Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
7 февраля в 14.00 по адресу: Рига, Ломоносова 1/4, 106 ауд. (конференц-зал) Лекция-экскурсия: История Риги с момента основания до Ивана Грозного.Балти...полностью>>
'Документ'
Наслаждение лечит Наслаждение защищает от неприятностей Люди в хорошем настроении большего достигают в жизни Способность наслаждаться улучшает межличн...полностью>>
'Урок'
Создать условия для актуализации комплекса знаний и способов действий по фонетике, лексике, морфологии, морфемике; обобщить и систематизировать знания...полностью>>
'Документ'
Потребительское Общество «СОЮЗ» (далее по тексту - «Общество») является добровольным объединением граждан на основе членства для совместного удовлетво...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Министерство науки и образования Украины

Таврический национальный университет

им. В.И.Вернадского

Географический факультет

Кафедра физической географии и океанологии

Ю.Ф.БЕЗРУКОВ

ОКЕАНОЛОГИЯ

Часть II

Динамические явления и процессы в океане

Симферополь 2006

Стремление познать океан – это нечто большее, чем просто любознательность. От уровня наших знаний о нем может зависеть наша участь.

Джон Кеннеди,

американский президент

Безруков Юрий Федорович

Океанология. Часть II. Динамические явления и процессы в океане.

- Симферополь: Таврический национальный

университет им. В.И.Вернадского, 2006. – 123 с.

В книге изложены основные разделы динамической океанологии. Приводятся сведения о динамических явлениях и процессах в океане. Дается характеристика колебаний уровня и морского волнения. Показана физическая картина возникновения, развития и трансформация ветровых и внутренних волн, сейш, волн цунами. Приводится характеристика приливов в различных океанах и морях. Показаны основные силы, вызывающие движение в океане. Представлена теория плотностных и дрейфовых течений и дана географическая характеристика течений в Мировом океане.

Предназначается в качестве учебника для студентов-океанологов географических факультетов, преподавателей, специалистов-географов.

