скачать книгу бесплатно
100 великих тайн океана
Анатолий Сергеевич Бернацкий
100 великих (Вече)
Мировой океан оказывает огромное и многогранное влияние на функционирование всех систем Земли. Он формирует климат планеты, является важнейшим источником поступающего в атмосферу кислорода, а также регулирует содержание в воздухе углекислоты. Глобальные геологические и геохимические процессы, протекающие в водной среде океана, а также на его дне, оказывают значительное влияние на жизнь Земли. Океан, вероятно, одна из самых сложных земных сфер. Видимо, поэтому человек и знает об океане намного меньше, чем, например, об атмосфере или литосфере. Очередная книга серии рассказывает о самых волнующих тайнах океана.
Анатолий Бернацкий
Сто великих тайн океана
© ООО «Издательство «Вече», 2010
© Бернацкий А.С., автор-составитель, 2010
© ООО «Издательство «Вече», электронная версия, 2016
* * *
Феномены океанической воды
«Горбатый» океан
Как ни странно, но океаны и моря имеют, оказывается, различные уровни пластов наполняющей их воды, словно бы «игнорируя» тем самым известные нам еще со школьной скамьи законы сообщающихся сосудов. И данному выводу существует немало примеров и подтверждений.
Вблизи острова Пуэрто-Рико уровень воды на 25 метров ниже уровня окружающих вод
Так, известно, что средние уровни воды в Атлантическом и Тихом океанах приблизительно выравниваются только в феврале месяце. В другие же сезоны года водное зеркало Тихого океана чуть выше, чем у его соседа – океана Атлантического. Более того, даже в одном и том же океане уровень воды в прибрежной зоне может быть несколько выше, нежели в его центральной части.
Но и это еще не все: благодаря наблюдениям за океанской гладью с космических кораблей и измерениям, проведенным с искусственных спутников, на поверхности Мирового океана была обнаружена удивительная картина неровностей, напоминающая раскиданные по бескрайней равнине гигантские холмы и взгорья.
Например, однажды космонавт В. Коваленок заметил в районе Тиморского моря поднятие водной поверхности на высоту аж до 63 метров, причем длина данной «выпуклости» составляла приблизительно 100 километров, а ширина – почти 2 километра.
Но, согласитесь, там, где имеются горы, непременно должны быть и низины.
И действительно: уровень воды в Атлантическом океане близ острова Пуэрто-Рико – на 25 метров ниже уровня окружающих этот район вод! А впадина в центре всем известного Бермудского треугольника ниже окаймляющих ее вод на целых 64 метра! Уровень воды у побережья Калифорнии в Тихом океане ниже окружающих вод на 56 метров, а участок Индийского океана южнее острова Шри-Ланка – и вовсе на 112 метров! Кстати, именно из-за столь значительной неровности водного зеркала в этом районе и возникают нередко мощные вертикальные вихри.
А вот в северной части Атлантики и к востоку от Австралии, в районе экватора, океаническая поверхность, напротив, поднимается: на 35–65 и 78 метров выше среднего уровня Мирового океана соответственно. А обширнейший регион в его северо-западной части и того более – на целых 150 метров.
Другими словами, «зеркало» Мирового океана отнюдь не лишено определенных «дефектов».
Характерной особенностью для океанов и морей является также их своеобразная «скособоченность». Например, уровень Тихого океана у северо-восточного побережья Австралии на 2 метра выше, чем у юго-восточного. Установлено также, что и поверхность западной части Черного моря представляет собой не ровный стол, а… вогнутую плоскость.
Однако ученые заявляют, что ничего странного в этом нет. Наоборот: так, мол, и должно быть. И объясняют они подобные аномалии поверхности Мирового океана неровностями океанического дна и неодинаковой силой тяжести в различных местах планеты. Ведь сила тяжести, как известно, напрямую связана с формой Земли и составом слагающих ее горных пород.
Дело в том, что под воздействием высоких температур (порядка 2000–2500 ° С) и огромного давления, превышающего атмосферное в 150–350 тысяч раз, вещество земных недр на глубинах от 400 до 700 километров становится более плотным. Именно эти уплотнения внутри определенных точек земного шара и создают избыточную массу, а значит, и большую силу тяжести. Последняя, в свою очередь, как бы стягивает над собой дополнительную воду, формируя тем самым на поверхности Мирового океана «горбы», или «выпуклости». Обратный же процесс приводит, соответственно, к образованию «впадин».
