Волны, течения, водообмен


Волны Байкала

Отчего возникают волны?

Кто впервые измерил максимальную высоту волн в Байкале?

Чем определяется максимальная высота волн?

Как зависит максимальная высота волн от разгона?

Как перемещаются волны?

Почему труднее оценить высоту волн с движущегося судна?

Почему опрокидываются гребни волн?

Почему волны прибоя обычно почти параллельны берегу?

Воздействуют ли волны на дно глубокого озера?

Над какой глубиной происходит опрокидывание волн (забурунивание) ?

Как образуются ветровые волны?

Что происходит с волнами после того как стихает ветер?

В течение какого срока после прекращения ветра происходит затухание волнения на Байкале?

Можно ли кататься на прибойной волне на лодке?

Какова энергия волн, обрушивающихся на берег?

Какого размера гальку могут перемещать волны ?

Что такое прибойные биения?

Что такое внутренние волны?

Что такое мертвая вода?

Что такое цунами?

Что такое приливы?

Отчего возникают приливы?

Сколько длятся приливные сутки?

Что такое дрейфовые течения?

Что такое геострофические течения?

Чем вызываются циркуляции вод в Байкале?

Зачем нужны сведения о глубинных течениях?

Что представляет собой разрывное течение?

До каких глубин распространяется ветровое перемешивание воды в Байкале?

Как часто происходит обмен воды в Байкале?

Как прослеживают перемещение водных масс?

Как определяют возраст воды?

Что такое стагнация ?

Что такое апвеллинг?

Что такое даунвеллинг и где его можно наблюдать на Байкале?

 

 

 

 

Отчего возникают волны?

Волны в озере возникают от воздействия ветра на воду, от перепада атмосферного давления на разных участках котловины, от землетрясений, от приливов, от подводных вулканических извержений, от движущихся судов и других внешних сил.

 

 

Кто впервые измерил максимальную высоту волн в Байкале?

В 1871 г. Б. И. Дыбовский и В. А. Годлевский определили максимальную высоту волн от горизонта льда, она оказалась равной 4 м. Свои наблюдения авторы проводили у берега. Наибольшая высота инструментально измеренных волн в открытом Байкале также достигает 4 м. Во время шторма от ЮЗ ветра (култук) в Северном Байкале 10 августа 1975 г. волны достигали высоты более 6 м. Пароход «Комсомолец» - бывший средний рыболовецкий траулер -полностью скрывался между гребнями волн.

 

 

Чем определяется максимальная высота волн?

Она зависит от скорости ветра, длительности его действия и разгона - расстояния, на котором ветер продолжает действовать на бегущую волну. Обычно принято считать, что в море высота волн, выраженная в метрах, составляет не более половины скорости ветра, выраженной в узлах, хотя отдельные волны могут быть и выше. В глубоких пресноводных озерах эта зависимость почти такая же.

 

 

Как зависит максимальная высота волн от разгона?

До определенных пределов чем больше разгон, тем выше волны. Если разгон превышает 1000 миль, высота волн не будет заметно увеличиваться. Максимальную вы

соту штормовых волн в море рассчитывают по формуле Н = 0,45 V F, где Н - высота волн в метрах, F - разгон волн в милах. Эта формула с несколько меньшим коэффициентом применима для расчета примерной высоты штормовых волн и в пресных глубоких водоемах (Н = 0,3 V F).

 

 

Как перемещаются волны?

Когда смотришь на волны, то кажется, что массы воды движутся поступательно, иногда со значительной скоростью. На самом деле частицы воды совершают круговое движение. Перемещается форма воды, сами же частицы смещаются лишь незначительно. В этом легко убедиться, наблюдая за поведением поплавка на волне. Хорошей имитацией волн может служить колебание хлебного поля при ветре.

 

 

Почему труднее оценить высоту волн с движущегося судна?

Даже опытному наблюдателю трудно определить на глаз высоту волны с движущегося судна из-за отсутствия фиксированного уровня отсчета. При этом высоту волны легко переоценить, так как при ее подходе нос судна погружается в воду. Чаще всего ошибаются в сторону завышения высоты волн, так как при этом подсознательно к амплитуде волн добавляют и амплитуду килевого качания корабля.

 

 

Почему опрокидываются гребни волн?

Основание волны тормозится, так как встречает сопротивление частиц воды, движущихся навстречу волне. Гребень же, то есть вершина, не имея сопротивления, движется практически быстрее основания; кроме того, на него действуют завихрения воздуха, поэтому он наклоняется в сторону движения и в конце концов опрокидывается.

