Ковалёв С.Г. (и др.) Общая геология с основами гидрогеологии и гидрологии

Подождите немного. Документ загружается.

иногда можно наблюдать окрашивание воды в молочно-белый цвет. Такую

воду называют даже «коралловым молоком». Во время шторма у берегов,

сложенных легко размываемыми глинами, в полосе прибоя вода становится

грязно-коричневой. Дальше в глубь моря следует полоса зеленого цвета, и

лишь на большом удалении от берега муть исчезает и море становится та-

ким же синим и прозрачным, как в тихую погоду.

Особенно значительно загрязнение морской воды механическими при-

месями против устьев крупных рек. Это явление очень хорошо можно на-

блюдать с самолета. Так, например, прозрачные синеватые воды Каспий-

ского моря против устьев крупных рек – Волги, Куры и других, становятся

мутными на многие десятки километров от берега за счет буровато-серых

глинистых частиц, приносимых речными водами с континента. В сравни-

тельно небольших и мелководных внутренних морях, принимающих в себя

много рек, выносящих большое количество мути, последняя не успевает

осесть на дно даже в центральных частях бассейна, так как волны взмучи-

вают всю толщу воды до самого дна. В этих случаях вода малопрозрачна

даже посредине моря и часто имеет зеленоватый (Балтийское море), бело-

ватый (Белое море) или даже желтый цвет (Желтое море у берегов Китая).

Изучение прозрачности морской воды представляет большой практи-

ческий и теоретический интерес. Чем чище и прозрачнее вода, тем на

большую глубину проникает в нее солнечный свет. От этого зависит, до

какой глубины могут жить водоросли, являющиеся источником пищи для

всего живого населения моря. Особенно большое значение это имеет для

населяющих дно организмов, скелеты которых входят в состав осадков,

влияя на облик образующихся из них горных пород.

Наблюдения за прозрачностью воды производятся различными мето-

дами. В настоящее время для изучения прозрачности воды и глубины

проникновения в нее света применяется сложная аппаратура в виде раз-

личных систем гидрофотометров, в которых с помощью искусственного

электрического света и фотоэлементов определяют степень рассеяния

света на той или иной глубине. С помощью этих методов удалось уста-

новить, что свет проникает в толщу морской воды на сравнительно огра-

ниченную глубину. В средних и высоких широтах, даже при большой

прозрачности воды, более или менее хорошо освещено морское дно лишь

до 200 м, т. е. в пределах шельфа. В субтропиках и тропиках, где солнце

стоит выше и его лучи падают почти отвесно, эта глубина повышается ме-

стами до 500 и даже 800 м. Но глубже 1500 м самые чувствительные фо-

топластинки не реагируют на свет даже после многочасовой экспозиции,

т. е. здесь господствует полный мрак.

Разные области спектра поглощаются водной средой с различной интен-

сивностью. Зеленые и синие лучи поглощаются и рассеиваются в воде

меньше, чем желтые и оранжевые. Поэтому с глубиной меняется не только

степень освещенности, но и спектральный состав света. В очень прозрач-

ных морях до глубины около 50 м освещение зеленое, на глубинах около

180 м оно сменяется ясно-синим, на глубине 300 м – слабым черновато-

синим. В связи с этим меняются и преобладающие окраски растений и жи-

вотных, нередко окрашенных в тона, дополнительные к тону освещения.

Температура. В верхних слоях океанической воды температура в сред-

нем за год закономерно убывает от экватора к полюсам – от +25°С до нуля и

даже до 2–3°С ниже нуля. В то же время она также закономерно изменяется и

с глубиной. Поверхностный слой воды (до глубины 200–300 м) имеет непо-

стоянную температуру, меняющуюся по сезонам года, а в верхних 10–20 м

также в течение суток. Амплитуда колебания температуры в этом слое нахо-

дится в зависимости от температурного режима климатических поясов. По-

верхностный нагрев распространяется на глубину в результате перемешива-

ния воды течениями и волнениями. Последние, как будет видно из дальней-

шего изложения, проникают на глубину, не превышающую 200 м. Этот слой

воды получил название возмущенного слоя.

В низких широтах ниже возмущенного слоя температура убывает по

вертикали вначале закономерно и довольно быстро. С глубины около 1 км

темп снижения температуры сокращается. Ниже 1–1,3 км располагается

область выравненных и очень низких температур, близких к температуре

воды наибольшей плотности (рис. 13).