На различие в уровнях морей и океанов оказывают влияние и многие другие факторы: приливо-отливные явления, течения, осадки, береговой сток и таяние льдов, различия в плотности воды, испарение с поверхности океана, ветры и т. д.
К примеру, в Финском заливе самый высокий уровень воды наблюдается в августе, когда активнее выражены западные ветры. А в Черном море – в июне, когда сток талых вод уже завершился, но максимума их испарение еще не достигло. В Баренцевом и Белом морях максимальные уровни наблюдается осенью – именно в эту пору северные ветры нагоняют сюда огромные объемы воды.
Установлено также, что в умеренных широтах земного шара уровень океана у западных берегов выше, чем у восточных. И причиной тому служит нагон воды в эти районы западными ветрами.
Таким образом, неровности морей и океанов и степень наклона их поверхностей – явления глобального характера, в основе которых лежит множество самых разных причин.
Слоеный океан
Вы можете прямо сейчас представить себе ломтик бекона? Да-да, самое обычное свиное сало с мясными прослойками. Замечательно. Так вот, похожая на бекон картинка была обнаружена и в океане. И произошло это достаточно давно – 45 лет назад…
Остров Тимор, рядом с которым в 1965 году работала советско-американская экспедиция
В 1965 году совместной советско-американской экспедицией проводились испытания нового американского прибора, предназначенного для измерения температуры и солености воды. Работы велись в Тихом океане, между островами Минданао (Филиппины) и Тимор. Поначалу испытания шли в полном соответствии с теоретическими выкладками, но однажды исследователи обнаружили в показаниях прибора необычную запись.
Дело в том, что, согласно существовавшим тогда представлениям, температура воды – начиная с глубины 135 метров – должна равномерно понижаться. Однако прибор, вопреки общепринятой теории, неожиданно зарегистрировал ее повышение на 0,5 °C. Причем слой воды с такой температурой имел толщину всего около 10 метров: ниже этого слоя температура вновь начинала падать.
Чтобы осознать в полной мере, сколь сильно удивились исследователи показаниям тестируемого прибора, следует знать, что в любом курсе океанографии тех лет о вертикальном распределении температуры в океане можно было прочесть следующее: «Первоначально от поверхности вглубь идет верхний перемешанный слой. В этом слое температура воды остается практически неизменной. Толщина перемешанного слоя составляет обычно 60—100 метров. При дальнейшем же погружении температура воды резко уменьшается». То есть, проще говоря, температура здесь меняется скачкообразно, благодаря чему этот второй слой так и называется – слой скачка. Обычно он невелик, не превышает 10–20 метров, и температура воды в нем снижается всего на несколько градусов.
Благодаря большому градиенту плотности в слое скачка собираются различные микроскопические частицы, планктонные организмы и мальки рыб. Подводная лодка в нем может лежать как на грунте. Поэтому иногда его называют еще слоем «жидкого грунта».
Сигналы эхолотов и гидролокаторов проходят через слой скачка крайне плохо, то есть он вдобавок функционирует и как своеобразный защитный экран. Кроме того, этот слой находится в постоянном движении: перемещается, словно на качелях, то вверх, то вниз, и эти его «погружения-всплытия» происходят порой с довольно большой скоростью.
Ниже слоя скачка располагается слой главного термоклина. Здесь, в третьем слое воды, температура продолжает уменьшаться, но уже не так быстро, как в слое скачка: градиент температуры составляет тут всего несколько сотых долей градуса на метр…
Однако вернемся к советско-американской экспедиции. Получив столь неожиданные результаты, смущенные исследователи в течение двух дней проверяли и перепроверяли все измерения. Но записи неопровержимо свидетельствовали: в океане и впрямь существуют тонкие прослойки воды – толщиной от 2 до 40 метров и протяженностью от 2 до 20 километров, – температура и соленость которых резко отличаются от соседних слоев воды. Образно говоря, океан в этом районе напоминал чем-то бекон или слоеный пирог.