Содержание

Министерство науки и образования Украины 1

Таврический национальный университет 1

им. В.И.Вернадского 1

Географический факультет 1

Кафедра физической географии и океанологии 1

Ю.Ф.БЕЗРУКОВ 1

ОКЕАНОЛОГИЯ 1

Динамические явления и процессы в океане 2

2

Симферополь 2006 2

1. Колебания уровня и волны в Мировом океане 5

1.1. Уровень моря 5

1.1.1. Уровень моря и причины его колебаний 5

1.2. Сгонно-нагонные колебания уровня моря 7

1.3. Характеристика уровней 8

1.2. Морские волны 11

1.2.1. Общие сведения о морских волнах 11

Волны 14

1.2.2. Основы классической теории морских волн 17

1.2.3. Физическая картина развития и затухания волн 27

1.2.4. Поведение ветровых волн у побережья 32

1.2.5. Методы расчета ветровых волн 36

1.2.6. Сейши, цунами, внутренние волны 37

1.2.7. Характеристика волн Мирового океана 41

2. Приливы в Мировом океане 42

2.1. Понятие о приливах 42

2.2. История исследования приливов 43

2.2.1. Ньютон и статическая теория приливов 45

2.2.2. Лаплас и “динамическая” теория приливов 46

2.2.3. Развитие идей Ньютона и Лапласа 47

2.3. Элементы приливов и терминология 48

2.3.1. Термины и определения 48

2.3.2. Классификация приливов 50

2.3.3. Неравенства приливов 55

2.4. Основы теории приливов 61

2.4.1. Приливообразующие силы и их потенциал 61

2.4.2. Статическая теория приливов 66

2.4.3. Динамическая теория приливов 71

2.4.4. Распространение приливных волн с учетом различных сил 75

2.5. Методы предвычисления приливов 78

2.6. Характер распределения приливов в Мировом океане 81

3. Циркуляция вод Мирового океана 82

3.1. Основные силы, действующие в океане 83

3.2. Классификация течений 86

3.3. Градиентные течения 88

3.3.1. Плотностные течения 88

3.3.2. Градиентные течения в однородном море 96

3.4. Дрейфовые течения 102

3.4.1. Дрейфовые течения в бесконечно глубоком море 103

3.4.2. Дрейфовые течения в море конечной глубины 108

3.5. Суммарные течения 110

3.6. Приливные течения 113

3.7. Географическое распределение течений 115

3.7.1. Циркуляция поверхностных вод 117

3.7.2. Циркуляция глубинных и придонных вод 121

Литература 122



1. Колебания уровня и волны в Мировом океане

  1. 1. Уровень моря

1.1.1. Уровень моря и причины его колебаний

Уровнем моря называется высота поверхности моря, свобод­ная от влияния ветровых волн и зыби, измеряемая относительно условного горизонта.

Уровенной поверхностью называется поверхность морей и океанов, нормальная к направлению силы тяжести.

Свободная поверхность Мирового океана, не возмущенная динамическими факторами (приливы, течения и др.), опреде­ляет фигуру, называемую геоидом. Но наблюдения над уровнем моря в любой точке Мирового океана показывают, что его действительная поверхность не остается в покое, а находится в не­прерывном колебании под влиянием многие сил и отклоняется от поверхности геоида. Эти силы можно объединить в следую­щие группы:

1. Колебания уровня моря, вызванные гидрометеорологическими процессами. Эти колебания обусловлены воздействием атмосферного давления, ветра, осадков, испарения, речного стока, тепловых процессов в море:

  • колебания уровня, вызванные изменением атмосферного давления, представляют статическую реакцию воды на эти изменения. При повышении атмосферного давле­ния на 1 гПа уровень моря понижается на 1 см, и наоборот;

  • колебания уровня, вызванные непосредственным действием ветра. Эти колебания могут быть довольно значительными. Сезонные колебания уровня нередко связаны с муссонными ветрами, вызывают колебаний уровня и бризовые ветры. Значительные колебания уровня в мелководных районах Мирового океана вызывают сгонно-нагонные ветры, возникающие, как правило, при прохож­дении циклонов;

  • колебания уровня вследствие неравномерности в процессе поступления (осадки, речной сток) или расхода воды (испарение) также могут быть значительными. Так, сильные ливневые осадки могут вызвать кратковременные резкие подъемы уровня. Некоторый подъем уровня имеет место в непосредственной близости от устья реки за счет речного стока. В морях, в которые впадает много рек (Черное море), колеба­ния речного стока заметно влияют на уровень моря. В морях, не имеющих связи с океаном (Каспийское, Аральское), изме­нения речного стока являются основным фактором, определяющим многолетние колебания уровня;

  • колебания уровня, вызванные изменением плотности воды, связаны с изменением ее солености и особенно температуры. Так, в летнее время при уменьшении плотности воды увеличивается ее объем, а, следовательно, повышается уровень. В связи с рав­номерным и относительно постоянным распределением теплых (повышенный уровень) и холодных (пониженный уровень) областей имеет место более или менее постоянное неодинаковое стояние уровня этих областей (понижение уровня в полярных областях и повышение в тропических зонах).

Рассматривая гидрометеорологические причины колебания уровня, следует иметь в виду комплексный характер процессов, влияющих на положение уровенной поверхности. В одних случаях может наблюдаться комбинация одинаково направленных процессов, в другие случаях их соотношение может быть иным.

Годовой ход уровня в северном полушарии обусловлен термодинамическими макропроцессами, происходящими одновременно в атмосфере и гидро­сфере. Можно выделить следующие типы годового хода уровня.

Муссонный тип. Характерен для северной части Индийского океана, восточного побережья Азии с муссонной циркуляцией ветров, которая нагоняет воды к берегам континентов летом и отжимает их зимой. Годовой ход уровня имеет хорошо выраженный максимум в августе-сентябре и минимум в феврале.

