайский залив и т. д.

В подавляющем большинстве случаев гидрологические и гидрохимические условия залива тождественны с условиями соседнего моря.

В зависимости от рельефа берегов и других географических условий заливы подразделяются на несколько видов. Например, лиман – это залив, отделенный от моря песчаной косой, а лагуна – это мелководная часть моря, отделенная от него коралловым рифом или узкой полосой намытого песка.

Типичный пример лагуны – Венецианская, что в Адриатическом море. Ее площадь составляет около 550 квадратных километров. В ней находится непосредственно город Венеция и еще более ста островов (Мурано, Торчелло, Джудекка и др.).

Эстуарий – это воронкообразное устье реки, впадающей в море. Эстуарий образуется, когда море затапливает устье реки, а приливно-отливные явления выносят речные наносы в море, не давая эстуарию превратиться в часть суши, то есть в дельту[1]. Это происходит, когда прилегающая к эстуарию часть моря имеет большую глубину.

Один из самых больших эстуариев в Европе – это Жиронда во Франции

Один из самых больших эстуариев в Европе – это Жиронда во Франции. Этот эстуарий рек Гаронна и Дордонь, открывающийся в Бискайский залив, имеет длину 75 километров. Самый же длинный в мире эстуарий имеет река Обь на севере России – его длина составляет 885 километров, а ширина – до 80 километров. Большие эстуарии также образуют такие реки, как Гудзон, Святого Лаврентия, Амазонка, Ла-Плата, Темза и др.

Узкий и извилистый морской залив, часто простирающийся далеко внутрь побережья, называется фьордом. Чаще всего фьорды имеют тектоническое происхождение. А в ряде случаев возникновение фьордов является результатом затопления морем долины бывшего ледника. Многие фьорды очень глубокие (до 800 метров), а длина скалистого фьорда обычно в десятки раз больше его ширины. Типичный пример – фьорды Норвежского моря. Длина Согне-фьорда составляет 219 километров, Харденгер-фьорда – 183 километра, Тронхеймс-фьорда – 137 километров и т. д.

Фьорд Норвежского моря

На севере России залив, глубоко врезающийся в сушу, называют губой (например, Обская губа в Карском море или Невская губа в Финском заливе).

Выступающие части береговой линии морей и океанов называют полуостровами, а небольшие полуострова – мысами. Отметим, что крупнейший в мире Аравийский полуостров имеет площадь в 3 миллиона квадратных километров.

Предпосылкой для появления небольшого мыса является наличие на береговой линии одновременно мягких и твердых пород: мягкие породы (например, песок) разрушаются под действием волн существенно быстрее, чем твердые. Типичные примеры: мыс Горн (Чили), мыс Доброй Надежды (ЮАР), мыс Канаверал (США) и т. д.

Мыс Доброй Надежды

Мыс Доброй Надежды является самой крайней юго-западной точкой Африки. В 1488 году португальский мореплаватель Бартоломеу Диаш (1450–1500), обогнув этот мыс, первым из европейцев вышел в Индийский океан. А в 1497 году Васко (Вашку) да Гама (1469–1524), следуя по пути Диаша, проложил морской путь до Индии. Таким образом, «добрая надежда» короля Жуана II Совершенного, мечтавшего найти путь в Индию в обход Африки, оправдалась, и за мысом на века закрепилось это ставшее знаменитым название.

Васко да Гама

Рельеф морского дна

Как известно, земная кора делится на два типа: регионы с тонкой (около 10 километров) корой – это океаны, и регионы с толстой (около 40 километров) корой – это континенты. Блоки земной коры плавают в более плотном материале мантии, и средняя высота их поверхности относительно уровня моря имеет два различных значения: континенты в среднем возвышаются на 840 метров, а дно океанов погружено на 3432 метра.

Объем воды в океанах превышает объем океанических бассейнов. Соответственно, часть воды распространяется (разливается) над опущенными частями континентов, образуя мелководные моря, которые принято называть континентальными шельфами.

Типичная глубина мелководных морей – 50–100 метров. Наиболее важными из них являются Восточно-Китайское море, Северное море, Берингово море, шельф Патагонии и Сибирский шельф. Мелководные моря помогают рассеиванию (диссипации) приливов, они отличаются высокой продуктивностью и входят в особую экономическую зону близлежащих стран.

Также известно, что земная кора разделена на большие плиты, которые движутся относительно друг друга. Относительное движение этих плит создает большое разнообразие элементов морского дна. Эти элементы включают в себя срединно-океанические хребты, глубоководные желоба, островные дуги, бассейны и подводные горы.

