Уровень

Уровенной поверхностью океанов называется поверхность, перпендикулярная направлению равнодействующей сил, влияющих на положение водной частицы в данном месте, — сил тяжести и центробежной. Такая поверхность может образоваться, если составляющие ее частицы достаточно подвижны. Этим условиям удовлетворяет свободная поверхность воды. Вследствие неодинакового распределения плотности земной коры свободная поверхность океанов несколько отличается от правильной математической формы эллипсоида вращения и имеет форму, которую в геодезии принято называть геоидом. Различие этих двух форм по сравнению с радиусом Земного шара очень невелико.

Помимо основных указанных сил, на уровень океанов и морей влияют и другие причины: ветры, атмосферное давление, течения, приливы, соленость и температура морской воды, осадки, сток рек. На общую форму геоида они не влияют, но в жизни людей и их деятельности имеют весьма существенное значение.

Довольно долго считалось, что средние уровни различных морей находятся на одинаковой высоте. Так полагали еще в середине прошлого столетия, когда начали производить точные нивелировки местности для измерения высот — средние уровни моря были взяты в качестве нулей высот. Но исследования, произведенные позднее, показали, что так делать нельзя. Тогда за нулевые высоты были приняты уровенные поверхности, проходящие через условные нули высот. В различных районах морей и океанов преобладают те или иные макропроцессы. Поэтому средний уровень океана в различных пунктах не совпадает в точности с поверхностью геоида. В морях без приливов, например Каспийском, при отсутствии нивелирной сети в каком-нибудь районе, средний уровень можно принять за нуль высот.

Отчего же колеблется уровень океана и моря? Основных причин три: гидрометеорологические процессы, которые обусловливают вертикальные и горизонтальные перемещения воды; действие космических приливообразующих сил Луны, Солнца и звезд; влияние геодинамических сил, возникающих при тектонических процессах в земной коре.

Рассмотрим более подробно первую группу сил, связанную непосредственно с влиянием атмосферы на поверхность океана. Уровень изменяется с изменением атмосферного давления над данным районом. Это статическая реакция водной массы: давление больше — уровень ниже, и наоборот. Величина статического давления теоретически основана на том, что плотность ртути в 13,3 раза больше плотности морской воды. Это значит, что при изменении давления атмосферы на 1 мб уровень меняется на 1 см. Этот расчет справедлив только при очень медленном изменении давления (например, если над данным районом моря располагается малоподвижный антициклон). Если же проходят циклоны с сильными ветрами, общая картина нарушается и усложняется. При работах над методами морских прогнозов установлен ряд эмпирических зависимостей, показывающих, что влияние статического давления на колебания уровня моря примерно в 10 раз меньше, чем динамического, т. е. определяемого не весом столба воздуха, а его движением. Так, колебания уровня, вызванные ветром, могут достигать очень больших величин — до 1–2 м. Продолжительные ветры одного направления вызывают вблизи берега подъемы и спады уровня, сгоны и нагоны. В небольших морях эти ветры называются сквозными — они охватывают все море и сгоны или нагоны иногда могут стать катастрофическими. Это временные, сравнительно быстротечные колебания. Существуют также сезонные и постоянные колебания уровня. Они относятся в основном к области пассатов. Например, пассаты Атлантического океана гонят воду в Карибское море и Мексиканский залив, в то время как пассаты Тихого океана отгоняют воду от Панамского перешейка. Таким образом, средний уровень в этом районе со стороны Атлантического океана выше, чем со стороны Тихого океана примерно на 0,5 м. Вдоль одного и того же берега материка средний многолетний уровень повышается с юга на север. Когда в Советском Союзе была проведена самая длинная в мире нивелировка — от Кронштадта до Владивостока, оказалось, что и здесь существует разница в 1,8 м. А нивелировкой между Балтийским и Черным морями обнаружена разность уровней в 0,25 м. Разница уровней в Архангельске и Одессе достигает 1,1 м.

