Текст книги "Удивительная океанология"

Почему морская вода соленая?

Мировой океан – это неисчерпаемый источник химических элементов, содержащихся в составе его воды, а также в многочисленных месторождениях, расположенных на дне.

Средняя соленость морской воды составляет 35 ‰. Это значит, что 1000 частей воды содержит по весу 35 частей соли. Подобные тысячные доли называются промилле.

Соленый вкус воде придают содержащиеся в ней растворенные минеральные вещества – главным образом, соединения натрия и хлора.

Благодаря тому, что вода в морях и океанах постоянно перемешивается волнами и течениями, ее состав практически одинаков. То есть, с какой бы глубины и в каком бы месте мы ни взяли воду, состав ее будет идентичным, хотя абсолютное количество солей и может быть различно.

Но почему морская вода соленая?

Когда идет дождь, он растворяет частицы солей, содержащихся в почве и каменистых породах. Ручейки дождевой воды попадают в реки. Течение реки переносит соли в моря. Потом вода под действием солнца испаряется и снова выпадает на землю в виде осадков, а вот соль остается в морской воде, и за миллионы лет ее там накопилось предостаточно.

Реки стремятся в океан уже два миллиарда лет и, по некоторым данным, за год приносят 2 834 000 000 тонн всевозможных веществ. И такой круговорот солей в природе продолжается непрерывно.

Пресная речная вода также содержит соли, но состав этих солей иной. В речной воде преобладают углекислые соли (их 60,1 ‰), а в морской воде их всего около 0,3 ‰. Зато хлористых солей в морской воде 88,7 ‰, а в речной – 5,2 ‰.

Отсюда мы можем заключить, что внесение реками солей в моря и океаны не может рассматриваться как единственная причина солености.

Так, например, некоторые ученые вообще считают, что вода в Мировом океане изначально была соленой. Предполагается, что в период образования земной коры и океана из вещества мантии вместе с парами воды выделялись кислые вулканические дымы, содержащие соединения хлора, фтора, брома. Первые «порции» воды на Земле были кислыми. Эта первичная вода разрушала недавно образовавшиеся базальты, граниты и другие кристаллические породы земной коры и извлекала из них щелочные элементы – натрий, магний, калий, кальций и др. Происходила химическая реакция, при которой щелочные элементы входили в соединение с хлором, фтором, бромом и нейтрализовали раствор. Со временем поступление кислых вулканических дымов становилось все меньше, а выделение солей из пород суши продолжалось.

Соответственно, и океанская вода постепенно накапливала соли и приобретала щелочную реакцию, которая присуща ей и сейчас. И примерно 500 миллионов лет назад океанская вода стабилизировалась по солевому составу и содержанию в ней газов.

Добыча морской соли

Люди добывают соль из морской воды уже более 4000 лет. Первыми делать это начали обитатели сухих и теплых стран Европы (Франции, Италии, Испании) и Азии (Японии, Индии, Китая).

Методика проста: большие мелководные пруды (их называют выпарными прудами) заливают морской водой; вода испаряется, а соль остается на дне. В странах с более холодным климатом (например, в Англии) соль добывается путем «вываривания» морской воды.

Мировая добыча соли из морской воды составляет более 6 миллионов тонн в год.

Конечно, это только одна из точек зрения ученых, но и она имеет право на существование, так как до сих пор никто точно не может ответить на этот вопрос, и все теории о происхождении океана и нашей планеты так и остаются теориями.

Вот, например, вопрос: если вода в море настолько соленая, что пить ее опасно для здоровья, как могло случиться, что земная жизнь зародилась именно в океане?

Однозначно ответить на этот вопрос невозможно. А может быть, все дело в том, что вначале Мировой океан был почти пресным?

Кстати, все основные жидкости организма (пот, кровь и др.) тоже соленые, что можно считать близкородственным сходством с морской водой.

Вода является составной частью тела живых существ. Кровь, мышцы, жир, мозг и даже кости содержат воду в большом количестве. Обычно вода составляет 65–75 % веса тела живого организма. А вот тело некоторых морских животных (например, медуз) содержит в себе до 97–98 % воды. В любом случае, все процессы, совершающиеся в теле животных и растений, происходят только при участии водных растворов. Без воды жизнь невозможна.

Научное обоснование появления соленой воды в Мировом океане было дано в 1715 году в работах сэра Эдмонда Галлея (1656–1742), британского королевского астронома, директора Гринвичской обсерватории, именем которого названа комета и несколько кратеров на Луне и на Марсе. К слову заметим, что Галлей, будучи астрономом, в 1690 году изобрел систему подачи воздуха в подводные аппараты.