Зональный тип. Наблюдается в зонах воздействия западно-восточного переноса, которыми являются северо-западные берега Европы и Северной Америки. Интенсивность этого процесса зависит от тепловых контрастов между экваториальной и полярной областями. В осенне-зимний период, когда господствует зональный западно-восточный перенос, в указанных зонах происходит повышение уровня, а в летнее время - понижение. Максимум годового хода уровня наблюдается в декабре-январе, а минимум — в июне – августе.

Сезонный тип. Характерен для внутренних морей, в водном режиме которых существенную роль играет речной сток (Черное, Азовское, Каспийское и др.), а также для приустьевых районов океанов. Годовой ход уровня зависит от сезонов года, с ко­торыми связаны периоды половодья рек. Максимум уровня обычно наблюдается в весенне-летний период.

Бризовый тип. Относительно правильно повторяющиеся, но небольшие по величине колебания уровня, вызванные бризовыми ветрами, дважды в сутки меняющими свое направление.

2. Влияние космических сил на положение уровня моря. Приливообразующие силы Солнца и Луны возбуждают правильные по времени периодические колебаний всей поверхности Мирового океана. И только в отдельных, небольших по площади морях, слабо связанных с океаном (Черное, Балтийское, Азов­ское и др.), приливные колебания уровня незначительны - менее 20-30 см.

3. Колебания уровня под воздействием геодинамических сил.

Геодинамические силы вызывают различные по характеру ко­лебания уровня:

  • вековые колебания уровня обусловлены медленными верти­кальными движениями суши - поднятием или опусканием. Эти колебания уровня являются кажущимися, так как они происходят не от изменений самого уровня моря, а от поднятия или опускания берега, на котором установлена водомерная рейка. Примером может служить Ботнический залив Балтийского моря, где суша медленно поднимается, а уровень моря понижается.

  • тектонические колебания уровня - колебания уровня моря, вызванные землетрясением, моретрясением, извержением подводных и надводных вулканов. Эти явления вызывают резкие и зачастую катастрофические колебания уровня моря (цунами, сильные сейши).

4. Эвстатические колебания уровня - изменения уровня Мирового океана, связанные с изменениями общего объема воды в нем, а также с изменениями емкости морей и океанов.

Объем воды Мирового океана испытывает вековые колебания, связанные с наступлением и отступлением материкового ледяного щита Северной Америки и северо-западной части Евразии. Во время крупнейшего в четвертичном периоде оледенения суши большая масса воды Мирового океана отложилась в виде материкового льда на суше. В результате этого уровень океана был на 120-150 м ниже современного. В дальнейшем, вследствие потепления и отступления материковых льдов, уровень Мирового океана стал подниматься, и примерно 6000 лет назад стабилизировался. Однако тенденция к потеплению в последнем столетии вызвала таяние льда и некоторое поднятие уровня.

Подсчитано, что если растопить льды антарктического рай­она, уровень Мирового океана повысится на 60 м, а при тая­нии всех материковых льдов Земли уровень повысится еще более.

В замкнутых водоемах имеют место значительные вековые колебания уровня, связанные с изменением речного стока. Так, за период 1929-1941 гг. средний уровень Каспийского моря упал на 1.5 м, а в целом с 1929 по 1975 г. на 2.5 м, в последующие годы наблюдается его рост и сейчас (2006 год) его уровень достиг –26.5 м.

Периодические колебания уровня - колебания, которые повторяются систематически через определенный период времени (приливные колебания, сейщи, ветровые волны). Наиболее пра­вильные по времени периодические колебания уровня обуслов­лены приливными явлениями.

Непериодические колебания уровня возникают под влиянием изменяющегося ветра, резких изменений атмосферного давле­ния, осадков, речного стока, землетрясений, извержения вулка­нов и т. д. Непериодические колебания уровня могут достигать больших значений и сопровождаться катастрофическими последствиями (цунами, тайфуны, сгонно-нагонные яв­ления).