У северо-западного побережья Европы и Северной Америки происходят сезонные колебания уровня, обязанные своим происхождением зональным западно-восточным переносам — в осенне-зимний период уровень у континентов повышается, а летом понижается. Типичны сезонные колебания уровня в зоне муссонов. У наветренных берегов в этих областях уровень повышается, а у подветренных — понижается. В нашей стране такой областью являются дальневосточные моря. В зимнее время северо-западные муссонные ветры дуют с суши на море, и тогда в юго-восточных районах морей уровень выше, чем в северо-западных. А в летнее время, когда муссон направлен с моря на сушу, уровень ниже. Эту картину в целом легко обозреть, если построить графики годового хода среднего уровня для типичных условий муссонного и зонального режимов.

Бризовые ветры, изменяющие свое направление 2 раза в сутки, вызывают соответствующие колебания уровня, они периодически повторяются и относительно невелики — это как бы маленькие муссонные колебания. Без какой-либо видимой периодичности время от времени происходят значительные колебания уровня. Они обусловлены большими изменениями атмосферного давления и ветра, связанными с прохождением над морем циклонов и антициклонов. При этом могут произойти катастрофичные нагоны или сгоны уровня — первые наиболее опасны. С ними, в частности, связаны ленинградские наводнения. Так, известное наводнение 23 сентября 1923 г. было вызвано глубоким циклоном, с давлением в центре ниже 735 мб и скорости ветра в среднем до 25 м/с (при порывах 40 м/с). Именно в этих условиях уровень воды достиг наиболее интенсивного подъема. Метеорологическая наука не смогла донести до нас условия наводнения, происходившего за 100-летие до этого и описанного А. С. Пушкиным в «Медном всаднике».

В течение уже нескольких десятилетий в Ленинграде гидрометеорологическая служба ведет большую работу по предсказанию наводнений. Здесь используются теоретические и эмпирические методы, моделирование, налажена четкая оперативная информация, использующая все современные средства связи. Делается все, чтобы вовремя оповестить население, уберечь здания, службы, имущество. А наводнения продолжаются. В настоящее время принят проект сооружения плотины, которая оградила бы город на Неве от стихийных бедствий. Какую роль после ее сооружения будут играть прогнозы, сказать пока трудно, но надо полагать, что в какой-то степени и форме они останутся необходимыми.

Из чего складывается величина колебаний уровня при сгонно-нагонных ветрах, от чего она зависит? Прежде всего от ветра. Само влияние ветра складывается из его силы, продолжительности, направления по отношению к береговой черте. Кроме того, имеет значение глубина моря и рельеф дна. Данные условия можно было бы учесть в общем виде и установить зависимости от них колебаний уровня. Однако в настоящее время это еще не удалось сделать ни одному ученому. И. Н. Зубов расчленил задачу на ряд более простых, элементарных случаев, в которых рассматривается циркуляция, вызываемая ветром в прямоугольном длинном бассейне.

Катастрофические сгонно-нагонные колебания уровня время от времени происходят практически на всех морях. 10–13 ноября 1952 г. в северо-западной части Каспийского моря нагон был вызван штормовыми ветрами, достигавшими 28 м/с. Поднявшаяся вода затопила западное побережье моря и берега в дельте Волги. Этот нагон был близок лишь к одному в наше столетие, имевшему место на Каспии в ноябре 1910 г.

Изменения уровня происходят, когда в данный район поступают дополнительные количества воды. Основная роль в этом принадлежит передвижению морской и речной воды (в пределах одного года и от года к году), второстепенная — осадкам и испарению. Обмен водами между морями, соединенными с океаном, а также сток рек в общем не вызывают заметного колебания уровня. Но в морях, отделенных от океана, материковый сток играет очень большую роль. Например, на Каспийском море во время весеннего половодья на реках (в первую очередь на Волге) уровень достигает наибольшей величины. Общеизвестно также падение уровня Каспия (с 1933 г.), связанное с резким уменьшением стока Волги.

В течение ряда лет изучались причины падения уровня Каспия. Проводились также работы по долгосрочным прогнозам его уровня. Советский океанолог Н. А. Белинский предложил метод, успешно применяющийся на практике. В основе его лежит учет атмосферной циркуляции на обширных пространствах, формирующих цепочку процессов, конечным итогом которых явилось падение уровня Каспия.