Эдмонд Галлей.

Худ. Томас Мюррей (1686)

В 1698–1700 годах он руководил экспедиционным судном, которое выполнило магнитную съемку в Атлантическом океане, а в 1701 году опубликовал первую в мире большую карту магнитных склонений Земли. Для этого он несколько раз пересек в разных направлениях Атлантический, а затем и Тихий океаны. Одновременно с этим Галлей первым сделал предположение, что минералы, в том числе и соль, вымываясь из почвы, попадали по рекам в море, где с течением времени концентрировались.

Он же предложил использовать соленость океанов для определения возраста Земли, считая, что скорость испарения воды и скорость поступления соли в стоках рек известны.

Приливы и отливы

Приливы и отливы – это периодические колебания уровня воды в морях и океанах. Откуда же они берутся и какие силы вызывают их образование?

Прежде всего, приливы и отливы образуются под воздействием силы притяжения Луны и Солнца.

Как известно, масса Солнца в 27 миллионов раз больше массы Луны. Но при этом Солнце находится в 390 раз дальше от Земли, чем Луна. В связи с этим на поверхности Земли приливные силы, порождаемые маленькой Луной, в два раза больше приливных сил, порождаемых Солнцем.

Так что в итоге приливы и отливы вызываются главным образом гравитационным притяжением Луны.

Масса Земли в 80 с лишним раз больше массы Луны, и разные части Земли подвергаются притяжению Луны по-разному. Сторона, повернутая к Луне, «вздувается», то есть все находящееся прямо под Луной приподнимается в направлении Луны. Таким образом, Земля превращается в эллипсоид.

Совершая вращение, Земля «подставляет» Луне разные свои стороны, и «приливные горбы» перемещаются по ее поверхности.

Таким образом, ключевыми моментами в объяснении возникновения приливов и отливов являются: суточное вращение Земли и деформация («вздутие») покрывающей земную поверхность водной оболочки.

Если Земля, Солнце и Луна располагаются на одной линии (это бывает в полнолуние или новолуние), то гравитационное притяжение Луны и Солнца складывается, и прилив получается самый высокий. Его называют сизигийным (слово сизигата на греческом языке означает «сопряжение, соединение»). А если Солнце и Луна расположены под углом 90 градусов, гравитационное притяжение Луны и Солнца частично уравновешивает друг друга, и прилив получается наименьший. Его называют квадратурным.

Наименьший прилив в среднем в 2,7 раза меньше наибольшего.

Обычно приливы и отливы бывают два раза в сутки.

Самый высокий уровень воды, наблюдаемый во время прилива, называется полной водой, самый низкий уровень во время отлива – малой водой. Соответственно, средний уровень моря – это условная величина, выше которой расположены отметки уровня воды во время приливов, а ниже – во время отливов.

Знать величину прилива очень важно, особенно в судоходстве, ибо при подходе большого корабля к берегу его можно «посадить» на мель или на риф. Поэтому данные о приливах и времени их наступления в разных пунктах побережья, вычисленные на год вперед, публикуются в специальных справочниках.

Самые высокие приливы в мире (до 18 метров) можно наблюдать в бухте Фанди, которая находится на восточном побережье Канады между Нью-Брансуиком и Новой Шотландией. На Европейском континенте самые высокие приливы (до 13,5 метров) наблюдаются в Бретани у города Сен-Мало. Здесь приливная волна фокусируется береговой чертой полу островов Корнуолл (Англия) и Котантен (Франция).

Во время прилива крепость Мон-Сен-Мишель во Франции оказывается полностью окруженной морем

В древности о приливах и отливах знали очень мало. Например, в 54 году до н. э., когда Цезарь планировал завоевание Британии, его корабли столкнулись с большими проблемами. Цезарь был великим полководцем, но он родился в «неприливном» Средиземноморье, и его застигли врасплох британские приливы. Во время одного из них его корабли были выброшены на берег, а тяжелые транспортные суда, стоявшие на якоре, едва не утонули. При отливе, наоборот, корабли увязли в иле. В результате некоторые корабли были полностью разрушены, а многие другие оказались непригодными к плаванию.

С аналогичной проблемой столкнулся в Египте и Наполеон Бонапарт. Однажды, осматривая захваченный Суэц, он расположился в походной палатке, отказавшись от предложенного ему дома. В девять часов вечера он вдруг услышал крики своих солдат – это начался прилив! Эскадрон охраны стоял в полном боевом порядке, и все лошади были уже по брюхо в воде. Луна должна была взойти только в полночь, было страшно темно, и никто не знал, что делать.