 

Волна на Байале

Почему волны прибоя обычно почти параллельны берегу?

Волны подходят к берегу под различными углами в зависимости от направления ветра. Но когда они достигают мелководья, то ближний к берегу край волны тормозится о дно сильнее, чем край дальний, и волна постепенно разворачивается параллельно берегу.

 

 

Воздействуют ли волны на дно глубокого озера?

С глубиной волновые движения быстро затухают и не оказывают воздействия на дно глубоководных районов. Считается, что на глубине, равной половине длины волны, волнение практически отсутствует. Вместе с тем, волны оказывают значительное воздействие на дно, где глубина меньше половины их длины. Ученый А.Н. Уолтон-Бостон писал: «Волна встает на дыбы, как только почувствует, так сказать, почву под ногами - дно, а затем летит кувырком, разбиваясь на прибрежной отмели или рифах».

 

 

Над какой глубиной происходит опрокидывание волн (забурунивание) ?

У берегов оно начинается там, где глубины оказываются близкими к половине длины волн наката. В открытом Байкале забурунивание зависит от силы ветра. При скорости его 7-8 м/с на вершинах волн начинают образовываться барашки, а при более сильном ветре (10-12 м/с и более) забурунивание происходит почти на всех волнах.

 

 

Как образуются ветровые волны?

При скорости ветра менее 1 м/с на спокойной поверхности озера образуются волны ряби, или так называемые капиллярные волны. При усилении ветра до 4-5 м/с они возрастают и превращаются в гравитационные волны -более крупные и заметные колебания водных частиц. Когда скорость ветра достигает 7-8 м/с, на вершинах волн начинают образовываться барашки.

 

 

Что происходит с волнами после того как стихает ветер?

Они становятся более плавными и пологими, уменьшается их высота. Изменения эти происходят постепенно, и волны, становящиеся зыбью, продолжают свое движение, пока не достигнут берега. При этом они могут проделать путь в тысячи миль.

 

 

В течение какого срока после прекращения ветра происходит затухание волнения на Байкале?

Это зависит от того, каким ветром оно вызвано. Волнение, вызванное продольными ветрами (вдоль котловины озера), такими как култук, баргузин, верховик, после прекращения ветра затихает в течение полусуток. Волнение, вызванное местными (долинными) бризовыми ветрами, затухает через 2-3 часа после их прекращения. Однако на Байкале такого четкого расчленения ветров почти не бывает, особенно в осенне-зимнее время. В этот период ветры, сменяя друг друга, могут дуть в течение недели и более.

 

 

Можно ли кататься на прибойной волне на лодке?

Довольно часто небольшие лодки могут двигаться вместе с прибойной волной в море, где волны более пологие и длинные.

В Байкале подобные эксперименты с весельными лодками обычно кончаются неприятностями, так как лодки заливает набегающими и опрокидывающимися гребнями волн. На быстроходных моторных лодках, которые имеют скорость, равную или близкую скорости наката волн, это удается делать сравнительно легко, но только опытным водителям.

 

 

Какова энергия волн, обрушивающихся на берег?

В разных районах Байкала она различна и колеблется в пересчете на метрическую систему от 5-6 млн. т/м (тон-но/метр) на 1 пог. м берега до 20 млн. т/м и более в год. Кинетическая энергия волн огромна. При ударе о берег волны высотой 1 м на одну милю побережья, с периодом 10 с, развивают мощность более 35 тыс. л. с., или около 19 л. с. на 1 м берега. Вдоль Кругобайкальской железной дороги волнами неоднократно разрушались мощные (до 3 м толщиной) железобетонные берегоукрепительные сооружения.

Известна гигантская разрушительная сила морских волн. На побережье Шотландии, например, волны выломали из пирса и передвинули сцементированный каменный блок весом 1350 т. Через пять лет был снесен поставленный взамен прежнего пирса блок весом 2600 т. Сила прибоя при ударе волн в этом месте побережья оказалась 29 т/м2. На побережье Орегона волны забросили обломок скалы весом 60 кг на крышу маяка, расположенную на высоте 28 м от уровня моря.

 

 

Какого размера гальку могут перемещать волны ?

Береговые валы на Байкале высотой до 3 метров часто сложены мелкими валунами до 20-25 см в поперечнике - например, морской берег полуострова Святой Нос, юго-западный берег мыса Понгонье и др. Следовательно, волны могут не только перемещать, но и поднимать такие валуны на высоту до 3 м. На отдельных участках берегов, где происходит абразия ледниковых отложений, волны перемещают глыбы до 2-3 м3 - район к востоку от устья р. Переемной, губа Понгонье и др.