В прогнозах уровня Каспия на год (по месяцам) и на пятилетие заинтересованы многие отрасли народного хозяйства: гидростроительство, рыбная промышленность и промысел морского зверя (на Каспии водятся тюлени) и др.

Рассматривая колебания уровня, мы часто говорим «средний уровень». Как и всякая средняя величина, он является результатом вычисления (осреднения наблюдений) за тот или иной период: сутки, месяц, сезон, год, ряд лет. Такие расчеты важны для практических и научных целей. Колебания среднесуточных уровней, особенно связанные со сгонно-нагонными явлениями, могут быть очень большими — до 2–3 м. Средние месячные уровни в одном и том же пункте колеблются в пределах нескольких десятков сантиметров и наиболее велики в области действия муссонов. Средние годовые уровни меняются от года к году. В Азовском, Балтийском и Черном морях они отклоняются от среднемноголетнего уровня больше, чем на океанских побережьях. Но в целом изменение величины годового уровня небольшое — в пределах 20 см.

Многолетние уровни вычисляют по данным наблюдений за все имеющиеся годы — чем ряд наблюдений длиннее, тем с большей точностью он определяется. Самые длительные наблюдения в нашей стране ведутся на Балтийском море, в Кронштадте, где они начаты с 1835 г. Для каждого порта вычисляется средний уровень за определенное число лет, принимаемый как ординар. Средний многолетний уровень для морей без приливов служит нулем глубин для морских карт. Это значит, что от этого уровня отсчитываются глубины моря, а также высоты на суше. В нашей стране за нуль высот принят нуль Кронштадтского футштока — рейки, по которой отмечается положение уровня. Чтобы не вводить отрицательных значений уровня, все наблюдения уровня приведены к отметке на 5 м ниже нуля Кронштадтского футштока. В то же время в других странах существуют свои нули высот. Естественно, что при изучении, анализе и сравнении колебаний уровня Мирового океана это создает лишние сложности. Поэтому возникла необходимость создать единую международную систему — единый нуль глубины и высоты. В сентябре 1954 г. в Риме Генеральная ассамблея Международного геодезического и геофизического союза приняла решение об уравнивании европейской нивелирной сети.

На всех морях нашей страны есть один или несколько пунктов, связанных с общегосударственной системой высотных отметок. Широко используется также метод, позволяющий путем расчетов увязать нули постов (в пунктах, где это трудно или невозможно сделать нивелировкой) с теми, которые связаны с государственной сетью.

Наблюдения над уровнем при решении научных и практических задач подвергаются различной статистической обработке — это и спектральный анализ, позволяющий выявить скрытые периодичности, и гармонический анализ для определения некоторых характеристик колебаний и др. Часто важно знать, как долго стоит уровень, — это особенно интересует портостроителей и мореплавателей. В таких случаях строятся графики повторяемости уровня.

Следует упомянуть еще о колебаниях уровня, вызываемых сейшами. Они могут возникнуть при резких изменениях атмосферного давления над каким-либо районом моря и от иных причин: сейсмических, сгонов и нагонов и др. Сейши начали изучать не на морях, а на озерах, где они особенно заметны. Так, на Женевском озере наблюдаются сейши с амплитудой до 2 м. На Азовском море бывают сейши с амплитудой до 80 см. В Севастополе, когда над городом прошла гроза (25 августа 1911 г.), падение атмосферного давления на 6 мм вызвало толчок в колебаниях уровня около 60 см. Полагают, что сейши являются причиной и тягуна, наблюдающегося в некоторых портах, например в Туапсе на Черном море. Происходящее при тягуне горизонтальное и вертикальное движение вод приводит к катастрофам — суда наваливаются друг на друга, на стенки набережных и т. д. Это явление, однако, еще до конца не изучено.

Сведения о колебаниях уровня моря требуются в первую очередь гидрографической службе, мореплавателям, жителям побережий. Знание характера колебаний уровня важно также при определении горизонтальной циркуляции вод океана, при поисках полезных ископаемых на дне моря и т. д.