Причины колебания уровня моря можно также подразделить на две группы:

а) объемные - связанные с изменением объема воды в бассейне (осадки, речной сток, испарение);

б) деформационные - связанные с перераспределением воды в море (ветер, изменения атмосферного давления, приливные явления, сейсмические причины).

1.2. Сгонно-нагонные колебания уровня моря

Сгонно-нагонные колебания уровня моря представляют собой непериодические изменения уровня морей и океанов под воздействием ветра и атмосферного давления. В результате действия ветра в поверхностном слое моря возникает поступа­тельное движение воды - течение, которое вызывает перемещение масс воды, приводящее к колебаниям уровня у берегов.

В мелких морях и в мелководных районам глубоких морей направление движения воды практически совпадает с направ­лением ветра. Если ветер дует в сторону берега, то в резуль­тате притока воды уровень у берега повышается - происходит нагон, а при обратном направлении ветра - сгон воды. В глубоких морях полный поток воды отклоняется от направления ветра на 90° (вправо в северном полушарии), и сгон­но-нагонные колебания уровня в этом случае будут вызваны ветрами, дующими вдоль берега.

Наибольшие колебания уровня при сгонно-нагонных явлениях наблюдаются у отмелых берегов в длинных, сужающихся заливах, узких проливах и устьях рек. В этих условиях колеба­ния уровня достигают 2-3 м и более. В глубоких морях сгонно-нагонные колебания уровня незначительны.

Значительные сгонно-нагонные колебания уровня наблюдаются в Азовском море. Разность уров­ней у наветренного и подветренного берегов этого моря составляет более 3 м. Многолетняя разность между наибольшим и наименьшим уровнями достигает в Таган­рогском заливе - 670 см.

Сгонно-нагонные явления часто сопровождаются сопутствующими явлениями, действующими в том же направлении (изме­нения атмосферного давления, речной сток, сейши, приливы и др.).

В этом случае повышение уровня при нагонах за счет ветра может увеличиваться за счет указанных явлений, и это вызывает особенно большие повышения уровня.

Так, частые (245 за 276 лет) наводнения в районе Санкт-Петербурга с катастрофическими подъемами уровня (З82 см в 1924 г. и 421 см в 1824 г.) возникают при совпадении ветровых нагонных поднятий уровня с играющими основную роль поднятиями за счет длинной волны. Эта волна образуется в результате прохождения циклона, и вторгается в сужающийся и мелководный в своей вершине Финский залив.

1.3. Характеристика уровней

Для практических и научных целей принято вычислять сле­дующие характеристики уровней.

Средний суточный уровень вычисляется как среднее из еже­часных (при наличии самописца уровня) или срочных (по во­домерной рейке) значений уровня за сутки. Колебания средних суточных уровней достигают 2 - 3 м.

Средний месячный уровень вычисляется как среднее из ежечасных или срочных значений уровня за месяц. Средние месяч­ные уровни одного и того же пункта могут различаться на не­сколько десятков сантиметров.

Средний годовой уровень определяется как среднее из еже­часных или срочных значений уровня за год. Можно рассчиты­вать средний годовой уровень из средних месячных уровней. Изменения средних годовых уровней невелики - до 20 см.

Средний многолетний уровень определяется как среднее арифметическое из средних годовых уровней за определенный период времени. При этом, чтобы обеспечить нужную точность, необходимо иметь достаточно продолжительный ряд наблюде­ний, для вычисления длительности которого пользуются формулой А. И. Дуванина:

,

где n - число лет наблюдений; n - вероятное отклонение среднего годового уровня моря от среднего многолетнего, П - погрешность определения.

Средний многолетний уровень, остающийся неизменным при увеличении ряда наблюдений, включенных в осреднение, называется нормальным уровнем.

Нуль глубин - условная поверхность, от которой даются от­метки глубин на морских навигационных картах. На морях, где средняя величина прилива менее 50 см, за нуль глубин прини­мается средний многолетний уровень моря.