Рис. 13. Распределение температур в толще воды между Северной Америкой

и Европой. Черное – океаническое дно, на котором хорошо выделяется сре-

динно-океанический хребет

Современные представления о строении гидросферы в вертикальном

разрезе можно изобразить в следующем виде:

1. Зона возмущений – до глубины 200–300 м. Температура меняется,

достигая временами +16–25°С. Зона проявления ветровых движений воды

(волнения и течения).

2. Тропогидросфера – до глубины 1300 м. Температура равномерно

падает. Течения и вертикальная циркуляция гораздо слабее.

3. Стратогидросфера – глубже 1300 м. Температура постоянная и с

глубиной почти не меняющаяся. Движения воды очень незначительны.

Изложенные закономерности распределения температур океанических

вод, дают только самую общую картину. Они сильно осложняются систе-

мой течений, перемешивающих толщу воды в океане.

От этой схемы существенно отличается термический режим многих

морей, особенно внутренних. Хорошим примером может служить сравне-

ние температур на глубинах Средиземного моря и прилегающей к нему

части Атлантического океана. Средиземное море отделено от океана уз-

ким Гибралтарским проливом, представляющим собой относительно мел-

ководный порог, который предотвращает возможность обмена водами на

большой глубине. Глубинные холодные воды Атлантического океана ли-

шены возможности проникать в морской бассейн. В связи с этим Среди-

земное море, расположенное в области засушливого и теплого климата

зоны пассатов, прогревается до больших глубин – даже в его придонных

слоях (на глубинах до 4 км) температура достигает 13,5°С. Еще более

прогреты глубины Красного моря, расположенного среди жарких пустынь

Северной Африки и Аравии. В нем на глубинах до 2000 м температура не

опускается ниже 21,5°С, тогда как в соседнем Индийском океане на той

же глубине она равна всего 2,5–3°С.

Плотность воды. Под плотностью воды понимают ее вес при темпе-

ратуре взятия пробы, отнесенный к весу дистиллированной воды при тем-

пературе 4°С. Средняя плотность океанической воды несколько выше,

чем у дистиллированной, и достигает в поверхностных зонах 1,02. С глу-

биной плотность воды возрастает в связи с понижением температуры и

увеличением давления. Увеличение плотности морской воды с глубиной

вызывает торможение вертикального перемешивания или конвекции. Од-

нако на глубине возникают не только вертикальные, но и горизонтальные

перемещения масс воды, направленные параллельно поверхности дна от

областей с повышенным давлением в области с пониженным давлением.

Это так называемые ползучие течения. Они возникают потому, что давле-

ние в разных частях океана неодинаково даже на одних и тех же глубинах

в связи с различиями температур и солености воды.

§12. Динамика гидросферы

Выше уже упоминалось о движениях морских вод, возникающих под

влиянием разницы температур и давлений. Однако этого недостаточно,

чтобы получить ясное представление о всей сложной динамике гидросфе-

ры. Важнейшей стороной геологической деятельности моря является

именно воздействие движущейся морской воды на берега и дно, выра-

жающееся в разрушении слагающих их горных пород, превращении по-

следних в сыпучие массы обломков, начиная от крупных глыб до песка и

мелких глинистых частиц включительно, в переносе и переотложении

этого обломочного материала и накоплении за его счет толщ новых гор-

ных пород. Все движения, возникающие в толще океанических и морских

вод, могут быть объединены в три основные группы: волнения, течения,

приливы и отливы.

Волнение возникает в основном от воздействия ветра на поверхность

воды. Среди волн различают: местные, или возбужденные, и свободные. В

отличие от первых, возникающих в областях проявления штормов, сво-

бодные волны распространяются за пределы области их возбуждения. К

ним относится так называемая зыбь, наблюдающаяся на поверхности мо-

ря в тихую безветренную погоду вдали от района, в котором бушует

шторм. Независимо от того, являются ли волны возбужденными или сво-

бодными, вдали от берега в открытом море они всегда относятся к катего-

рии колебательных волн. Особенностью этого типа волн является движе-

ние частиц воды только в вертикальной плоскости, при отсутствии посту-

пательного движения в горизонтальном направлении. Частицы воды в

таких волнах испытывают вращательное движение по замкнутым траек-

ториям, близким к окружностям. В результате профиль поверхности вол-

ны приобретает форму кривой, приближающейся к так называемой тро-

хоиде – кривой линии, описываемой точкой окружности, катящейся без

трения по горизонтальной прямой. Волна является лишь внешним выра-

жением колебаний частиц воды и, подобно звуковым волнам, движется

вперед, хотя сама среда, в которой она распространяется, поступательного

движения не имеет. В этом легко убедиться по плавающим предметам,

которые то поднимаются на гребень очередной волны, то опускаются в

ложбину между волнами, но с места не сдвигаются.