Уже позже, после тщательного анализа огромного количества собранных данных, ученые выяснили, что вся водная масса Мирового океана – от поверхности до больших глубин – разделена на однородные горизонтальные слои, разница температур между которыми составляет несколько десятых долей градуса. Сами же слои имеют толщину от десятков сантиметров до десятков метров.
Более того, во всей этой «слоеной» истории выяснился еще один факт, возможно, самый удивительный. Оказалось, что при переходе из слоя в слой температура, соленость и плотность воды меняются довольно резко, скачкообразно, в то время как сами слои сохраняют устойчивость в течение не только минут или часов, но даже нескольких суток. Причем в горизонтальном направлении такие слои с однородными параметрами простираются на десятки километров.
Правда, первые сообщения об открытии тонкой структуры океана большинством ученых-океанологов были восприняты с изрядной долей недоверия. Многие даже сочли полученные советско-американской экспедицией результаты допущением при измерениях неточностей расчетов или сбоями в работе самих приборов. И удивляться их сомнениям не приходится, ведь во все времена вода являлась символом подвижности, изменчивости, текучести. Тем более в океане, где поверхностные и подводные течения постоянно перемешивают водные массы.
Но почему же тогда сохраняется столь устойчивая слоистость? Однозначного ответа на этот вопрос пока, к сожалению, нет.
«Дыхание» океана
Море никогда не бывает спокойным – оно находится в постоянном движении. Даже в полный штиль, когда взгляд человека воспринимает его совершенно неподвижным, оно, тем не менее, движется.
Особенно же хорошо движение моря заметно во время приливов и отливов, или, образно говоря, когда море «дышит».
Известно, что дважды в течение суток океан делает «глубокий выдох», и тогда огромный водяной вал наступает на берег. И столько же раз, но уже во время «глубокого вздоха», большая вода покидает сушу.
Такие периодические перемещения водных масс действительно напоминают дыхание. Причем не только в переносном смысле: перемешивая воду, приливные течения, подобно гигантским легким, способствуют снабжению морских глубин кислородом.
Кроме того, благодаря периодическому перемешиванию огромных масс воды приливо-отливные течения усиливают поглощение и отдачу тепла океаном и сглаживают таким путем в сопредельных с ними регионах сезонные колебания температуры воздуха.
Вообще же приливы известны людям, в особенности жителям прибрежных районов морей и океанов, с давних времен. Во всяком случае, первые письменные упоминания о них относятся к V веку до н. э. Так, живший в те давние времена древнегреческий историк Геродот описывал в своих трудах приливы в Красном море.
В древности же была подмечена и связь между высотой приливов и фазами Луны. Здесь первенство принадлежит уроженцу Массилии (ныне Марсель) географу Пифею, побывавшему на берегах Англии, где приливы особенно велики.
Рыбацкие лодки в заливе Фанди. Художник У. Брэдфорд
За 100 лет до новой эры появился первый труд по океанографии – книга некоего Посидониуса, носящая название «Об океане». Автор подробно описал в ней приливы в Кадиксе, на атлантическом берегу Пиренейского полуострова, и при этом не только указал на их связь с фазами Луны, но и попытался выразить эту связь посредством математических формул. Кроме того, Посидониус первым заметил разницу между величинами приливов во время равноденствий в марте и сентябре, а также в период солнцестояний в июне и декабре.
И хотя мыслители прошлого неоднократно пытались объяснить сей удивительный феномен океана, однако разобраться в его сути удалось только после открытия Исааком Ньютоном знаменитого закона всемирного тяготения.
Оказалось, что «двигателями» набегающей приливной волны, равно как и убегающей отливной, являются два небесных светила – Луна и Солнце.
Притяжение Луны действует на воду подобно гигантскому магниту, приподнимая всю поверхность морей и океанов кверху. Другими словами, лунная гравитация заставляет воду земного шара собираться именно к тому меридиану, над которым данный спутник нашей планеты в этот период времени и находится. Аналогичное явление наблюдается при этом и на противоположной стороне земного шара, а поскольку Луна огибает Землю за 24 часа 50 минут, то за время ее «путешествия» на нашей планете происходит два прилива и два отлива.