 

Волны Байкала зимой

Что такое прибойные биения?

Иногда волны зыби, возникающие в различных штормовых районах, но имеющие приблизительно одинаковую длину, достигают берега одновременно. При этом их гребни могут накладываться друг на друга и образовывать волну большей высоты, чем они сами. Если же волны складываются так, что гребень одной волны совпадает с ложбиной другой, то они гасят друг друга. Медленное повышение и понижение уровня, наблюдаемое на мелководье за счет периодического взаимного усиления и ослабления волн различных систем, называется прибойным биением. На Байкале приходилось наблюдать в районе Танхоя и так называемую квадратную волну, или перекрестное волнение. Оно происходит также на мелководье. Два взаимно перпендикулярных направления волн четко пересекают друг друга, образуя своими гребнями квадрат.

 

 

Что такое внутренние волны?

Это волны, возникающие между слоями жидкости различной плотности. Если теплая вода лежит на более холодной и, следовательно, более плотной, то между ними

образуется граница раздела, аналогичная границе между водной поверхностью и атмосферой. Поскольку разница в плотности слоев воды значительно меньше разности плотности воздуха и воды, высота внутренних волн соответственно превосходит высоту поверхностных волн и может достигать сотен метров.

Для изучения внутренних волн на мелководных участках используют эстакады. В глубоководных районах их исследуют с помощью приборов, устанавливаемых на буйковых станциях или опускаемых с судна. Лучший метод исследования внутренних волн - установка группы буйковых станций с приборами, помещенными на различных горизонтах. Внутренние волны способствуют перемешиванию воды в Байкале.

 

 

Что такое мертвая вода?

В районах речного стока слой теплой пресной воды иногда лежит на более плотной водной массе — либо более холодной, либо соленой. В тех случаях, когда толщина этого верхнего слоя примерно равна осадке судна, винт на малом ходу возбуждает внутренние волны. При этом энергия, которая в обычных условиях расходуется на продвижение судна вперед, тратится на поддержание внутренних волн, и судно почти перестает двигаться. Явление «мертвой воды» исчезает уже при небольшом увеличении скорости. На Байкале чаще, чем в других местах, мертвая вода бывает в Селенгинском мелководье, обычно в июне, когда температура воды в Байкале еще достаточно низкая, а вода в Селенге уже успевает хорошо прогреться. При этом речная вода растекается по Байкалу и на протяжении от 1 до 7 км возникают слои мертвой воды. Такое явление возможно и в открытом озере. Летом, в штилевую погоду, когда температура воды в Байкале ниже 4 °С, а вода Селенги - 10-15 С, острова теплой воды реки мигрируют на поверхности на довольно значительные расстояния, иногда достигая истока Ангары.

 

 

Что такое цунами?

Этим японским словом называют морские волны сейсмического происхождения. Волны цунами вызываются подводными землетрясениями, извержениями вулканов и подводными оползнями. Они возникают, в основном, в глубоководных впадинах на окраине Тихого океана. На Байкале подводные землетрясения бывают довольно часто. Так, в августе 1959 г. произошло подводное землетрясение в районе средней котловины озера. Сила землетрясения в эпицентре, который был расположен под водой в 10-20 км от восточного берега Байкала, севернее дельты Селенги, достигала 9,5-10 баллов (по 12-балльной шкале). Это землетрясение относится к разрушительным, и его ощущали, например, в Иркутске, более чем в 200 км от эпицентра. Многие кирпичные дома дали трещины. В океане такое землетрясение, как правило, рождает цунами. Однако на Байкале волн цунами при этих землетрясениях не было отмечено. Правда, и службы цунами на Байкале нет. Но энергия волн бывает достаточной для рождения волн цунами. И если возникнет ситуация, при которой появятся цунами, высота их может достигать нескольких метров, в зависимости от района и рельефа прибрежного дна.

 

 

Что такое приливы?

Непрерывные периодические подъемы и опускания уровня моря, происходящие у побережий или в открытом море. У большинства побережий один прилив сменяется другим через 12 ч. 25 мин, но в некоторых местах период приливных колебаний может быть большим, например, на побережье Мексиканского залива он составляет 24 ч 50 мин. Подъемы и опускания уровня моря у побережий создаются очень длинными волнами: полной воде соответствует гребень волны, малой воде — подошва волны. Самые большие поднятия уровня воды в Байкале, вызванные приливами, достигают 3,2 см. Чаще всего суточные колебания уровня от приливов и отливов имеют амплитуду 2-3 см. Впервые вопросом о приливах на Байкале, по поручению Т. П. Кравца, занимался А. П. Екимов. Для этого были использованы мареограммы (лимниграммы) колебания уровня воды в Байкале. Такие данные за ряд лет были накоплены в магнитно-метеорологической обсерватории. Но их оказалось недостаточно. Было решено провести исследования с помощью экспериментальной физической