У берегов или в области мелководья наблюдается другая картина.

Здесь колебательная волна может превратиться в поступательную. При

этом волнением захватывается вся толща воды до самого дна, происходит

торможение движения частиц из-за трения и деформации формы трохои-

ды. Нарушается правильная круговая форма траекторий движения частиц,

превращающихся постепенно в эллипсы, а затем в еще более вытянутые

формы. Частицы нижней части водной толщи обгоняют частицы, находя-

щиеся в верхней части волны, волна опрокидывается и с силой ударяется

о берег, разбиваясь о скалы или заливая низменное побережье на многие

десятки метров, образуя так называемый заплеск. В итоге она производит

большую разрушительную работу, как бы подрезая постепенно береговой

откос на уровне воды. Это явление носит название абразии.

Если вблизи берега располагается тянущаяся параллельно берегу мель,

называемая баром, прибой волн гасится. Над баром волны опрокидыва-

ются, образуя пенистые буруны и до берега докатываются обессиленны-

ми. Таким образом, бары являются естественной защитой берега от раз-

рушения волнами.

В гидротехнической практике для защиты берегов и портовых соору-

жений от разрушения их волнами прибегают к искусственному сооруже-

нию волногасителей по системе баров.

Помимо ветров, возбудителями волн могут быть подводные землетря-

сения и подводные извержения вулканов. Они проявляются реже, но вол-

ны, возникающие под влиянием этих причин, достигают иногда значи-

тельно больших величин, чем ветровые. Так, в 1755 году в Лиссабоне при

землетрясении возникла волна высотой до 20 м. Обрушившись на набе-

режную города, она произвела катастрофическое разрушение зданий. По-

добные волны в Японии получили название цунами. У восточного побе-

режья Азии цунами достигают высоты 30 м.

Эффект волнения. Волны чаще всего возникают под влиянием ветра,

поэтому величину или эффект волнения удобнее всего сопоставить с си-

лой ветра. Если силу ветра оценивать по двенадцатибалльной шкале, то

элементы волны (длина и высота) при среднем и максимальном (штормо-

вом) ветрах будут выражаться в следующих величинах (табл. 5).

Таблица 5

Изменение элементов волны при разных скоростях ветра

Скорость ветра Элементы волны

5 баллов 12 баллов

Высота, или амплитуда

Длина

Скорость движения частиц

Период волны

4–4,5 м

60 м

8–10 м/сек

6,5 сек

10–15 м

500–800 м

35 м/сек

23 сек

Из таблицы, построенной на основании эмпирических данных, видно,

что длина волны превосходит ее высоту в 10–15 раз, т. е., что волны пологи.

Установлено, что на глубине, равной длине волны, скорость частиц умень-

шается до

512

. Таким образом, если примем длину волны в 60 м, а скорость

в 10 м/сек, то на глубине 60 м скорость движения частиц будет достигать

всего

512

, или 1,9 см/сек, т. е движение, сообщенное частицам воды вет-

ром, здесь будет ничтожным. Принимая во внимание, что штормовые ветры

не так уж часты, легко прийти к заключению, что на глубине, превышаю-

щей 200 м, волнение ощущается редко. Волнения, вызываемые ветрами,

достигают дна моря лишь в области шельфа. С геологической точки зрения

это очень существенный вывод для оценки условий существования донных

морских животных и условий накопления осадков в различных зонах. В

батиальной и абиссальной зонах царит вечный покой.

Течения – это поступательные движения водных масс, горизонтально

или вертикально направленные, возникающие под влиянием ветров и в

результате различия плотности воды. В зависимости от причины возник-

новения различают следующие главнейшие типы течений:

Дрейфовые, или нагонные, возникающие под действием ветра, дующе-

го постоянно или длительно в одном направлении.

Компенсационные, или стоковые, возникающие в результате выравни-

вания уровня воды в океане, нарушенного нагонами воды (например, в

каком-нибудь заливе).

Конвекционные – вертикальные движения водных масс, возникающие

вследствие выравнивания плотностей воды (изменение плотности воды мо-

жет быть связано с неравномерным ее нагревом в различных областях).

Бароградиентные течения возникают в результате изменения атмо-

сферного давления и направлены из области пониженного в область по-

вышенного давления.

