Механизмы движения водных масс в Мировом океане

Динамические явления и особенности волновых процессов

Мировой океан занимает ключевое положение в структуре гидросферы, отличаясь сложной системой температурных, солевых и биологических характеристик. К его отличительным чертам относится непрерывное движение вод мирового океана и интенсивное перемешивание всех слоёв.

Перемещение водных масс наблюдается на всей вертикали: от самой поверхности до донных горизонтов, причем происходит оно в разных направлениях – как по горизонтали, так и по вертикали. Данные процессы являются обязательными условиями для поддержания баланса тепла, равномерного распределения растворённых ионов и газов, а также солей, что способствует сохранению стабильных физических и химических свойств морских вод. Среди главных видов движения воды в океане выделяют следующие: волны, зыбь, стихийные волновые процессы, многочисленные течения, приливные явления и акустические (конвективные) потоки.

Волновые процессы возникают за счёт действия различных внешних факторов: ветровых потоков, гравитации солнечной и лунной природы, а также тектонических явлений. Главная причина формирования волн на водной поверхности – ветер. 

Волнообразные явления могут быть обусловлены не только ветром, но также скачками атмосферного давления, механикой приливообразующих сил (генерируя приливные волны), а также экстремальными природными событиями: подземными толчками, вулканизмом – все они приводят к формированию цунами. Интересен также факт, что любые суда, перемещаясь, образуют уникальный спектр волн, называемых судовыми.

Волны, которые возникают исключительно под воздействием генератора (ветра, сейсмики и т.д.), именуются вынужденными, а пролонгированное их существование после прекращения действия внешней силы определяет их как свободные. Те волны, что ограничиваются поверхностным и приповерхностным слоями толщиной до 200 метров, относятся к поверхностным, в то время как глубинные, не проявляющие себя на экране поверхности, квалифицируются как внутренние.

Интенсивность и масштабность ветровых волн напрямую взаимосвязаны со скоростью ветра, временем его действия, площадью зоны взаимодействия. Обычно амплитуда волн не превышает 5 м, однако иногда появляются гиганты высотой 7-12 метров и больше. Самые крупные волны наблюдаются в южных водах, чему способствуют отсутствие крупных материков и влияние устойчивых западных ветров – здесь высота воды может достигать и 25 метров, тогда как в закрытых морях волновая активность значительно менее выражена.

Волновая деятельность крайне значима для водообмена в верхних слоях, поскольку способствует перемешиванию, выравниванию распределения тепла и поступлению питательных веществ. Тем самым волны опосредованно воздействуют на глобальные атмосферные процессы и стимулируют энергетический обмен между океаном и воздушной оболочкой планеты.

При спаде ветрового воздействия формируются особые длинные пологие волны – зыбь. Такой тип волн считается самыми стабильными и чистыми по форме, так как представлен свободным движением, быстро распространяющимся в пространстве. Длина зыби может составлять несколько сотен метров, а при весьма малой высоте становится практически незаметной вдали от суши. Однако, из-за амплитуды распространения, зыбь способна достигать берегов, находящихся очень далеко от зоны зарождения. При этом ниже уровня длины волны движение почти полностью прекращается – это признак быстрой затухаемости на глубинах.

Колоссальное разнообразие волновых процессов диктует уникальные законы для каждой категории волн. Результаты исследований подтверждают, что волны участвуют в организации структуры поверхностных слоев, могут индуцировать апвеллинг – то есть подъем глубинных, насыщенных питательными веществами вод на поверхность, что позволяет поддерживать развитие фитопланктона и устойчивость экосистем.

Неоднородность водной среды оказывает влияние на формирование отдельных слоёв, различающихся по вязкости, плотности и солёности. Особенно это выражено в областях таяния ледяных масс и существенного пресноводного стока. Здесь возникает чёткая граница между слоями разной плотности, по которой формируются внутренние волны – такие волны встречаются едва ли не так же часто, как и обычные поверхностные. По масштабам внутренние волны могут достигать амплитуд в 200 м, однако скорость распространения их относительно невелика.

Внутренние волны играют важнейшую роль в вертикальном обмене: они обеспечивают перенос кислорода, тепла и химических элементов между слоями, содействуя балансу во всей толще воды. Особенно ярко внутренние волны выражены в регионах хрупкой стратификации, таких как Гибралтарский пролив или устья крупных рек.

Течения в Мировом океане

Течения играют роль “речных магистралей” среди морских просторов – это один из ведущих процессов, осуществляющих горизонтальный перенос водных масс. Течения бывают постоянными (долгоживущими) и переменными (зависимыми от сезонных или локальных условий); они охватывают как верхние, так и глубинные горизонты и оказывают масштабное воздействие на мировую погоду, теплообмен и строение берегов.

