Поверхность мирового океана как уровенная поверхность

Уровенная поверхность Мирового океана и причины ее изменения

М. Г. Деев ,
канд. геогр. наук, старший научный сотрудник кафедры океанологии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Океанское побережье, Сан-Хуан, Пуэрто-Рико.Фото с сайта www.articles.turne.com.ua

Уровнем моря (океана) называется положение поверхности воды, свободное от влия-ния ветровых волн, зыби, прибоя и прочих кратковременных периодических возмущающих факторов, измеряемое от некоторого условного горизонта, принятого в данном месте в качестве отсчетного. Поэтому, в узком смысле, уровень моря есть высота спокойной поверхности воды относительно ближайшей к данному месту геодезической высотной отметки.
В то же время уровень Мирового океана можно рассматривать как индикатор перераспределения воды, универсальный глобальный параметр, в котором отражено настоящее (сегодняшнее) состояние природы поверхности Земли. В широком смысле, уровень воды — интегральная характеристика, которая дает представление о характере изменчивости в океане и климатической системе Земли в целом.
Чтобы оценивать колебания уровня воды, необходимо выделить некоторую отсчетную поверхность, единую для всех океанов. Топография невозмущенного уровня Мирового океана, прежде всего, зависит от формы Земли. Наша планета немного «сплюснута» у полюсов и не является сферой; правильная геометрическая фигура, наиболее близкая к форме реальной Земли, — эллипсоид вращения. В Совет­ском Союзе для геодезических и картографических работ использовался так называемый эллипсоид Красовского.
Уровенной поверхностью называют поверхность, нормальную (т.е. перпендикулярную) к направлению силы тяжести, которая есть геометрическая сумма силы притяжения Земли, направленной к центру массы планеты, и центробежной силы, возникающей из-за суточного вращения Земли. Центробежная сила имеет наибольшие значения на экваторе, постепенно уменьшается с ростом широты и отсутствует на географических полюсах. Соответственно, на полюсах сила тяжести равна силе притяжения и уменьшается в направлении экватора, где становится примерно на 0,5% меньше. Под действием силы тяжести частица получает ускорение, называемое ускорением свободного падения.
Уровенная поверхность всюду имеет одинаковое значение потенциала силы тяжести (является изопотенциальной). Из-за неравномерного распределения масс внутри Земли уровенная поверхность не совпадает с поверхностью эллипсоида вращения; эта «неправильная» форма получила название геоида. Максимальный перепад высот между самыми высокими и самыми низкими точками геоида составляет около 170 м. Самое высокое место в рельефе геои­да возвышается над поверхностью эллипсоида вращения на 75 м и находится к востоку от Новой Гвинеи; самое низкое, с отметкой около –95 м, расположено к югу от полуострова Индостан.
Наиболее крупные неровности рельефа поверхности Мирового океана, как отличие от поверхности правильного эллипсоида вращения, в среднем составляют десятки метров. Изменения высоты поверхности геоида происходят очень медленно и становятся заметными только в геологических масштабах времени. Это обстоятельство позволяет принять топографию геоида в качестве отсчетной уровенной поверхности Мирового океана, на которую накладываются и от которой отсчитываются все регистрируемые изменения уровня воды разных масштабов.

Колебания среднего уровня Мирового океана с 1880-го по 1980 г.