Смешанные течения, формируются под влиянием различных причин,

возникающих в разных частях потока.

Если волнение гидросферы представляет собой мощный фактор разру-

шения суши и в меньшей мере является агентом переноса и сортировки

разрушенного материала, то геологическое значение течений заключается

главным образом в этом виде работы моря. Мелкие обломки, взвешенные в

воде, транспортируются течениями на многие десятки и сотни километров,

вызывая часто появление терригенного материала на дне открытого про-

странства моря. Еще большее значение течения имеют при транспортиров-

ке животных и растительных организмов, способствуя миграции их на

очень большие расстояния. Наконец, течения играют большую роль в рас-

пределении температуры воды и в доставке кислорода с поверхности на

большие глубины, обеспечивая тем самым существование там организмов.

Какова скорость течений и объем масс воды, увлекаемых ими? Эква-

ториальное течение от берегов Африки на запад направляется в Атланти-

ческий океан со скоростью до 4 км/час. За сутки массы воды перемеща-

ются на расстояние до 50–100 км. Здесь же формируется одно из наиболее

мощных течений Атлантического океана – Гольфстрим. Это течение при

выходе из Мексиканского залива имеет скорость до 9 км/ч (220 км/сут.).

Ширина его в этом месте достигает 72 км, глубина – 700 м. Часовой рас-

ход составляет 91 млрд. т, что превышает соответствующий расход р. Не-

вы в 76 000 раз. На удалении от Мексиканского залива ширина Гольфст-

рима значительно возрастает. Указанные скорости течений определены в

поверхностных слоях воды. Вследствие внутреннего трения скорости те-

чения с глубиной постепенно падают.

Механизм возникновения течений. Рассмотрим условия возникнове-

ния течения под воздействием ветра на примере Гольфстрима (рис. 14).

Приэкваториальная область находится под воздействием пассата. От вы-

соких широт к экватору, со стороны обоих полюсов, направляются массы

воздуха. Направление пассатов расположено под углом 45° к экватору: в

северном полушарии пассат дует с северо-востока на юго-запад, в южном

– с юго-востока на северо-запад. По закону Кориолиса морское течение

возникает под углом 45° к направлению ветра, т. е. пассаты в обоих по-

лушариях вызывают течение, направленное вдоль экватора с востока на

запад. Северное экваториальное течение в Атлантическом океане достиг-

нув восточного берега Южной Америки, делится на две ветви, направ-

ляющиеся вдоль восточного берега Южной Америки к северу и югу. Вет-

вью северного экваториального течения является Гольфстрим.

Рис. 14. Схема важнейших течений Мирового океана

Таким образом, в приэкваториальной части Гольфстрим представляет

собой типичное дрейфовое течение. К северу от экватора он, омывая

группу Антильских островов, входит в Мексиканский залив, где благода-

ря нагону воды уровень моря повышается Это порождает вторую часть

течения Гольфстрима, осуществляющегося уже по типу компенсацион-

ного. Из Мексиканского залива течение устремляется через пролив между

п-вом Флорида и о-вом Куба, на северо-восток к берегам Европы, где в

свою очередь разветвляется на две части северную, направляющуюся в

Северный Ледовитый океан, и южную – к западному побережью Африки.

Последняя ветвь в дальнейшем вливается в северное экваториальное те-

чение. Если проследить по карте за намеченными выше путями движения

Гольфстрима, то окажется, что они окружают центральную часть север-

ной половины Атлантического океана, в которой создаются условия отно-

сительного покоя водных масс. Здесь развито огромное количество водо-

рослей, служащее местом пастбища многих морских животных. Это так

называемое Саргассово море.

Рассмотренный случай механизма возникновения и преобразования

морского течения довольно типичен и позволяет считать, что различные

типы морских течений тесно связаны и могут переходить друг в друга.

Приливы и отливы. Земля испытывает притяжение других тел Солнеч-

ной системы, проявляющееся в виде так называемой возмущающей силы.

Наибольшей возмущающей силой обладают ближайшие к Земле планеты,

Луна и крупнейшее тело системы – Солнце. Действие остальных планет на

Землю незначительно и практически может не приниматься в расчет. В ре-

зультате воздействия Луны и Солнца, на Земле возникают явления прилива

и отлива. Сущность их заключается в том, что уровень океана в одном и

том же месте строго периодически (через 6 час) то поднимается, то опуска-

ется. Следовательно, прилив и отлив в данной точке поверхности океана

сменяются за сутки четыре раза. В некоторых местах колебания уровня во-

ды в океане достигают больших размеров. Так, разница между уровнями

полной и малой воды в бухте Фанди (Атлантическое побережье Канады)

равна 15,4 м, что соответствует примерно высоте четырехэтажного дома.