Названия элементов рельефа морского дна были определены специальной Международной гидрографической комиссией. Вот они:

– бассейн – это понижение морского дна более или менее выровненной формы и различной протяженности;

– каньон – это узкое глубокое (до 1000 м и более) понижение с крутыми склонами, имеющее V-образный поперечный профиль;

– континентальный шельф – это зона, смежная с континентом (или вокруг острова) и простирающаяся до глубины, которая обычно отмечена увеличением уклона в сторону больших глубин;

– континентальный склон – это уклон в сторону моря от границы шельфа к большим глубинам;

– равнина – это плоская, слабо покатая или близкая к равнинному часть морского дна;

– хребет – это вытянутое узкое поднятие морского дна с крутыми склонами и неравномерной (нерегулярной) топографией;

– подводная гора – это изолированное или относительно изолированное поднятие, возвышающееся на 1000 метров и более над дном океана, ограниченное вершиной;

– разлом – это нижняя часть хребта, отделяющая океанические бассейны друг от друга или от близлежащего морского дна;

– глубоководный желоб – это протяженное, узкое и глубокое понижение морского дна с относительно крутыми склонами.

Глубина моря и океана может быть измерена двумя способами: эхолокатором, установленным на корабле, или спутниковым альтиметром (высотомером).

Большинство карт морского дна создано на основе измерений, сделанных эхолокаторами. Принцип действия этих приборов таков: прибор посылает звуковой импульс частотой 10–30 кГц и принимает сигнал, отраженный от морского дна. Временной интервал между посылом импульса и приходом эха, умноженный на скорость звука, дает удвоенную глубину океана.

Первое комплексное эхолотирование было выполнено американским эскадренным миноносцем «Стюарт» в 1922 году, когда тот пересек Атлантику, Средиземное море и Индийский океан (он шел на Филиппины, чтобы войти в состав американского Азиатского флота). Теперь же океанографические и военные суда во время плавания практически непрерывно производят эхолотирование. Таким образом, создаются базы данных, на основе которых и составляются так называемые батиметрические карты. Распределение судовых маршрутов по поверхности морей и океанов неравномерно: в южном полушарии они пролегают довольно далеко друг от друга, а, например, в Северной Атлантике – довольно близко. Соответственно, неравномерна и точность батиметрических карт.

Карта глубин океана с разрешением 3 километра, созданная по данным спутниковых альтиметрических наблюдений поверхности моря

При измерении глубин эхолотированием могут иметь место ошибки. Дело в том, что скорость звука изменяется на ±4 % в разных районах Мирового океана. Используя таблицы средних скоростей звука, ошибку можно уменьшить до ±1 %. К тому же до недавних времен местоположение корабля определялось не очень точно, и ошибки могли составлять десятки километров. И главное – иногда скопления зоопланктона и косяки рыб дают такие отражения, что на батиметрических картах появляются ложные подводные горы.

Более точный метод – это современная спутниковая альтиметрия.

В космосе постоянно находится множество альтиметрических спутников; с их помощью создаются так называемые спутниковые альтиметрические карты океанского дна.

На дне морей и океанов, как и на суше, есть горы, обширные равнины, ущелья и узкие глубоководные впадины всевозможных размеров. Для рельефа океанического дна характерно также большое количество одиночных гор среди вполне ровных пространств, что для суши нетипично.

Подводные горные системы, как и на суше, имеют линейную направленность, но большинство из них значительно превосходит горные системы континентов по протяженности, ширине и площади. Так, например, на дне Мирового океана расположена самая большая горная система земного шара – система так называемых Срединно-океанических хребтов, которая непрерывной широкой полосой простирается на 65–70 тысяч километров. Она пересекает Северный Ледовитый океан, проходит через Атлантический и Индийский океаны в их средней части и уходит через Тихий океан к берегам Калифорнии.

Наиболее высокие вершины подводных хребтов выступают над уровнем моря, образуя океанические острова преимущественно вулканического происхождения. Некоторые из них возвышаются над уровнем океана на тысячи метров. Например, на Гавайских островах гора Мауна-Кеа имеет высоту 4205 метров, а от подножия, то есть от дна океана, ее высота составляет более 9700 метров, что значительно выше высочайшей горы на планете Джомолунгмы (8846 метров).

В Мировом океане преобладают глубины от 3000 до 6000 метров (они занимают 76 % его площади или 54 % поверхности планеты). Высокие горы (более 4000 метров) и глубоководные океанические впадины (свыше 6000 метров) невелики по площади: горы занимают 0,5 %, а впадины около 1 % поверхности земного шара.

Наиболее глубоководным является Тихий океан. На его дне имеется много плосковершинных гор, а в южном полушарии с юго-запада на северо-восток (от Антарктиды до экватора) тянутся два хребта, образующие несколько обширных котловин. В северной части океана рельеф дна более сложен. Здесь три больших котловины (в одной из них – Северо-Восточной – находится ряд разломов), дно сильно расчленено, много подводных вулканов.