К тому же, как известно, Земля вдобавок ко всему еще и вращается. Поэтому волна, вызванная лунным притяжением, то подходит к берегу – тогда мы наблюдаем приливы, то отходит от него, образуя отлив.
На большей части побережий каждые 24 часа происходит два высоких прилива и два низких отлива. Высоким называется прилив, при котором вода заходит вглубь побережья на максимальную глубину. При низком отливе вода, напротив, на максимальное расстояние удаляется от кромки берега.
Когда же Солнце и Луна оказываются на одной линии и силы их притяжения накладываются друг на друга, случаются очень высокие, или сизигийные приливы. Самые сильные приливы и отливы наблюдаются в периоды повышенной лунной активности – в полнолуние и в новолуние. А дважды в месяц, когда Луна и Солнце оказываются под прямым углом друг к другу, происходят особенно низкие, или квадратурные отливы.
Сизигийные и квадратурные приливы наступают через каждые две недели. В промежутках между ними величина прилива либо убывает, либо увеличивается – в зависимости от изменения фаз Луны.
При этом в графике движения приливов и отливов присутствует характерный нюанс: время прибытия и отправления волны постоянно меняется. Но, опять-таки, с соблюдением определенного правила: поскольку приливно-отливные процессы подчиняются лунным суткам, а лунные сутки длиннее солнечных на 50 минут, то и момент наступления приливов и отливов постоянно сдвигается ровно на 50 минут.
Если бы земной шар был сплошь покрыт водой, притяжение Луны смогло бы создать прилив величиной в 0,54 метра, а притяжение Солнца – прилив величиной в 0,25 метра. Наибольший прилив равнялся бы сумме лунного и солнечного приливов. И тогда в любом районе Земли в течение суток происходило бы по два прилива и два отлива. Такой вид приливно-отливных явлений называют полусуточным.
Известно, что треть земной поверхности занимает суша, представленная материками, архипелагами, островами. Именно эти участки земной тверди и мешают свободному распространению приливной волны вокруг земного шара. Причем в некоторых местах их воздействие столь значительно, что приливы и отливы происходят там только раз в сутки. Такие приливы носят название суточных.
В поведении приливов наличествует один, казалось бы, парадоксальный момент. Дело в том, что в открытом море колебания приливно-отливного уровня не превышают одного метра. В закрытых бассейнах они тоже невелики: в Средиземном море, например, составляют не более 30 сантиметров.
Однако в мелководных морях высота прилива превышает иногда 6-метровую отметку, а в устьях рек достигает даже 12–15 метров. Самый высокий прилив на земном шаре отмечается у берегов восточной Канады в заливе Фанди. Здесь высота волны может достигать 20 метров.
Связано это с тем, что, достигая мелководий береговой зоны и проникая в заливы и бухты, приливная волна растет. При сложении первичной приливной волны с волной, отраженной от берегов, и образуются такие большие приливы.
А теперь несколько слов о скорости приливной волны. Она – огромна. Почти как у цунами. В Атлантическом океане, например, скорость приливной волны достигает почти 500 километров в час! Правда, в Ла-Манше, где берега сужаются и глубины уменьшаются, из-за трения о дно ее скорость уменьшается до 130 километров в час.
Особым своеобразием отличаются морские приливы в реках. Ворвавшись в устье реки, прилив сперва останавливает, а затем и вовсе поворачивает течение реки вспять. При этом морская соленая вода клином внедряется в реку по ее дну, после чего продвигается по ее руслу на значительные расстояния.
В устьях некоторых рек приливная волна, распространяясь навстречу речному течению, принимает вид высокого крутого вала, который называется бором, или маскарэ.
В реке Петикодиак, несущей свои воды в залив Фанди в Северной Америке, бор во время больших приливов достигает высоты 3 метров и распространяется вверх по течению со скоростью 11–12 километров в час.
