Дыхание океана. Л. Галеркин

Художник Р. ВАРШАМОВ

На воду океана действует одновременно много разных сил, которые приводят ее в движение. Характер физического воздействия этих сил неодинаков, соответственно этому и различаются виды движения океанских вод. Силы трения ветра о воду вызывают поверхностные волны и дрейфовые течения. Неравномерный нагрев морской поверхности солнцем в сочетании с различиями в солености воды создает градиенты температуры и плотности в ее толще, что также вызывает соответствующие течения. А притяжение Луны и Солнца воздействует на всю толщу океана и. создает приливо-отливные течения, и т. д.

Но чем бы ни вызывались течения в море, горизонтальные перемещения масс воды всегда сопровождаются изменением ее уровня. Да это и естественно. Ведь вода в океане представляет собой единое и неразрывное водное тело, легко подвижное и меняющее свою форму, но неспособное к сжатию и разрежению.

Силы, приводящие в движение воду, бывают постоянные и переменные. Среди переменных есть повторяющиеся через определенные промежутки времени - периодические силы, и не имеющие определенной временной закономерности - случайные. Мы будем говорить здесь только о переменных силах, как периодических, так и случайных, - именно они, как правило, вызывают пульсирующие во времени и в пространстве движения океанских вод.

Одним из самых грандиозных геофизических явлений на нашей планете можно с полным основанием считать океанические приливы. Подъемы и опускания вод у берегов океана, происходящие с поразительной регулярностью, и сопутствующие им изменения скоростей л направлений приливных прибрежных течений давно знакомы рыбакам и жителям океанских берегов. Ученые изучают их более трехсот лет, и до сих пор эти явления привлекают к себе пристальное внимание.

Величина прилива различна в разных местах Мирового океана. В Балтийском и Черном морях она не превышает нескольких сантиметров, в Белом и Охотском морях доходит до 8-11 м, а в заливе Фанди на североатлантическом побережье Канады приливная волна высотой 18 м способна полностью затопить современный пятиэтажный дом. Около пологих и отмелых берегов ширина осушаемой при отливе полосы морского дна достигает нескольких километров. При правильном полусуточном приливе - двух подъемах и двух опусканиях уровня прибрежных вод в сутки - скорости роста и падения уровня сравнительно невелики. А горизонтальные скорости движения воды в приливо-отливных течениях в узких проливах достигают иногда 5 и даже 8 м в секунду. Много бедствий приносит людям такой буйный прилив.

Две тысячи лет назад древнегреческие ученые уже связывали приливо-отливные явления с движениями Луны, с их периодичностью и неравномерностью. Но только в 1687 г. теория приливообразующих сил Ньютона положила прочное основание всем последующим теоретическим исследованиям и непосредственным наблюдениям за этим явлением.

Приливообразующая сила возникает от того, что масса Луны и Солнца ослабляет силу земного притяжения. Масса Луны всего в 81,5 раза меньше земной, а расстояние между центрами планет составляет около 60 земных радиусов. Поэтому обе планеты вращаются вокруг общего центра тяжести, который находится в теле Земли на расстоянии около 4,5 тыс. км от ее центра. Причем точка эта все время движется так, что находится на одной прямой с центрами Земли и Луны. Интересно, что именно в этой движущейся точке всегда должна быть полная невесомость, а сила тяжести во всех остальных точках планеты будет меняться. Величина этих изменений в течение суток на поверхности Земли составляет немного меньше 1/10 000 000. Если бы изменения силы тяжести действовали только по вертикали, то они приводили бы только к незначительному сжатию и растяжению Земли. Но такая же десятимиллионная доля от силы, составляющей 981 г см/сек2, направлена по горизонтали, и в этом суть дела. Под влиянием приливообразующей силы ни одна песчинка пустыни не сдвинется с места, а масса воды океана - более 1,4 o 1017 т - приходит в движение.

Если бы вся Земля была покрыта одинаковым по толщине слоем воды, то лунный прилив, по теории Ньютона, зависел бы только от географической широты. Но Мировой океан расчленен материками, дно его очень неровное, берега извилисты и разной крутизны. Поэтому движение масс воды под влиянием приливных сил чрезвычайно сложно. Его невозможно в точности описать какой-либо математической теорией, а для расчета прилива совершенно необходимы наблюдения. Проведя где-либо месячную серию наблюдений, можно для этой точки рассчитать прилив на сотни лет вперед. Если за это время рельеф дна океана и очертания его берегов не изменятся, то с точностью до нескольких сантиметров по высоте и нескольких часов по времени наступления прилива эти расчеты могут оправдаться.

Работа приливных сил в природе грандиозна. В течение миллионов лет они размывают берега и обрушивают в море огромное количество земли. Течения передвигают песчаные отмели и размывают дно узких проливов и бухт, разнося по всей прибрежной зоне обломочный и осадочный материал. Возникнув как сила космического происхождения, прилив в свою очередь оказывает влияние на движение Земли и Луны. Силы трения, происходящие от приливных сил в теле Земли и Луны, заметно замедляют их вращение вокруг своей оси. Расчеты показывают, что в начале своего существования обе планеты оборачивались за несколько часов. Сейчас Луна настолько замедлила свое вращение, что лунные сутки составляют 27 земных. По мере замедления вращения увеличивается и расстояние между Землей и ее спутником.

В далекой перспективе, как предсказывают некоторые ученые, Луна и Земля всегда будут обращены друг к другу одной стороной, расстояние между ними увеличится примерно вдвое, а земные сутки станут равны месяцу. И тогда приливы прекратятся. Волна прилива на Земле как бы навсегда застынет, вытянувшись в сторону Луны. Но до этого еще очень далеко и рано говорить о последствиях. А пока мы можем строить электростанции на берегах морей, превращать даровую энергию прилива в электричество. Общая энергия приливных волн огромна, а доступная человечеству для использования ее часть оценивается в 1 млрд. квт.

