big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Физика моря и физическая океанография в СССР

Изучение физических явлений в море, как и всех других явлений в нем, - химических, биологических, геологических, состоит не только из выяснения их конкретных проявлений в различных частях Мирового океана, что в основном рассматривается в предыдущей статье. В ходе изучения физических явлений в море, кроме того (а зачастую и прежде всего), выясняется сущность этих явлений, закономерности их развёртывания во времени  и пространстве. Этот круг вопросов, как известно, охватывается физикой моря.

В задачу этого краткого очерка не входит сколько-нибудь систематическое изложение развития физики моря в нашей стране за 50 лет. Мы лишь вкратце рассмотрим исследования, посвящённые за последние 20 лет некоторыми сторонам проблем короткопериодных (ветровых) волн, явлений прилива и циркуляции водных масс в океанах и морях. Изучение этих же явлений в море за первое 30-летие Советской власти в известной мере освещено в предыдущей статье.

Короткопериодные (ветровые) волны в океанах и морях. В последние десятилетия созданы подлинно научные методы расчёта и прогноза ветровых волн, что, как известно, важно для всех отраслей практики, связанных с морем. Вклад советских учёных в этом отношении весьма ощутим. Самым плодотворным при разработке методов расчёта и прогноза элементов морских ветровых волн оказалось энергетическое направление их изучения, основывающееся на уравнении баланса энергии ветровых волн в форме, предложенной еще в 1937 г. В. М. Маккавеевым. На этом принципе уже в современных условиях В. В. Шулейкиным были широко развернуты экспериментальные (в специально созданном им для этой цели штормовом бассейне) и теоретические исследования механизма передачи энергии ветра волнам и создана стройная физико-математическая теория морских ветровых волн. Получив общие дифференциальные уравнения поля ветровых волн для случаев глубокого и мелкого морей, В. В. Шулейкин представил результаты интегрирования этих уравнений в виде диаграмм нарастания высоты волны во времени, которые по существу и являются физической основой предвычисления высоты волн, исходя из заданных условий — времени действия ветра и расстояния от наветренного берега (Шулейкиы, 1956).

В 50-х годах в Государственном океанографическом институте Ю. М. Крылов и И. С. Бровиков, исследуя рост и затухание волн в области шторма, создали новые методы расчета элементов морских ветровых волн, получившие широкое распространение на морях и океанах («Руководство...», 1960). Однако, как подчеркивает Ю. М. Крылов, этим возможности расчетно-прогностического использования уравнения В. М. Маккавеева еще далеко не исчерпываются, и на его основе следует продолжать развитие расчетных методов для разнообразных физико-географических условий.

В последнее десятилетие выяснилось, что для многих отраслей практики знание элементов морских ветровых волн в отдельных точках моря является недостаточным. Появилась необходимость располагать более широкой информацией о распределении энергии морского ветрового волнения в данной точке моря по частотам (периодам) или, как теперь принято говорить, рассчитывать энергетический спектр морского ветрового волнения. Этому служит бурно развивающееся в настоящее время спектральное направление в изучении морских ветровых волн. На основании накапливающегося материала записей волнографов (приборов, автоматически регистрирующих изменение волнения в той или иной точке моря) с 50-х годов стали появляться многочисленные полуэмпирические формулы, выражающие так называемые одномерные энергетические спектры волнения — распределение энергии элементарных волн в исследуемых точках моря. Правда, в связи с нехваткой исходных данных пока еще нет общей и достаточно обоснованной формулы спектра, которая позволяла бы получать исчерпывающие характеристики волнения на всех стадиях его развития. Тем не менее уже сейчас в русле спектрального направления представляется возможным производить расчеты некоторых важных в практическом отношении характеристик морского ветрового волнения.

В частности, для полностью развитого волнения проведен ряд расчетов спектральной плотности волновых давлений. Например, для Северной Атлантики такие расчеты выполнены в 1961 г. С. С. Стрекаловым путем анализа волнографных записей поверхностных волн и в 1963 г. В. Ф. Цыплухиным на основе инструментальных измерений затухания волн с глубиной.

В 50—60-х годах работами А. Д. Ямпольского, Я. Г. Виленского и Б. X. Глуховского, И. Н. Давидана, Г. В. Матушевского, а также зарубежными исследователями была убедительно показана возможность рассмотрения морского ветрового волнения как квазистационарного случайного процесса. На этой основе доказана возможность использования рядов наблюдений над волнением для изучения статистических закономерностей элементов волн (их высот, периодов и длин). Так возникло статистическое направление в изучении ветровых волн. В ходе развития этого направления стали исследоваться две формы выражения статистических закономерностей наблюдаемых элементов: во-первых, так называемые функции распределения элементов волн, описывающие их разнообразие при какой-либо определенной силе квазистационарного волнения, и, во-вторых, так называемые режимные функции обеспеченности волнения, описывающие среднее многолетнее разнообразие волн в тех или иных акваториях.