Для Каспийского моря, уровень которого за последние годы изменился, за нуль глубин принят условный горизонт, соответствующий среднему уровню моря за 1940 г.

На морях с приливами в качестве нуля глубин принима­лся наинизший теоретический уровень - расчетный приливный уровень, наименьший из возможных по астрономическим усло­виям.

Нуль Кронштадтского футштока - горизонтальная черта на металлической пластинке, укрепленной на устое моста через Обводной канал в г. Кронштадте, расположенная на высоте, соответствующей среднему уровню моря за период 1825 - 1840 гг. Этот нуль был рассчитан и установлен в 1840 г. русским исследователем М. Ф. Рейнеке. За прошедшие после этого сто шестьдесят шесть лет средний уровень моря и положение Кронштадтского нуля существенно не изменились. В Советском Союзе нуль Кронштадтского футштока был официально принят в качестве нулевой поверхности системы абсолютных отметок СССР (Бал­тийская система высот - БС), которая действует до сих пор и в Украине.

Единый нуль постов моря - единая условная поверхность, от которой производится отсчет уровня моря на всех уровенных постах данного моря или ряда морей.

За единый нуль постов моря на морях бывшего СССР, имеющих связь с океанами, принят горизонт, лежащий на 5 м ниже нуля Кронштадтского футштока (—5.000 м), на морях: Каспийском минус 28.000 м, Аральском - плюс 51.494 м.

Наблюдения за уровнем Мирового океана впервые были на­чаты в Амстердаме в 1682 г. В России первые наблюдения за уровнем моря были сделаны Петром I в Кронштадте в 1703 г.

Систематические наблюдения за уровнем Мирового океана ведут более 1000 морских станций. Они определяют характер и величину колебаний уровня океанов и мо­рей, а также выявляют закономерности этих колебаний.

На протяжении 250 - 300 лет наблюдались отдельные повы­шения и понижения уровня Мирового океана (примерно через каждые 33 года) на фоне слабого, но неуклонного повышения уровня, которое составляет приблизительно 1 мм в год. С 10 - 20-х годов XX столетия началось интенсивное повышение уровня Мирового океана, составившее за последние 50 лет в среднем почти 10 см и связанное с общим потеплением на на­шей планете почти на 10С. При этом изменение уровня за­паздывает относительно изменения температуры примерно на 19 лет.

На многолетних изменениях уровня океана отражаются и геологические движения земной коры. Известно, например, что после таяния ледника, покрывавшего во время последнего оледенения Фенноскандию, произошло перераспределение давления в земной коре. В результате до сего времени происходит поднятие Скандинавского полуострова со скоростью в северной части Ботнического залива 1 см в год.

Многолетние изменения уровня океана настолько медленны, что для надежного определения среднего уровня океана достаточно иметь наблюдения на протяжении нескольких лет – 5 или 9 лет, во всяком случае не более 19 лет ( для учета приливной изменчивости уровня).

Ординар порта (средняя высота уровня в данном пункте) - средний многолетний уровень моря в данном пункте, вычис­ленный за установленное число лет и объявленный специальным распоряжением. Используется при промерах и гидротехниче­ских работах в порту.

Повторяемость и обеспеченность уровня. Для мореплавания, проектирования и строительства гидротехнических соору­жений представляют интерес данные о продолжительности стояния на различных горизонтах. При наличии систематиче­ских наблюдений за уровнем моря путем статистической обра­ботки можно определить повторяемость и обеспеченность уровня.

Повторяемость стояния уровня - процент числа случаев стояния уровня в пределах данного интервала относительно общего числа наблюдений.

Обеспеченность - вероятность стояния уровня в пределах данного интервала и выше, выраженная в процентах.