Океан не всегда "дышит" ровно и спокойно. Временами грудь его вздымается бурно, дыхание становится прерывистым и тяжелым - идет шторм. Зимой 1953 г. Северное море в штормовом гневе выплескивалось из берегов и затопляло города и поля Нидерландов, Бельгии, северных побережий ГДР и ФРГ. Штормовой нагон в сочетании с полной водой прилива поднял уровень намного выше среднего. Разрушались прибрежные и портовые сооружения, корабли выбрасывались на берег, гибли люди. Это было одно из крупнейших наводнений за последние 100 лет.

Приливы и штормовые нагоны - это основные причины кратковременных, хорошо заметных и наиболее мощных колебаний уровня моря. Но в многолетней и вековой истории планеты они не главные. Окаменелые остатки морских животных и растений неопровержимо доказывают, что над различными участками современных материков также когда-то расстилалось море. Причины таких обширных по пространству и огромных по амплитуде изменений его уровня уже совсем иные.

Поступление солнечной энергии на Землю не постоянно. В течение сотен тысяч и миллионов лет оно неоднократно менялось. Эпохи потепления на Земле сменялись эпохами общепланетного похолодания. Часть снега, выпавшего за зиму, не успевала растаять летом. Он накапливался на суше от года к году все больше. Образовывались ледники, и таким образом часть влаги изымалась из круговорота воды. Толщина льда на суше росла, а уровень океана понижался. Так наступали периоды оледенения. По расчетам академика К. К. Маркова, со времени максимального развития оледенения общий объем растаявшего льда в пересчете на воду составил 35,3 млн. км³, что привело к повышению уровня океана примерно на 100 м.

Современные основные ледники в Антарктике и Гренландии имеют в запасе еще около 24,7 млн. км³ льда. Если такая масса льда полностью растает, то высота воды в морях и океанах поднимется еще на 66 м. Тогда под водой окажутся обширные побережья северо-западной Европы и юго-восточные берега США. Северный Ледовитый океан затопит Западно-Сибирскую низменность. Многие современные центры мировой культуры и промышленности окажутся под водой подобно легендарной Антлантиде. Последнее из крупных и относительно хорошо датированных наступлений моря на сушу, вызванное очередным изменением климатических условий на Земле, произошло 6-8 тыс. лет назад, когда уровень океана поднялся во многих местах на 4-6 м.

Другой причиной колебания уровня от теплой эпохи к холодной и от зимы к лету является свойство воды менять свою плотность при изменении температуры и солености. Если верхний тысячеметровый слой воды (т. е. около 20% от всего объема) изменит температуру только на 0,1°, то это приведет к повышению или понижению уровня на 2 см. Изменение содержания соли на 0,01% повлечет за собой изменение уровня на 7-8 см. За тысячелетия температура и соленость океана менялись гораздо сильнее, поэтому колебания уровни за счет изменения плотности воды могли достигать десятков сантиметров и даже нескольких метров. У западных берегов океанов изменение плотности воды в течение года приводит к сезонной величине колебаний уровня до 30-40 см.

Огромные и неподдающиеся учету изменения уровня океана могут происходить в результате сейсмических и тектонических процессов. Опускания или поднятия горных хребтов и платформ на океанском дне изменяют объем всей чаши океана. Поскольку Мировой океан представляет собой единую водную поверхность, то повышения или понижения ее уровня распространяются на всю водную оболочку планеты. Иногда это случается катастрофически быстро, как при подводных землетрясениях или извержениях подводных вулканов. Недавно из глубин океана около Исландии поднялись со дна Атлантики два новых острова. Через некоторое время один остров опустился. Чтобы подсчитать изменение уровня, которое произвели эти острова своим рождением и гибелью, нужно объем поднявшейся массы земли разделить на всю площадь океана. В данном случае высота уровня будет незначительно малой, так как сами островки невелики. Но при вертикальном вековом движении огромных континентальных платформ или при медленном перемещении целых материков "дыхание" океана может достигать десятков и сотен метров.

Немалую роль играют и реки. Они влияют на уровень не своим стоком воды, а теми нерастворимыми минеральными частицами, которые выносят в океан с материков. По данным А. А. Алехина, реки приносят в моря ежегодно около 13 млрд. т взвешенных веществ. Если считать, что половина этого количества, не растворяясь, оседает на дно и имеет удельный вес около 3 г/см³, то, учитывая современную площадь Мирового океана (361 млн. км²), можно определить скорость роста уровня за счет вытеснения воды осадком - примерно 1 см за 2000 лет.

Современная гипотеза происхождения океана предполагает, что океанские соленые воды появились из недр Земли. При изменении температуры и давления меняется количество молекул воды в структуре различных кристаллических соединений. Они как бы обезвоживаются. При этом вода выделяется в чистом виде, но в момент своего рождения сразу начинает растворять горные породы. Внутренним давлением она выдавливается из глубин Земли и на поверхности появляется уже соленой. Вполне возможно, что эти процессы продолжаются до сих пор. Значит, может происходить некоторое увеличение количества воды в океане, а следовательно, и его уровня.

Исследование колебаний уровня имеет не только научное, но и сугубо практическое значение. О приливах мы уже говорили. Всякие гидротехнические изыскания начинаются с изучения уровенного режима. Высота стенки причала или мола, глубина входного фарватера в порту, строительство шоссейных и железных дорог вдоль берега - все это очень сильно зависит от масштаба уровенных колебаний. Поскольку строительные работы у моря стоят дорого, то более или менее точные сведения о многолетних колебаниях уровня помогают экономить большие средства и обеспечивать надежность сооружений.