Движение вод в Мировом океане. Морские и океанические волны

Сегодня ученые знают, что между воздухом, землей и водой постоянно идет обмен веществом и энергией. Этот обмен имеет заметные последствия. Ветер может подхватить сухую пыль в пустыне Сахара и принести ее в Карибское море, что повлияет на местные подводные условия. Динамика обмена энергии приводит в движение воды Мирового океана, порождает эрозию, перенос осадочного материала и оказывает влияние на деятельность человека.

Основная причина движения вод — энергия ветров, дующих над океанами. Она даст начало двум основным типам движения вод в океане: течениям и волнам. И тс, и другие могут также возникать по иным причинам, не связанным с циркуляцией атмосферы.

Поверхностные течения. Если ветер дуст на большие расстояния в устойчивом направлении и с постоянной силой, значительные объемы океанской воды начинают перемещаться в том же направлении. В северном полушарии в районе 15° с.ш. действуют пассаты — так называемые «торговые ветра», дующие с северо-востока на юго-запад.

Западные ветры средних широт (Западный перенос) дуют преимущественно с юго-запада. А в самых высоких широтах ветра преимущественно дуют с востока на запад. Аналогичные зоны ветров существуют и в южном полушарии.

Эти ветра определяют направление основных океанических течений. Некоторые из этих течений переносят объем воды, в 100 раз превышающий тот, который переносят все реки мира, вместе взятые. Поскольку поверхностные течения вызваны ветром, скорость движения воды быстро падает с глубиной, становясь незначительной на глубинах около 190 метров.

Вращение Земли также влияет на направление течений. Это явление называется эффект Кориолиса: в северном полушарии при движении объекты отклоняются вправо от направления силы, действующей на них (в данном случае, силой является ветер, а объектом - поверхностный стой воды). В южном полушарии объекты отклоняются влево. В результате вода имеет тенденцию скапливаться в центре океана, тогда как основные океанические течения под действием силы Кориолиса двигаются по краям бассейна океана. В результате образуются так называемые круги течений, которые играют важную роль в глобальном распределении тепла и морских организмов.

Течения возникают не только в океанах, но и в крупных озерах, морях и даже небольших водоемах. Но чем меньше водоем, тем сильнее должен быть ветер, чтобы возникло течение заданной силы, поскольку уменьшается площадь поверхности, через которую происходит передача энергии. Тем не менее, многие крупные озера достаточно велики, чтобы на их поверхности возникали довольно сильные течения (и волны).

Морские и океанические волны. По размеру волны варьируются от капиллярных (не более пары сантиметров) до гигантских штормовых волн высотой более 30 метров. Строение волны сложнее, чем кажется на первый взгляд.

Волна — это передача энергии через вещество. Когда энергия перемещается через вещество волной, вещество движется вперед и назад или по кругу, чтобы затем вернуться в исходное положение. Таким образом, энергия передается прилегающим слоям вещества, позволяя ей продвигаться дальше. Например, представьте себе, что вы бросили камень в пруд. Волны расходятся от того места, куда упал камень. Но при этом перемещается не вода, а только энергия.

Глядя на волны, вы видите, что энергия передается в виде серий волн, распространяющихся от источника - это так называемая прогрессивная волна. Она названа так потому, что вы можете видеть, как энергия передается (прогрессирует) от одной части вещества к другой. Различают три типа прогрессивной волны: продольная, поперечная и круговая.

Продольная волна возникает, когда вещество движется вперед и назад в том же направлении, что и энергия. Этот тип волны может распространяться в веществе, находящемся в любом агрегатном состоянии. Она передается через сжатие и разрежение частиц вещества - по аналогии с пружиной. Звук - это продольные волны.

Когда возникают поперечные волны, вещество движется перпендикулярно направлению движения волны в целом. Например, если вы встряхнете натянутую горизонтально веревку вверх и вниз, веревка будет двигаться в вертикальной плоскости, а волна будет передаваться горизонтально, по всей длине веревки.

Круговые волны возникают только в жидких средах. Именно эти волны образуются в океанах. Проходя через жидкость, энергия порождает круговые движения. Представьте себе буй, плавающий на поверхности. Когда волна приближается, буй двигается вперед, по склону волны. Он поднимается, переваливает через гребень и соскальзывает вниз, к подошве волны.

Хотя вода (жидкость) перемещается по круговой орбите, в итоге она возвращается в исходную точку. В горизонтальном направлении движется только энергия. На рисунке с буем все выглядит так, будто круговые движения возникают только у самой поверхности. На самом деле, они продолжаются примерно до глубины, равной половине длины волны, но с глубиной орбиты круговых движений уменьшаются. Длина волны - это горизонтальное расстояние между определенными точками двух волн (например, от гребня до гребня).

Характеристики волны можно выразить математически. Это позволяет рассчитать поведение волны, исходя из имеющейся информации. H/L — это отношение высоты волны к се длине. Если вы знаете длину волны (L: длина в метрах) и ее периодичность (Т: время в секундах), вы можете определить скорость (S: скорость в метрах в секунду) для идеальной волны, то есть волны, движущейся в глубокой воде, где дно не оказывает на нее влияния (подробнее об это мы расскажем далее).

Таким образом, мы получаем формулу:

Но не забывайте, что это уравнение, хотя и полезно, но не учитывает прочих факторов, влияющих на скорость волн, распространяющихся в глубокой воде, а также не годится для расчета скорости волн на мелководье.