Процессы, приводящие к изменениям уровня, сильно разнятся по времени (периодичность и продолжительность), месту и масштабам воздействия, приводя в одних случаях к местным и кратковременным колебаниям, в других — проявляются на всей акватории Мирового океана на протяжении многих сотен и тысяч лет. Кратковременные колебания уровня происходят при сохранении общего объема воды в Мировом океане и отражают периодические перераспределения воды от одних районов к другим. Такие колебания происходят под влиянием ветра, атмосферного давления, осадков, испарения, приливов, пресного стока, колебаний плотности воды, подводного вулканизма, сейсмических подвижек океанической земной коры (волны цунами). Временные масштабы таких изменений — от десятков секунд и минут до года и нескольких лет.
Долгосрочные (несколько десятков лет) колебания уровня происходят при изменениях статей водного баланса. Характерный пример — замкнутое Каспийское море, уровень которого в прошлом столетии при сокращении пресного стока понижался более чем на три метра. Уровень всего Мирового океана заметно понижается во время длительных сильных похолоданий климата, сопровождающихся образованием обширных массивов материкового льда. Уровень меняется и при деформации океаниче­ских впадин. Периодичность таких изменений исчисляется в геологических масштабах времени и составляет многие тысячи (продолжительность материковых оледенений) и миллионы лет (изменение формы и объема океанических впадин).
Специалистов в первую очередь интересуют кратко­временные изменения уровня, затрагивающие разные стороны хозяйственной деятельности в приморских районах. Наиболее регулярные и широко распространенные перио­дические колебания уровня происходят из-за приливов, вызываемых приливообразующими силами Луны и Солнца. Размах приливных колебаний изменяется от нескольких сантиметров во внутренних морях до полутора десятков метров в узких заливах, открытых к океану. Приливные колебания уровня достаточно хорошо поддаются предварительному расчету и потому предсказуемы, в отличие от всех остальных, которые не имеют столь правильной периодичности.
Сильные устойчивые ветры способны вызывать значительные подъемы уровня в виде ветровых нагонов, особенно на отмелых прибрежных участках морских акваторий. Ветровые нагоны в отдельных случаях могут приводить к повышению уровня до 2—3 м и более, приводя к затоплению низменных участков берега. Ветер в сочетании с морским волнением создает небольшие повышения уровня в виде волновых нагонов у берегов, которые быстро спадают после прекращения действия вынуждающей силы.
Колебания атмосферного давления вызывают подъемы и спады уровня по принципу так называемого обратного барометра. Повышение (понижение) давления на 1 гПа * приводит к понижению (повышению) уровня на 1 см. Так, при прохождении циклона, в центре которого атмосферное давление на 15—20 гПа ниже среднего, будет наблюдаться соответствующее повышение уровня на 15—20 см, причем это возвышение над средним уровнем воды перемещается вместе с циклоном. Соответственно, аналогичное явление, только с понижением уровня, можно наблюдать при прохождении антициклона.
В процессах сезонного нагревания—охлаждения и осолонения—опреснения верхнего слоя моря изменяется плотность морской воды. Величина этих изменений сравнительно невелика, но происходящие при этом изменения объема имеют результатом подъемы и спады уровня с годовой периодичностью и величиной в десятки сантиметров. Такие колебания в океанологии называются стерическими **. Существующие разности уровней океанов имеют своей причиной именно неравенства в плотности морской воды, влекущие за собой объемные, то есть стерические изменения.
Заметные повышения уровня регулярно отмечаются в устьевых районах крупных рек, особенно в периоды половодий. Они также носят сезонный характер, а их размах зависит от величины пресного стока, который, в свою очередь, подвержен еще и межгодовой изменчивости.

Схема сейшевых колебаний уровня: 1-узловая сейша (а), 2-узловая сейша (б).

Резкие изменения атмосферного давления в сочетании с ветровыми нагонами в некоторых случаях вызывают появление стоячих волн. Это сейши. Они представляют собой затухающие колебания всей массы воды какого-либо отдельного водоема (обычно внутреннего моря или его части). Место, в котором размах сейшевых колебаний самый большой, называется пучностью, а там, где колебания отсутствуют, располагается узел. В зависимости от формы и размера водоема сейши могут иметь один, два и более узлов. Периоды сейшевых колебаний зависят от периодов вынуждающих сил, размеров и глубины водоема. Так, на Каспийском море наблюдаются ветровые сейши (с периодами от четырех до восьми часов), приливные (с периодом полусуточного прилива) и бризовые (с суточной периодичностью). Размах сейшевых колебаний обычно составляет десятки сантиметров.

Как измеряют уровень океана и как он меняется? Об этом — в № 6.

* Изменение давления в 1 гектопаскаль примерно соответствует изменению в 0,75 мм рт. ст.
**Стерический от греч. стериос — объемный.

Источник

Причины колебаний уровня морей и океанов

ГЛАВА 13. КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ ОКЕАНОВ И МОРЕЙ

§ 48. Причины колебаний уровня

Свободная поверхность океанов и морей называется уровенной поверхностью. Она представляет собой поверхность, перпендикулярную в каждой точке направлению равнодействующей всех сил, действующих на нее в данном месте. Поверхность Мирового океана под влиянием различных сил испытывает периодические, непериодические и другие колебания, отклоняясь от среднего многолетнего значения, наиболее близкого к поверхности геоида. Основные силы, вызывающие эти колебания, можно объединить в следующие группы: а) космические — приливообразующие силы; б) физико-механические, связанные с распределением солнечной радиации по поверхности Земли, и воздействием атмосферных процессов, как, например, изменения в распределении давления и ветров, выпадение осадков, колебания величин речного стока и других гидрометеорологических факторов; в) геодинамические, связанные с тектоническими движениями земной коры, сейсмическими и геотермическими явлениями.