В Атлантическом океане рельеф дна изучен гораздо лучше, чем в других океанах. По форме океан напоминает латинскую букву «S». Любопытно, что эту же форму повторяет его срединный хребет, простирающийся с севера на юг от Исландии почти до самой Антарктиды. По обе стороны от хребта лежат зоны террас и предгорных холмов, а дальше – глубокие (от 4000 до 5000 метров) котловины.

А еще на дне Атлантического океана есть обширное плато.

Индийский океан разделен Центрально-Индийским хребтом на западную и восточную части. Поперечные хребты и поднятия дна расчленяют эти части на более мелкие котловины. У юго-западной оконечности Австралии находятся самые большие в Мировом океане уклоны дна материкового склона. В северо-западной части океана – множество коралловых рифов.

Рельеф дна мирового океана

Дно Северного Ледовитого океана отличается протяженными хребтами, разделяющими его на отдельные котловины. В центральной части океана расположены два хребта, носящие имена великих русских ученых М. В. Ломоносова и Д. И. Менделеева. На материковом склоне есть подводные долины.

Рельеф дна океанов и морей постоянно изменяется. Дело в том, что волнения и течения размывают возвышенности, разрушают берега, сглаживают их очертания, переносят камни и песок в другие места побережья и в пониженные места океана, постепенно заполняя их. Под влиянием вулканических подводных извержений, землетрясений и других тектонических и гидрологических процессов на дне морей и океанов изменяются существующие и создаются новые формы рельефа – в виде различных поднятий или глубоких впадин, разломов, желобов, каньонов и т. д.

Континентальный шельф – это относительно мелководные (в основном до 200 метров глубиной) и выровненные участки дна морей и океанов, окаймляющие континенты. По сути, это затопленная морем часть материковой территории.

Общая площадь шельфов составляет примерно 32 миллиона квадратных километров.

Наиболее обширные шельфы расположены у северной окраины Евразии (ширина шельфа достигает 1500 километров), а также в Беринговом море, Гудзоновом заливе, Южно-Китайском море и у северного побережья Австралии.

В пределах шельфа добывают нефть, газ, серу, уголь, железные руды, золото, алмазы и другие полезные ископаемые. Более 90 % океанического лова рыбы также ведется в водах шельфов.

Согласно международной конвенции 1958 года, под континентальным шельфом понимается «поверхность и недра морского дна подводных районов, примыкающих к берегу, но находящихся вне зоны территориального моря до глубины 200 метров или за этим пределом, до такого места, до которого глубина покрывающих вод позволяет разработку естественных богатств этих районов, а также поверхность и недра подобных районов, примыкающих к берегам островов».

Основные глубоководные желоба

Проще говоря, внешней границей шельфа является изобата – линия, соединяющая глубины в 200 метров. А вот если на один и тот же континентальный шельф имеют право государства, берега которых расположены друг против друга, то граница шельфа определяется специальным соглашением между этими государствами. При отсутствии такого соглашения все решается по принципу равного отстояния от ближайших точек, от которых отмеряется ширина территориального моря.

В некоторых случаях споры о разграничении континентального шельфа рассматривались Международным судом ООН, который и определял границы шельфа.

Прибрежное государство вправе само определять трассы для прокладки кабелей и трубопроводов на шельфе, разрешать возводить установки и проводить бурильные работы, сооружать искусственные острова.

Что касается глубоководных желобов, то они представляют собой длинные узкие понижения дна океанов с глубинами свыше 5000 метров. Они располагаются в переходной зоне между материком и океаном. Эти прогибы дна с крутыми склонами и плоским узким днищем порой вытягиваются на несколько тысяч километров при ширине в несколько десятков километров.

В глубоководных желобах находятся самые глубокие точки Мирового океана (наибольшая глубина составляет 11 022 метра и находится в Марианском желобе Тихого океана). Эти желоба расположены с океанической стороны островных дуг (например, Алеутский, Курило-Камчатский, Филиппинский и др.), повторяя их изгиб.

У западных берегов Южной Америки глубоководные желоба (Перуанский и Чилийский) протянулись вдоль подводного подножия горных цепей материка. Их районы отличаются высокой сейсмичностью и проявлением вулканизма.

Подводные элементы рельефа оказывают большое влияние на циркуляцию океанов. Например, хребты в районе разломов (рифтовых долин) разделяют глубинные воды океанов на отдельные бассейны. При этом вода, находящаяся глубже разлома, не может перемещаться из одного бассейна в другой. Десятки тысяч изолированных подводных гор, разбросанных по дну Мирового океана, преграждают путь течениям и вызывают турбулентность, которая приводит к вертикальному перемешиванию вод.