Движение потоков воды в разрезе Мирового океана обусловливает закономерности климатических зон и перераспределение энергии между экватором и полюсами. К примеру, тёплые течения переносят значительный объём тепла от тропиков в районы с более суровым климатом, а холодные потоки канализируют прохладу и снижают температуры в тропиках, тем самым сглаживая погодные аномалии.

Современная наука различает течения по ряду критериев:

• по природе возникновения;
• по степени стабильности во времени;
• по глубинному или поверхностному размещению;
• по характеру траектории;
• по физико-химическим свойствам воды.

По способу образования выделяют фрикционные (ветровые), градиентные и приливно-отливные потоки. Важный аспект: поверхностные течения мирового океана зависят от глобальных ветровых систем, формируя циклоны и антициклоны, а также от локальных ветров – например, пассаты вызывают формирование мощных экваториальных круговоротов. Градиентные течения бывают бароградиентными (связаны с разностью давления), стоковыми (возникают вследствие впадения рек и испарения), компенсационными и плотностными (конвекционными). Именно такие процессы способны регулировать уровень моря и перемещать огромные массы воды на значительные расстояния.

Огромный вклад в транспортировку тепла и питательных веществ вносят знаменитые течения: Гольфстрим (теплое течение Атлантики), Куросио (Тихий океан), Перуанское, Лабрадорское, Бенгельское и другие, формирующие уникальные региональные климаты и обеспечивающие существование сложных морских пищевых цепей.

Если рассматривать по устойчивости, то течения делятся на постоянные (инвариантные по направлению и скорости), периодические (изменяющиеся согласно времени года или иным регулярным циклам) и временные (вызванные кратковременными природными скачками – штормами, циклонами). В отношении глубины различают поверхностные (до 200 м), промежуточные и придонные потоки. Например, глубоководные течения включаются в общемировой термохалинный круговорот – этот процесс соединяет все океаны, регулирует обменные процессы и поглощение парниковых газов.

Траектории течений делятся на линейные (движение вдоль изобат или берега) и изогнутые (образующие гигантские круговые течения или локальные завихрения, представляющие собой своеобразные морские вихри). Направление и форма движения зависят от ветров, конфигурации береговой линии, рельефа дна и характеристик прилегающих континентов.

По температурным показателям различают тёплые и холодные потоки, а по солёности – солёные, формирующиеся за счёт интенсивного испарения, и пресные, возникающие под воздействием мощного речного стока и выпадения осадков.

Современный антропогенный фактор и глобальные изменения климата способствуют деформации традиционных океанических потоков: это отражается на биологической продуктивности морей, распределении кислорода, риске возникновения экстремальных погодных явлений.

Сейсмические и приливные колебания

Причина возникновения цунами кроется, как правило, в резких тектонических изменениях на дне океана – подводных землетрясениях, оползнях, подвижках литосферных плит. Если в толще океанской коры формируются сдвиги или провалы, масса воды перемещается в сторону образовавшейся воронки, затем быстро заполняет её, создавая на поверхности гигантский столб воды.

Системы раннего оповещения о цунами базируются на глобальных сетях сейсмодатчиков и датчиков уровня моря: при фиксировании аномалий информация моментально доводится до прибрежных регионов для последующих действий по защите жизни и инфраструктуры. Среди недавних катастроф – цунами 2004 года в Индийском океане, ставшее причиной гибели десятков тысяч людей и нанесения масштабного ущерба экосистемам и экономике стран.

Механизм приливов и их влияние

Чем обусловлено движение воды в океане в виде приливной активности? Периодическая смена уровня воды напрямую связана с тяготением Луны и, в меньшей степени, Солнца. Система Земля-Луна формирует двойную волну: одна возникает по направлению к Луне, другая – на её антиподе. Влияние Солнца тоже значимо, но по интенсивности втрое уступает лунному воздействию.

Форма береговой линии и наличие островов способны существенно увеличить амплитуду приливов: на одной широте в разных местах можно наблюдать скачки от незначительных изменений до экстремально высоких вод. В открытых океанах увеличение уровня редко превышает 1 м, однако в узких эстуариях и воронкообразных заливах (например, бухта Фанди в Канаде) размах достигает свыше 15 м. Здесь проявляется весь спектр воздействия приливов – от судоходства до биологической продуктивности прибрежных зон.

Движения воды, связанные с притязательными силами, провоцируют приливно-отливные течения, способные развивать скорость до 22 км/ч в узких проливах и около 1 км/ч – на просторах океана. Реальной картины не существует без комплексного рассмотрения совокупности факторов, каждый из которых привносит свою динамику. По типу выделяют односменные, полусменные и смешанные приливы. Экстремальные примеры – заливы с воронкообразной геометрией, там волны бора могут демонстрировать рекордные амплитуды.

Океаническое течение затрагивает и биологию: многие виды животных и растений зависят от перехода водных масс для миграций, размножения и поиска пищи. В итоге движение вод мирового океана выступает не только физическим, но и биологическим фактором, связывающим воедино климат, жизнь и равновесие всей планетарной системы.