модели озера, которая и была построена в уменьшенном масштабе (по горизонтали 1:6000000, по вертикали 1:11000. Длина модели по тальвегу была 120 см, а средняя глубина - 6 см. Первые результаты были изложены в 1926 г. в трудах Иркутской магнитно-метеорологической обсерватории. Расширение исследований по распределению амплитуд приливной волны в разных точках акватории Байкала было выполнено И. А. Парфиановичем.

Позднее, уже в 1930-х гг., при разработке проекта Иркутской ГЭС, по просьбе лимнологической станции, ученые Т. П. Кравец и А. С. Топорец провели исследования распространения сейш на Ангаре. В результате была разработана теория распространения сейшевых волн по реке.

 

 

Отчего возникают приливы?

Причины приливов - взаимодействие Солнца, Луны и Земли. Наибольшее воздействие на приливы оказывает Луна. Когда Солнце, Земля и Луна располагаются вдоль одной прямой (что соответствует полнолунию или новолунию), действия Луны и Солнца взаимно усиливаются и возникают особенно высокие сизигийные приливы. Когда Солнце и Луна наблюдаются с Земли под прямым углом (при этом Луна находится в первой или третьей четверти), действия Луны и Солнца частично гасят друг друга, амплитуда прилива уменьшается. Такой прилив называют квадратурным. На Байкале сизигийный прилив достигает высоте 3,2 см, а квадратурный - около 2 см. Впервые связь приливов с Луной установил Аристотель. В 350 г. до н. э. он писал: «Говорят еще, что многие отливы в море всегда изменяются вместе с Луной и в некоторые определенные дни». Вскоре после начала новой эры римский ученый Плиний установил точное соответствие между фазами Луны и приливами.

 

 

Сколько длятся приливные сутки?

Приливными, или лунными, сутками называется время оборота Земли относительно Луны, иначе говоря, интервал между двумя последовательными прохождениями Луны через местный меридиан. Длительность средних приливных суток составляет примерно 28,84 солнечных часа.

 

 

Что такое дрейфовые течения?

Течения, вызванные, главным образом, ветрами. Проявляются они в поверхностных слоях воды и с глубиной быстро затухают; в Байкале прослеживаются до глубин 15-20 м. В навигацию такие течения вызывают смещение судов - их дрейф.

 

 

Что такое геострофические течения?

Стационарные течения, сохраняющие свои основные черты (положение, направление, скорость) в течение длительного времени. Они вызваны воздействием внешних факторов и отклоняющих сил вращения планеты. На Байкале эти течения охватывают как все озеро, так и отдельные котловины, и действуют в течение года. В океане к геостро-фическим течениям относят крупнейшие системы течений - Гольфстрим, Куросио, Перуанское и др. Эти течения переносят огромные массы воды, оказывают влияние на погоду, осадкообразование и др. В Байкале, главным образом, за счет этих течений водообмен между средней и южной котловинами достигает 80-90 км3.

 

 

Чем вызываются циркуляции вод в Байкале?

Ветром, приливами и отклоняющей силой вращения Земли, притоком воды из рек и стоком в Ангару, неравномерностью распределения атмосферного давления. На характер и скорость циркуляций влияют также глубины водоема, топография дна и очертания береговой линии. В котловине Байкала в осенне-зимний период преобладают продольные ветры (верховик, баргузин, култук), они усиливают межкотловинный перенос водных масс — общебайкальскую циркуляцию. Поперечные ветры (горная, шелонник) усиливают внутрикотловинную циркуляцию.

 

 

Зачем нужны сведения о глубинных течениях?

Для оценки масштабов перемешивания воды в пространстве и определения направления перемещения загрязнений, попадающих в водоем. В последние годы практикуется выброс и захоронение радиоактивных отходов в океаны. У ученых возникли опасения, что со временем

эти отходы снова будут вынесены на поверхность и в прибрежные районы. Для того, чтобы быть уверенными в безопасности или опасности подобных захоронений, также нужно знать глубинные течения океана.

 

 

Что представляет собой разрывное течение?