«Неужели мы пришли сюда, чтобы так глупо погибнуть?» – воскликнул Наполеон.

К счастью, бригадир Карбоннель нашел правильное направление движения, и через несколько часов французы успешно выбрались на сушу. При этом генерал Каффарелли, замедлявший движение из-за своего деревянного протеза, умолял бросить его, но двое солдат, отлично умевших плавать, вытащили и его. Потом Наполеон написал: «Каффарелли отделался тем, что потерял свою деревянную ногу, но это и так случалось с ним каждую неделю. Потери были невелики и ограничились несколькими карабинами и плащами».

Особым видом гидроэлектростанций (ГЭС) являются приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов. Для этого залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой устанавливаются обратимые гидроагрегаты, работающие и при приливе, и при отливе. Некоторые агрегаты могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса – для перекачки воды в водохранилище и последующей работы станции в отсутствие приливов и отливов. В последнем случае электростанции называются гидроаккумулирующими (ГАЭС).

Крупнейшая в мире приливная электростанция «Ля Ранс» во Франции

В мире создано много ПЭС – во Франции, Великобритании, США, Канаде, Китае, Индии и других странах. Крупнейшая в мире ПЭС «Ля Ранс» во Франции (рядом с городом Сен-Мало) имеет плотину длиной 800 метров. Мощность этой станции – 240 МВт, она производит примерно 600 миллионов кВт*ч электроэнергии в год.

В России первая ПЭС была построена в 1968 году в Кислой губе на побережье Баренцева моря. Ее мощность составляет 1,7 МВт.

Почему появляются волны?

Морей и океанов без волн не бывает. В чем же заключаются основные причины этого природного явления?

Главная сила, вызывающая волны, – это ветер. В тихую погоду, особенно ранним утром, морская поверхность кажется практически зеркальной. Однако стоит подняться хотя бы самому слабому ветру, как на воде (за счет трения воздуха о ее поверхность) начнут появляться завихрения. В результате давление становится неравномерным, и это приводит к искажению гладкой водной поверхности – появляется рябь. За вершинами ряби процесс вихреобразования усиливается, и в конце концов это приводит к образованию волн, распространяющихся в направлении ветра.

Нижняя часть волны называется подошвой, верхняя – гребнем. Высота волны – это вертикальное расстояние от подошвы до гребня, длина волны – это горизонтальное расстояние от гребня до гребня.

Основными типами волн на воде, помимо ветровых, являются:

– приливные волны, образующиеся под действием приливообразующих сил Луны и Солнца;

– барические волны, возникающие при резких изменениях атмосферного давления;

– корабельные волны;

– сейсмические волны (цунами);

– «волны-убийцы» (блуждающие волны).

Высота волн в открытом океане может достигать значительных величин, и зависит она от скорости ветра. При ветровом волнении волны могут быть разными еще и по длине, периодичности, скорости распространения и т. д. Более длинные волны движутся быстрее, чем короткие.

Несколько волн подряд могут иметь примерно одинаковые периоды и размеры, но затем обычно появляется волна большого размера, образованная в результате интерференции двух и более различных волн.

Человеку, находящемуся на палубе корабля в бушующем море, волны кажутся очень крутыми, буквально нависающими, словно стены. На самом деле они пологие. Обычно длина волны в 30–40 раз больше ее высоты, и лишь в редких случаях это соотношение равно 1 к 10. Таким образом, максимальная крутизна волн в открытом море не бывает больше 18 градусов.

Длина штормовых волн не превышает 250 метров. Скорость их распространения достигает 60–100 км/ч.

Важно понимать, что с большой скоростью перемещается не водная масса, образующая волну, а исключительно ее форма. При этом отдельно взятая частица воды в волнующемся море совершает не поступательные, а колебательные движения. Таким образом, это только кажется, что при волнении вода движется вперед. На самом деле, если на поверхности воды плавает, например, кусок дерева, легко заметить, что он не двигается вперед вместе с волнами. Он лишь качается вверх-вниз, а двигаться он будет только при наличии ветра или течения.

«В морских волнах Канагавы».

Японская гравюра. Автор К. Хокусай

Корабельные волны создаются достаточно быстро движущимися по поверхности аппаратами, например, кораблями и катерами. Если смотреть сверху, такие волны имеют специфическую форму. Они подразделяются на расходящиеся и поперечные.

А вот цунами – это огромные волны, причиной которых в 85 % случаев являются подводные землетрясения, вызывающие резкое поднятие или опускание участка морского дна.

Более 80 % всех цунами возникают на периферии Тихого океана.