Под влиянием комплекса всех этих сил поверхность Мирового океана изменяет свои очертания во времени и в пространстве. Под действием приливообразующих сил Луны и Солнца возникают периодические приливные колебания уровня. Периодические колебания уровня могут возникать и под действием ветров, периодически меняющих направление (муссонные ветры). Так, например, в Адене высокие уровни наблюдаются при северо-восточных и низкие при юго-западных ветрах.

Длительные периодические колебания уровней, охватывающие годовой период, вызываются главным образом изменением элементов водного баланса. Эти колебания особенно отчетливо выражены в средиземных морях, соединенных узкими проливами с океаном, хотя заметны и в океане. В отдельных случаях они усиливаются воздействием ветров, изменяющих направление в различные сезоны года. Примером таких морей могут служить Балтийское и Черное. Однако эти изменения не отличаются астрономической периодичностью и могут иметь случайный характер.

Колебания уровня, вызванные влиянием гидрометеорологических факторов, называют непериодическими, в отличие от приливных и сезонных. Непериодические колебания можно подразделить на следующие группы.

Колебания, связанные со сгонно-нагонной циркуляцией вод

1. Колебания, связанные со сгонно-нагонной циркуляцией вод под влиянием ветров. Они возникают под действием касательного напряжения (трения) ветра на водную поверхность, ограниченную берегами. Эмпирическая формула изменения уровня в зависимости от ветра имеет общий вид

где Δh — ожидаемое изменение уровня; ΔF_ω— изменение характеристик ветра; а и b —эмпирические коэффициенты.

В расчет принимается скорость ветра F_ω(t), осредненная за определенный интервал времени. Тангенциальное напряжение ветра выражается формулой

где k — коэффициент трения между воздухом и водой, зависящий от шероховатости водной поверхности; р’ — плотность воздуха; ω — скорость ветра.

За принятый интервал времени t скорость ветра осредняется по формуле

где ω_i(t) — скорость ветра в данном пункте; α_i — нaпpaвлeниe его относительно сгонного или нагонного направления.

Существует несколько графических и статистических методов определения сгонных и нагонных направлений ветров, соответственно которым рассчитываются колебания уровня. Согласно теории прибрежной циркуляции и непосредственным наблюдениям, у приглубых берегов максимальные сгоны и нагоны наблюдаются при ветрах, параллельных берегу, а у отмелых — при ветрах, направленных нормально к берегу. Для отдельных районов морей составлены эмпирические формулы расчета сгонно-нагонных колебаний уровня при различных ветрах и барических ситуациях.

Колебания уровня морей и океанов, вызванные изменениями давления атмосферы

2. Колебания уровня, вызванные изменениями давления атмосферы. Они проявляются в двух формах: в виде статической реакции гидросферы на изменения давления атмосферы и в виде динамического эффекта изменений давления и уровня. В первом случае имеет место обратная связь между изменениями давления Δp и уровня Δh:

Если давление увеличивается на 1 мб, то уровень понижается на 1,33 см, а при понижении давления на 1 мб (≈1 мм) уровень на столько же повышается. Изменения уровня вследствие подвижности барического поля относят к волновым колебаниям (см. стр. 109). Они обусловлены возникновением длинной вынужденной или свободной барической волны, распространяющейся из фронтальных областей повышенного или пониженного давления. Образование вынужденной или свободной барической волны зависит от соотношения между скоростью движения циклона и скоростью возникшей барической волны, которая зависит от глубины моря и положения траектории циклона относительно береговой черты. Вынужденные барические волны возникают непосредственно в области движения циклона или фронта, а свободные волны, имеющие скорость, большую, чем движение циклона, уходят, опережая его, особенно при изменении направления перемещения барических систем.