Сточное течение вод в виде локализованных струй, прорывающихся сквозь прибой от берега в сторону водоема. Возникает оно у наветренных берегов, куда доходят особенно высокие волны. Разрывные течения на Байкале возникают также при встрече вдольберегового потока с выступающими в озеро мысами или скалами, под влиянием которых течение изменяет направление и устремляется вразрез набегающей волне. Разрывные течения обладают достаточно большими скоростями и могут не только переносить обломочный материал из береговой зоны в озеро, но и размывать коренное дно.

 

 

До каких глубин распространяется ветровое перемешивание воды в Байкале?

До глубины 200-250 м. В этом поверхностном слое воды сосредоточено наибольшее количество живых организмов в Байкале и они наиболее продуктивны.

 

 

Как часто происходит обмен воды в Байкале?

В среднем водообмен в озере происходит за 383 года. Но так как внутри котловины Байкала также наблюдаются водообмен и перемешивание, при этом в каждую из котловин притоки приносят неодинаковое количество воды, то водообмен в них завершается за разные периоды. По распределению гелия и трития возраст глубинных вод (ниже 250 м) по последним данным оценивается для южной котловины примерно в 10 лет, средней - в 11 и северной - в 7,6.

 

 

Как прослеживают перемещение водных масс?

Пресные воды, где солевой состав незначителен, прослеживают по сочетанию цвета и температуры. Например, воды Селенги можно обнаружить в Байкале иногда за сотню километров от места их впадения в озеро по содержанию кислорода, трития, а также примесей антропогенного происхождения (загрязнений). Для этого используют и искусственные красители (флюоресцеин), изотопы‘золота и др.

 

Волнение Байкала

Как определяют возраст воды?

Прямых определений возраста воды в Байкале пока что мало. В последнее время, наряду с изотопом С14, исследуют концентрацию трития в воде. Как известно, тритий рождается в атмосфере и с атмосферными осадками попадает в реки и водоемы. Период полураспада трития 12,46 года. По концентрации этого вещества и устанавливают возраст и распределение в озере речной воды. Косвенные исследования и определение по С14 позволяют высказать предположение, что максимальный возраст воды в озере около 400 лет. Но в каждой котловине он разный: в южной котловине - 66 лет, в средней - 132 года и в северной - 225 лет.

 

 

Что такое стагнация ?

Это застойное состояние водоема. Когда в водной толще отсутствует энергичная вертикальная циркуляция и вода стратифицируется (расслаивается). Стратификация может быть по плотности, температуре, солености. При сформировавшемся слое скачка температуры в Байкале перемешивание воды происходит, главным образом, в верхних ее горизонтах, расположенных над этим слоем.

 

 

Что такое апвеллинг?

Это восходящие течения воды, возникающие при подходе глубинных течений к берегу (мелководью). Эти течения приносят к поверхности глубинные воды, богатые биогенными элементами - азотом, фосфором, кремнием и др., обеспечивая бурное развитие жизни в этих районах. На Байкале подъем к поверхности глубинных вод, богатых биогенными элементами, наблюдается у подветренных берегов при сгонно-нагонных ветровых течениях. Особенно четко прослеживается апвеллинг вдоль западных и северо-западных берегов Байкала. Хорошо заметен

в Лиственничном заливе, когда с движущейся вдоль берега лодки можно видеть крутые подводные склоны, уходящие вглубь.

 

Что такое даунвеллинг и где его можно наблюдать на Байкале?

В отличие от апвеллинга, характеризующего подъем глубинных вод к поверхности, даунвеллинг - это нисходящий поток водных масс, возникающий на границе раздела теплых и холодных вод. В океанах даунвеллинг (погружение холодных вод на большие глубины, где в придонных слоях они растекаются на большие расстояние и доходят до низких широт) наблюдается, например, в прибрежных районах Антарктиды. Даунвеллинг на Байкале особенно интенсивен на наветренных берегах, в период, когда температура поверхностных слоев воды близка к температуре наибольшей плотности. При этом происходит распространение в глубинные горизонты загрязненных поверхностных вод. Постоянной областью зарождения даунвеллинга или конвергентной зоны фронтов, или фронтогенеза, является область максимума прибрежных течений, где происходит смешивание прибрежных вод и вод открытого озера, их уплотнение при смешении и опускание. Скорости опускания вод в зимних условиях подо льдом, когда они минимальны, достигают 60-70 м в сутки. Даунвеллинг осуществляет вентиляцию придонных вод поверхностными, что очень важно для байкальской биоты. При летних и осенних штормах при скоростях ветра больше 40 м/с образование даунвеллинга в поверхностных слоях воды сопровождается образованием водоворотов, что опасно для небольших судов типа «Шокальского», затонувшего при подобных обстоятельствах



Рейтинг: 0 Голосов: 0 5047 просмотров