Первое научное описание цунами дал испанский географ, натуралист и миссионер Хосе де Акоста (1539–1600). Произошло это в 1586 году в Лиме (Перу), где после мощного землетрясения цунами ворвалось на сушу на расстояние до 10 километров.

В XXI веке крупнейшее цунами было зарегистрировано 26 декабря 2004 года в Юго-Восточной Азии. Тогда произошло мощнейшее землетрясение с магнитудой в 9,3 балла. Оно вызвало цунами, от которого пострадали Шри-Ланка, Индонезия, Таиланд и другие страны. Общее количество погибших превысило тогда 235 000 человек.

А вот 11 марта 2011 года в Японии землетрясение магнитудой в 9,0 баллов с эпицентром, находившимся в 373 километрах северо-восточнее Токио, вызвало цунами с высотой волны, превышавшей 40 метров(это высота 12-этажного дома). Это землетрясение и цунами стали причиной печально известной аварии на атомной электростанции «Фукусима». Официальное число погибших в результате катастрофы составляет 15 524 человека, 7130 человек числятся пропавшими без вести, а 5393 человека было ранено.

Гигантская волна-цунами

Волны-убийцы – это гигантские одиночные волны высотой 20–30 метров и даже более, возникающие в океане и обладающие нехарактерным для морских волн поведением. Они появляются как бы «из ниоткуда». В самом деле, в отличие от цунами, их появление не связано с какими-то катастрофическими геофизическими событиями. Эти волны могут появляться и при малых ветрах, и при относительно слабом волнении.

Волны-убийцы появляются как бы «из ниоткуда»

Долгое время такие волны считались вымыслом (с точки зрения классической океанологии, волны высотой более 20,7 метров существовать в открытых морях и океанах Земли не могут). Кроме того, не находилось достаточного количества достоверных свидетельств. Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые зафиксирована приборами волна высотой в 25,6 метра.

Дальнейшие исследования в рамках проекта «Max-Wave» («Максимальная волна»), который предусматривал мониторинг поверхности мирового океана с помощью спутников ERS-1 и ERS-2, зафиксировали за три недели по всему земному шару более десятка одиночных гигантских волн, высота которых превышала 25 метров.

Вот еще несколько фактов.

В 1840 году во время одной из экспедиций французский мореплаватель Ж. С. Дюмон д’Юрвиль наблюдал огромную 35-метровую волну, о чем и сообщил на заседании Французского географического общества. Но его подняли на смех: никто из ученых тогда не поверил, что такие гиганты могут существовать.

7 февраля 1933 года на корабль ВМС США «Рамапо», следовавший из Манилы в Сан-Диего, обрушилась волна высотой 34 метра.

В декабре 1942 года роскошный океанский лайнер «Куин Мэри», переоборудованный в военное транспортное судно, с 16 000 американских солдат на борту шел в Англию, и у берегов Шотландии на него обрушилась 23-метровая волна. Она ударила корабль в борт, и он чуть не перевернулся вверх днищем. Однако капитану удалось выровнять корабль и поставить его прямо.

По одной из версий, причиной возникновения гигантских одиночных волн-убийц является движение с некоторой определенной скоростью фронта высокого атмосферного давления в направлении зоны низкого давления (расширение зоны высокого давления). При таком «наступлении» фронта высокого давления возникает явление, почти аналогичное «нагону» воды на мелководную восточную часть Балтийского моря, при котором уровень воды в Неве в Санкт-Петербурге поднимается на несколько метров.

Впрочем, есть и другие предположительные причины возникновения волн-убийц.

Среди моряков существует поверье, будто во время шторма девятый вал сильнее и опаснее других волн. На самом деле такой волной может быть не обязательно девятая, а любая по счету волна. Следовательно, девятый вал, воспетый во многих произведениях искусства, – это не научный термин, а всего лишь миф, пришедший из глубокой древности.

Фрагмент картины И. К. Айвазовского «Девятый вал»

Под воздействием ветра в поверхностных слоях морей и океанов накапливается огромное количество энергии, которая пока никак не утилизируется. Ученые подсчитали, что штормовые волны высотой 5 метров и длиной 100 метров на каждом метре своего гребня развивают мощность свыше 3000 киловатт, а энергия 1 квадратного километра бушующего моря измеряется миллиардами киловатт в секунду. По сути, можно утверждать, что если будет найден способ использования энергии волнового движения океана, человечество навсегда избавится от угрозы энергетического кризиса. Исследования в этом направлении уже проводятся в ряде стран.

Береговая линия

Для береговой линии морей и океанов характерно наличие бухт, заливов, полуостровов и других форм рельефа.