Аномально высокие подъемы уровня, вызванные совместным воздействием резких изменений давления в передней или тыловой частях циклона и интенсивных ветров, совпадающих по направлению с движениями барической волны, называют штормовыми нагонами. В суживающихся заливах с уменьшающейся глубиной, как, например, в вершине Финского залива (в Невской губе), в дельте р. Темзы и др., штормовые нагоны приводят иногда к катастрофическим наводнениям.

Следовательно, в природных условиях непериодические колебания уровня, вызванные интенсивными ветрами и изменениями давления атмосферы, взаимосвязаны и представляют собой сложные анемобарические изменения уровенной поверхности.

Колебания уровня морей и океанов вследствие изменений элементов водного баланса

3. Колебания уровня вследствие изменений элементов водного баланса — испарения, осадков, берегового стока — и связанного с ними водообмена с соседним морем или океаном. Эти колебания зависят главным образом от сезонных и многолетних (от года к году) изменений величины речного стока, притока и оттока вод, т. е. внешнего водообмена. Климатические изменения могут приводить к катастрофическим подъемам или падениям уровня в связи с ливнями, засухами или обильными снегопадами. Катастрофические наводнения на р. Инд и ее притоках летом и осенью 1970 г. могут служить примером резких подъемов уровня вследствие обильных ливней. В некоторых районах Красного моря падение уровня связано с интенсивным испарением, где слой испарившейся воды за год достигает 2,5 м.

Колебания уровня в связи с изменениями плотности морской воды

4. Колебания уровня в связи с изменениями плотности морской воды. При уменьшении плотнссти, т. е. увеличении удельного объема морской воды, уровень повышается, а при увеличении плотности уровень понижается (с чем в большой степени связаны сезонные колебания уровня). Распределение вод различной плотности нарушается горизонтальной и вертикальной циркуляцией. Изменения направления холодных полярных и теплых тропических течений, а также сгонно-нагонные процессы приводят к понижениям и подъемам уровня.

Колебания уровня морской воды, связанные с геотермическими и геодинамическими процессами

Кроме периодических и непериодических колебаний уровня, следует указать на колебания, связанные с геотермическими и геодинамическими процессами. Медленные вертикальные движения земной коры приводят к поднятиям или опусканиям отдельных участков суши или дна моря. Эти медленные движения приводят к опусканиям или поднятиям уровня относительно суши в форме тpанcгpecсий (опускание суши и наступание на материк моря) и регрессий (поднятие суши и отступание моря). Так как эти изменения происходят в течение длительных отрезков времени, их называют вековыми или эпейрогеническими. В первом случае наблюдаются выровненная береговая полоса, затопленные подводные террасы, дельты и русла рек, а при регрессии моря остаются изрезанная береговая черта, поднятия прибрежных форм рельефа, зарастание лагун, бухт и заливов.

Рис. 20. Многолетний ход средних годовых значений уровня Каспийского моря у г. Баку.

Колебания уровня морской воды связанные с таянием ледников

Таяние больших масс льда сопровождается не только поднятием погребенных участков суши, но и увеличением объема воды в Мировом океане. Приближенные подсчеты показывают, что если произойдет таяние ледников Гренландии, то уровень Мирового океана должен повыситься на 8 м; если растопить и льды, покрывающие Антарктиду, то уровень поднимется на 23 м. Наблюдаемое в послеледниковое время потепление климата и связанное с ним сокращение общей площади льдов в Арктике и Антарктике могут служить причиной повышения уровня в Мировом океане на 12— 14 см в столетие, которое в настоящее время зафиксировано. В закрытых и полузакрытых морях с затрудненным водообменом вековые колебания климата определяют колебания уровня в связи с многолетними и вековыми изменениями гидрометеорологических условий. Так, например, уровень Каспийского моря за последние 60 лет заметно понижался (рис. 20) главным образом за счет колебаний величины речного стока, не компенсирующего высокое испарение с поверхности моря. Резкое сокращение стока реки Волги с 1928-1930 гг. привело к резкому падению уровня моря более чем на 200 см.

Рассмотренные виды колебаний уровня моря тесно связаны с динамическими процессами, протекающими в атмосфере, океане и земной коре. Поэтому их можно объединить в три группы; деформационные, связанные с перемещением вод из одного района в другой, т. е. это анемобарические (сгоны и нагоны), приливные и пр.; объемные, связанные с изменением объема воды в водоеме (изменения элементов водного баланса, изменения плотности воды и др.), и геотектонические.

Источник