В продолжение разговора о речных приливах хочется вспомнить любопытную историю, связанную с китайской рекой Цянь-танзян. Бор в этой реке достигал когда-то высоты 7–8 метров, а крутизна его переднего склона составляла 70°. Эта страшная стена воды устремлялась вверх по реке со скоростью 15–16 километров в час, причиняя прибрежным поселениям немало вреда. В конце концов китайские императоры, дабы умилостивить грозное явление природы, выстроили на берегу Цянь-танзян «башню успокоения моря». Когда же и башня не укротила злого нрава реки, вдоль берегов была возведена 80-километровая стена, которая наконец-то и принесла желаемый результат.
Очень высокий бор имеет королева рек Амазонка: при высоте 5–6 метров он распространяется вверх по реке на расстояние до 300 километров, производя на туристов неизгладимое впечатление.
В настоящее время на многих реках – Сене и Шаранте во Франции, Северне в Англии, Хугли в Индии – опасные для судоходства боры посредством специальных гидротехнических сооружений почти полностью устранены…
Несколько лет назад физик О.Х. Деревенский выдвинул в своей статье «Физическая и океанографическая картины приливов» гипотезу о происхождении приливов, которая в корне противоречила общепризнанной приливной теории. Конечно, соглашаться или не соглашаться с взглядами автора – личное дело каждого. Но для развития общего кругозора знакомство с основными тезисами той статьи не помешает.
«Такое (передвижение огромных масс воды) было бы возможно лишь за счет перетекания колоссальных масс воды из океана в океан, – пишет О.Х. Деревенский. – Но ничего подобного не происходит – каждый океан успешно обходится своими собственными водными ресурсами.
Более того, каждый океан разделен на несколько смежных областей, в которых приливные явления происходят практически изолированно. В каждой такой области водная поверхность несколько наклонена относительно горизонта, причем направление этого наклона вращается. Это и есть вращающаяся приливная волна – как в тазике с водой, который двигают по полу круговыми движениями. При этом максимум и минимум уровня воды последовательно проходят по всему периметру.
Еще Лапласа изумлял этот парадокс: отчего в портах одного и того же побережья максимумы уровня наступают со значительными последовательными запаздываниями – хотя, по концепции приливных эллипсоидов, они должны наступать одновременно.
Дело ведь не в том, что приливным горбам мешают двигаться материки. Тихий океан простирается почти на половину окружности экватора, и движения этих горбов, имей они место, были бы здесь заметны. Но – ничего подобного: огромный Тихий океан тоже разбит на смежные области с независимыми друг от друга вращениями приливных волн.
Можно уверенно предположить, что подобная картина имела бы место и в том случае, если бы океан покрывал всю поверхность Земли. Потому что независимые вращения приливных волн на смежных участках – это и есть сущность океанских приливных явлений. А причина их в том, что везде на поверхности Земли местные отвесные линии не сохраняют свои направления постоянными, а испытывают вращательные уклонения. А спокойная поверхность воды стремится расположиться перпендикулярно к отвесной линии. Ну, вот из-за этого водные поверхности на смежных участках и отслеживают вращательные уклонения местных отвесных линий».
Вот такой парадоксальный взгляд на давно вроде бы устоявшуюся теорию…
Странные таитянские приливы
Долгое время исследователи не могли объяснить сути загадочных приливов у островов Таити в Тихом океане. Даже еще совсем недавно некоторые географы, описывая эти острова, утверждали, что у берегов Таити приливы наступают всегда в один и тот же час: полная вода – в полдень и в полночь, малая вода – в 6 часов утра и в 6 часов вечера. А некоторые наблюдатели при этом добавляли, что на Таити океан не повинуется Луне, а признает только Солнце.
У берегов Таити
Первую тропу на пути к раскрытию тайны таитянских приливов ученые проложили в 1924 году, когда для непрерывного наблюдения за уровнем моря установили на одном из островов мареограф. А в 30-х годах прошлого века секрет приливов у Таити был раскрыт окончательно. Обработав данные наблюдений, исследователи установили, что прилив у островов и впрямь не запаздывает каждые сутки на 50 минут, как это происходит во всех других частях океана. Хотя момент его наступления тоже всякий раз несколько изменяется. Так, дневная полная вода приходится на время между 10 и 15 часами, ночная – на период между 22 и 3 часами, но ни та, ни другая никогда не выходят за эти пределы.