Рассмотрим это явление на примере системы Земля – Луна. Точки, рас-

положенные на поверхности Земли, находятся под влиянием трех сил, раз-

личных по происхождению, напряженности и направленности.

Первая из них – сила тяжести – везде направлена к центру Земли и в

данном случае считается постоянной. Вторая сила – притяжение к центру

Луны – неодинакова по напряженности в различных точках поверхности

земного шара. В точках, обращенных к Луне (сторона а на рис. 15), она

наибольшая, на противоположной стороне (сторона б) – наименьшая. Это

обусловлено различной удаленностью точек земной поверхности от центра

Луны и вытекает из закона Ньютона, гласящего: «Две частицы с массами

«м» и «М» взаимно притягиваются с силой, пропорциональной произведе-

нию этих масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между

ними».

Рис. 15. Схема образования приливов

и отливов. Сложение сил в различных

точках поверхности Земли (по

В.В.Шулейкину)

_______________________________

Можно вычислить, насколько

уменьшается сила лунного при-

тяжения при переходе от точки зем-

ной поверхности, обращенной к Луне (а), к точке, лежащей на противопо-

ложной стороне Земли (б), т. е. удаленной от Луны на два земных радиу-

са. Расстояние между центрами Луны и Земли составляет около 60 зем-

ных радиусов, а отношение между силой лунного притяжения в обоих

случаях можно найти по формуле:

07,1

3721

3481

=÷=÷ .

Таким образом, сила лунного притяжения в точке «б» в 1,07 раз мень-

ше, чем в точке «а».

Третья сила – центробежная возникает в результате вращения Земли.

Явление возникновения центробежной силы, рассматриваемое в специ-

альных курсах астрофизики, представляется сложным, и всесторонний

анализ его в данном курсе был бы неоправдан. В явлениях приливов и

отливов решающими будут не центробежные силы, возникающие благо-

даря суточному вращению Земли вокруг своей оси, а силы, вызванные

движением Земли вокруг общего с Луной центра тяжести. Этот центр рас-

положен на расстоянии 0,7 величины радиуса Земли от ее центра. Цен-

тробежные силы всюду параллельны и обращены в сторону, противопо-

ложную Луне. Наибольшее напряжение центробежных сил проявляется

на противоположной Луне поверхности Земли. Здесь центробежные силы

преобладают над силами притяжения к Луне и их равнодействующая на-

правлена поэтому в сторону, противоположную Луне. Результирующие

силы, действие которых равнозначно действию суммы сил всех трех ро-

дов, изображены на рис. 15 в виде стрелок, длина которых пропорцио-

нальна величине каждой из них, а направление соответствует направле-

нию так называемой приливообразующей силы.

Из рисунка видно, что на двух взаимно-противоположных сторонах

Земли одновременно возникают явления приливов, но силы, их вызываю-

щие, различны: в точке «а» преобладает действие силы лунного притяже-

ния, в точке «б» – силы центробежной. Явления отливов в полюсных частях

схемы вызваны преобладанием сил тяжести над силами второго и третьего

рода. Приливная волна следует за движением Луны, несколько отставая от

нее. Тенденцию к описанной деформации испытывают одновременно как

гидросфера, так и литосфера. Однако у твердой оболочки эффект деформа-

ции от явления прилива будет очень мал. Иначе происходит с жидкой обо-

лочкой. В ней эффект приливного действия Луны, вычисляемый математи-

чески, равен подъему уровня воды на 563 мм. Аналогичный эффект при-

ливного действия Солнца равен подъему уровня воды на 246 мм. Таким

образом, приливы Луны больше приливов Солнца в 2,2 раза.

Рис. 16. Положение Солнца и Луны в сизигии (а, б) и квадратуре (в)

Явления приливов в земной гидросфере не всегда бывают одинаковой

силы. Это зависит от взаимного расположения Земли, Луны и Солнца. Мак-

симум приливной волны бывает в сизигии, т. е. при таком расположении,

когда все три небесных тела находятся на одной прямой (рис. 16). В этом

случае силы притяжения Солнца и Луны суммируются. Такое положение

планеты занимают два раза в лунный месяц: в новолуние и полнолуние.

Минимум приливной волны бывает в квадратуре Луны, когда линия,

соединяющая центры Луны и Земли, располагается перпендикулярно к