Бухта – это небольшая часть моря, отделенная от открытой воды с трех сторон частями суши (скалами, выступами берегов и близлежащими островами) и защищенная ими от волн и ветров. Большинство небольших бухт образуются в мягких скальных породах или глинах, вымытых волнами. Примерами бухт могут служить Цемесская (Новороссийская) бухта в северной части российского побережья Черного моря, бухта Золотой Рог в заливе Петра Великого в Японском море (на ней находится город Владивосток) или бухта Ханаума на Гавайях. При этом маленькие бухты могут входить в состав большой бухты.

Бухта Ханаума на Гавайях

Залив – это часть моря, глубоко вдающаяся в сушу, но имеющая свободный водообмен с основной частью моря. Типичные примеры: Финский залив, Персидский залив, Бискайский залив и т. д.

В подавляющем большинстве случаев гидрологические и гидрохимические условия залива тождественны с условиями соседнего моря.

В зависимости от рельефа берегов и других географических условий заливы подразделяются на несколько видов. Например, лиман – это залив, отделенный от моря песчаной косой, а лагуна – это мелководная часть моря, отделенная от него коралловым рифом или узкой полосой намытого песка.

Типичный пример лагуны – Венецианская, что в Адриатическом море. Ее площадь составляет около 550 квадратных километров. В ней находится непосредственно город Венеция и еще более ста островов (Мурано, Торчелло, Джудекка и др.).

Длина самой большой в мире лагуны Патус в Риу-Гранди-ду-Сул (Бразилия) составляет 280 километров, ее площадь равна 9850 квадратных километров, а максимальная ширина – 70 километров.

Эстуарий – это воронкообразное устье реки, впадающей в море. Эстуарий образуется, когда море затапливает устье реки, а приливно-отливные явления выносят речные наносы в море, не давая эстуарию превратиться в часть суши, то есть в дельту[1]1
  Так называется сложенная речными наносами низменность в низовье реки, прорезанная разветвленной сетью рукавов и протоков. Дельта является противоположностью эстуария.


[Закрыть]. Это происходит, когда прилегающая к эстуарию часть моря имеет большую глубину.

Один из самых больших эстуариев в Европе – это Жиронда во Франции

Один из самых больших эстуариев в Европе – это Жиронда во Франции. Этот эстуарий рек Гаронна и Дордонь, открывающийся в Бискайский залив, имеет длину 75 километров. Самый же длинный в мире эстуарий имеет река Обь на севере России – его длина составляет 885 километров, а ширина – до 80 километров. Большие эстуарии также образуют такие реки, как Гудзон, Святого Лаврентия, Амазонка, Ла-Плата, Темза и др.

Каждую секунду Амазонка сбрасывает в Атлантический океан 200 000 кубических метров воды, а в период половодья – более 340 000 кубических метров.

Узкий и извилистый морской залив, часто простирающийся далеко внутрь побережья, называется фьордом. Чаще всего фьорды имеют тектоническое происхождение. А в ряде случаев возникновение фьордов является результатом затопления морем долины бывшего ледника. Многие фьорды очень глубокие (до 800 метров), а длина скалистого фьорда обычно в десятки раз больше его ширины. Типичный пример – фьорды Норвежского моря. Длина Согне-фьорда составляет 219 километров, Харденгер-фьорда – 183 километра, Тронхеймс-фьорда – 137 километров и т. д.

Фьорд Норвежского моря

На севере России залив, глубоко врезающийся в сушу, называют губой (например, Обская губа в Карском море или Невская губа в Финском заливе).

Выступающие части береговой линии морей и океанов называют полуостровами, а небольшие полуострова – мысами. Отметим, что крупнейший в мире Аравийский полуостров имеет площадь в 3 миллиона квадратных километров.

Предпосылкой для появления небольшого мыса является наличие на береговой линии одновременно мягких и твердых пород: мягкие породы (например, песок) разрушаются под действием волн существенно быстрее, чем твердые. Типичные примеры: мыс Горн (Чили), мыс Доброй Надежды (ЮАР), мыс Канаверал (США) и т. д.

Мыс Доброй Надежды

Мыс Доброй Надежды является самой крайней юго-западной точкой Африки. В 1488 году португальский мореплаватель Бартоломеу Диаш (1450–1500), обогнув этот мыс, первым из европейцев вышел в Индийский океан. А в 1497 году Васко (Вашку) да Гама (1469–1524), следуя по пути Диаша, проложил морской путь до Индии. Таким образом, «добрая надежда» короля Жуана II Совершенного, мечтавшего найти путь в Индию в обход Африки, оправдалась, и за мысом на века закрепилось это ставшее знаменитым название.

Васко да Гама