Повторяемость и обеспеченность уровня рассчитываются по срочным или по средним суточным значениям за необходимый период времени (месяц, сезон, год). Интервалы для под­счета выбираются в зависимости от колебания уровня в дан­ном пункте с таким расчетом, чтобы число интервалов было в пределах 10-20. Рекомендуется при колебании уровня до 2, 4, 6, 8 м и более интервалы брать соответственно через 10, 20, 30, 40 и 50 см. При небольших колебаниях уровня интер­валы могут быть уменьшены до 5 см.

Таблица 1

Повторяемость и обеспеченность ежечасных уровней моря (в см над нулем поста)

Интервал

высот

уровня, см

За год

Число случаев

Повторяемость, %

Обеспеченность, %

209-200

24

0.27

0.27

199-190

73

0,83

1,10

189-180

242

2.76

3.86

179-170

653

7.46

1132

169-160

872

9.95

21.27

159-150

1451

16.57

37.84

149-140

2371

27.07

64.91

139-130

1617

18.46

83.37

129-120

1045

11.93

95.30

119-110

339

3.87

99.17

109-100

73

0.8З

100.00

Общее число случаев

8760

100.00

-

Значения интервалов высот уровня в таблице располагают в убывающем порядке (табл. 1).

Затем подсчитывают число случаев для каждого интервала по срочным (средним суточным) наблюдениям за год (месяц, се­зон). Общее число случаев должно соответствовать числу наблюдений.

Повторяемость вычисляется по формуле , где Р - повторяемость в %; m - число случаев в интервале, п - общее число случаев.

Обеспеченность за год (месяц, сезон) находят последовательным суммированием повторяемости (сверху вниз).

По результатам подсчета строятся гистограмма повторяе­мости и кривая обеспеченности, называемая также интеграль­ной кривой (рис.1). Ступень гистограммы, на которую по гра­фику приходится наибольшее число случаев стояния уровня, называется модальным уровнем.

Рис. 1. Гистограмма повторяемости и кривая обеспеченности уровня

1 - модальный уровень 140-150 см, 2 - медианный уровень 146 см

Уровень 50%-ной обеспеченности на интегральной кривой носит название медианного. На графике также отмечаются максимальный и минимальный уровни.



Похожие документы:

  1. Вернадский Владимир Иванович Очерки по истории естествознания в России в XVIII столетии

    Реферат
    ... в Кабинете-музее В. И. Вернадского при Институте геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР ( 1052 ... -1053). В апреле 1912 г. Вернадский читал в Петербургском ...
  2. Программа V региональной конференции XXII всероссийского конкурса юношеских исследовательских работ им. В. И. Вернадского 14 февраля 2015 г

    Программа
    ... участие в Москве в XXII юношеских Чтениях им. В.И. Вернадского с интересной и разнообразной научно-образовательной и  ... Всероссийского конкурса юношеских исследовательских работ им. В. И. Вернадского Председатель: Цыренова Марина Геннадьевна, к.п.н., ...
  3. Е. И. Нагаева [и др.] // Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского, серия «Биология. Химия»., 2008. Т. 21 (60). № С. 107-114

    Ученые записки
    ... .] // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И.Вернадского, серия «Биология. Химия». – Симферополь, 2009 ... .] // Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского. Серия «Биология, химия». – 2010. – Т. 23 ...
  4. Положение о межрегиональном форуме студенческих патриотических объединений «гражданская активация» на базе фгаоу во «кфу им. В. И. Вернадского»

    Документ
    ... «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского» (далее – КФУ им. В.И. Вернадского) и Общероссийская общественная молодежная организация ... » на базе ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского» Фамилия, имя, отчество Направление работы Форума ...
  5. Проведения IV регионального конкурса юношеских исследовательских работ им. В. И. Вернадского 26-27 февраля 2015 г в г. Сочи

    Конкурс
    ... конкурса юношеских исследовательских работ им. В.И. Вернадского 26-27 февраля 2015 ... участников и гостей конкурса им. В.И. Вернадского 10.00-12.00 ... Закрытие IV регионального конкурса им. В.И.Вернадского Награждение победителей, участников ...

Другие похожие документы..