Одновременно было установлено, что под влиянием формы тихоокеанского бассейна резко изменилось и соотношение между лунным и солнечным приливами. Теоретически лунный прилив в два с лишним раза больше солнечного, а вот у Таити он составляет всего лишь 20 % солнечного. Выходит, географы в какой-то мере были правы, когда утверждали, что океан у островов Таити повинуется Солнцу, а не Луне.
Порой приливы демонстрируют и другие отклонения от нормы. Так, благодаря отражению волн у берегов Англии – между Уэймутом и островом Уайт – иногда случаются не два, а четыре прилива в день. Это так называемые двойные приливы, каждый из которых имеет по два максимума.
Водопады в океане
Оказывается, в глубинах Мирового океана обрушиваются громадные водопады, в сравнении с которыми их наземные «сородичи» смотрятся чуть ли не карликами. Таких огромных океанических водопадов обнаружено на сегодняшний день не так уж и много: всего семь.
Движущей силой большинства из них является различие в температурах океанских бассейнов. Тяжелая, холодная вода у Северного и Южного полюсов стекает ко дну, где далее движется в соответствии с его рельефом. Стекая по склону все глубже и глубже, эта река, переваливаясь через водораздельный «подоконник», ввергается в соседний океанский бассейн.
В Датском проливе находится один из самых больших подводных водопадов
Наибольший из таких водопадов находится на дне Датского пролива, разделяющего Гренландию и Исландию. Высота этого подводного гиганта составляет около 4000 метров, и в секунду он перемещает не менее 175 миллионов кубических футов воды – в 350 раз больше, чем водопад Гуаира на границе Бразилии и Парагвая, который, как долго считалось, несет воды больше, чем любой другой наземный водопад.
Волнение моря
Море никогда не бывает спокойным. Даже в штиль, когда кажется, что оно «отдыхает», его поверхность все равно еле заметно колышется. Если же море начинает волноваться, на водной глади появляются ряды гребней с белыми барашками наверху, а иногда и грозные валы, несущие тучи брызг.
Поэтому когда стоишь на морском берегу и смотришь на волны, ровными шеренгами набегающие, словно солдаты на неприятельский редут, на берег, создается впечатление, будто вся масса воды и впрямь движется.
На самом же деле это всего лишь иллюзия. Потому что в волнующемся море, как ни трудно в это поверить, волны вовсе не перемещаются одна за другой, а лишь колеблются вверх и вниз. Точнее, не колеблются, а совершают спиралевидные движения, и даже не сами волны, а только молекулы воды.
В том, что волны не движутся, легко убедиться, наблюдая за поведением, например, поплавка на воде либо за «игрой» неспокойного моря со щепкой, лодкой или любым другим плавающим предметом. Оказывается, быстро бегущие волны вовсе не увлекают данный предмет за собой, а лишь монотонно перемещают его в вертикальном положении: вверх-вниз.
Волны вовсе не перемещаются одна за другой, а лишь колеблются вверх и вниз
Хорошей имитацией волн является «колышущееся» хлебное поле в ветреную погоду, когда и впрямь кажется, что по его поверхности бегут волны. Но ведь колосья, как известно, не передвигаются с одного места на другое, а лишь немного склоняются вперед, чтобы через мгновение занять прежнее положение.
Именно способностью перемещаться в вертикальной плоскости морские волны и отличаются от песчаных дюн, создаваемых ветром в пустынях: там волнообразные холмы песка как раз перемещаются в действительности подобно любому движущемуся предмету.
Как и в пустынях, причиной, порождающей морские волны, тоже является ветер, точнее, воздушные течения.
Дело в том, что в ходе трения воздуха о поверхность воды в нем возникают завихрения. Соприкасаясь с поверхностью воды, эти завихрения изгибают ее, образуя неровности, называемые рябью.
Причиной же того, что волны не перемещаются, а остаются на месте, являются вертикально-горизонтальные колебательные движения молекул воды. В свою очередь, колебания частиц в вертикальной плоскости обусловлены воздействием на них гравитационных сил и разницей в уровне между гребнем волны и ее подошвой. При этом в тот момент, когда гребень волны опускается до уровня подошвы, вода слегка раздвигается в стороны, а значит, в этом направлении перемещаются и молекулы.