Чтобы выяснить вид функций распределения элементов волн для расчета вероятности появления волн разных периодов при волнении различной силы, а также для теоретического обоснования этих функций и приемов их построения, в 50-х годах были проведены исследования Е. М. Селюк, А. П. Морозовым, И. С. Бровиковым (для мелководья) и Ю. М. Крыловым (для глубокого моря). В частности, Ю. М. Крылов (1958) исходил из идеи комбинированного применения статистических методов и уравнения баланса энергии к изучению морских ветровых волн. Рассмотрев статистические закономерности, которым подчинено разнообразие элементов волн в глубоком море при любой силе волнения, Ю. М. Крылов выразил их многомерными функциями распределения и показал, что применение теоремы об энергии к процессу ветрового волнения с учетом этих функций приводит к дифференциальному уравнению в частных производных, связывающему средние элементы трехмерных волн. Присоединив к нему соотношения между крутизной волн и их возрастом, Ю. М. Крылов получил замкнутую систему уравнений, решение которой позволяет рассчитывать средние элементы трехмерных волн в зависимости от скорости ветра, его продолжительности и длины разгона. По существу Ю. М. Крыловым была создана новая теория ветрового волнения, которая выгодно отличается от предыдущих теорий тем, что в ней впервые одновременно учитываются все главные черты изучаемого явления, свойства неупорядоченности волн, их трехмерности и зависимости от ветровых условий для стадий роста и затухания волн.

Что касается режимных функций обеспеченности морского ветрового волнения, то в 50-х — начале 60-х годов удалось установить их общий вид для тех или иных акваторий Мирового океана. Здесь нужно отметить исследования И. Н. Давидана, Ю. М. Крылова, Л. Н. Иконниковой, Г. В. Ржеплинского и др.

Наконец, в рамках гидродинамического направления, самого «старого» в изучении морских ветровых волн, ставящего задачей описание гравитационных волн на поверхности жидкости (идеальной и вязкой) исходя из гидродинамических уравнений движения, в последнее десятилетие также наметилась возможность получения результатов, которые уже близки к использованию при расчетах элементов волн в море. Например, в 1963 г. И. П. Оборотов, решая систему линейных гидродинамических уравнений на плоскости, получил формулы для выражения частоты колебаний, коэффициента затухания и скорости распространения волн, дающие возможность вычислять эти величины с точностью до 0,1%.

Л. А. Корнева и С. Г. Машков в 1958 г., затем А. В. Васильев в 1964 г. исследовали точность расчета элементов морских ветровых волн в волновой составляющей гидродинамического давления по формулам трохоидальной теории волн и теории волн конечной амплитуды A. И. Некрасова, впервые предложенной им в 1921 г.

Явление прилива в океанах и морях. За последнее 20-летие больших успехов достиг метод гармонического анализа приливов, позволяющий судить о развитии явления прилива во времени в той или иной точке бассейна. Среди множества направлений, по которым шло развитие этого метода в 1959—1964 гг., нужно особо отметить следующие: усовершенствование метода обработки наблюдений над приливными течениями правильного полусуточного характера, сделанное еще в конце 40-х годов советскими океанографами на Белом море; развитие предварительной (перед началом гармонического анализа приливных течений) обработки материалов наблюдений над течениями с целью выделения приливной составляющей из суммарного течения (Б. Н. Беляев и В. С. Болдырев); дальнейшее развитие гармонического анализа двухсуточных серий наблюдений над приливными течениями, например парного метода (Е. Н. Дворкин и В. М. Альтшулер); выяснение фактической точности получения гармонических постоянных из месячной серии наблюдений (Л. Г. Топорков) и с помощью «адмиралтейского метода», а также путей возможного повышения этой точности (Т. П. Первунина, В. М. Альтшулер, Е. Н. Дворкин).

Процесс развития метода гармонического анализа как средства характеристики приливных явлений во времени в данной точке моря в последние десятилетия идет также по линии улучшения способов использования уже полученных гармонических постоянных для предвычисления приливных явлений в данной точке моря на нужный срок. Так, дальнейшей разработке был подвергнут созданный еще в 30-х годах в Англии сокращенный (адмиралтейский) метод предвычисления приливов. В 1948 г. А. И. Дуванин вывел рабочие формулы для вычисления характерных высот прилива этим методом, а позднее теоретически обосновал и улучшил его. На Дальнем Востоке советские океанографы под руководством А. Е. Крафта в 50-х годах провели многолетнюю работу по развитию способов предвычисления приливных явлений с помощью классического метода гармонического анализа (А. Е. Крафт, B. Г. Нюнько) и адмиралтейского метода (К. Н. Соловейчик, В. Г. Нюнько). В те же годы в результате коллективной работы ленинградских и дальневосточных океанографов-приливников были созданы новые способы быстрого предвычисления приливных явлений по гармоническим постоянным прилива — с помощью векторных номограмм (В. В. Тимонов) и с помощью эллипсов (К. Н. Соловейчик и А. И. Дуванин) приливных течений. Следует отметить также разработку в 60-х годах О. А. Владимировым и В. Б. Титовым, а затем Н. П. Шестериковым упрощенных способов предвычисления приливов по гармоническим постоянным. Имели место попытки создать на основе гармонических постоянных более совершенный метод вычисления экстремальных высот приливов, чем метод, созданный в 1936 г. Н. П. Владимирским. Одно предложение такого рода, выдвинутое в 1958 г. Н. Ф. Кудрявцевым, подверглось критике со стороны Ю. В. Преображенского и М. В. Ремизовой, но защищалось В. И. Пересыпкиным; другое предложение было выдвинуто О. А. Владимировым в 1959 г., но резко раскритиковано В. И. Пересыпкиным.

К началу 50-х годов во всем мире было много разнообразных методов и способов обработки наблюдений над уровнем и течениями в приливных морях с целью составления навигационных пособий — таблиц приливов, таблиц и атласов приливных течений. Уже тогда А. И. Дуванин пришел к выводу, что возможности дальнейшего существенного расширения и уточнения пособий по приливам на основе метода гармонического анализа по существу исчерпаны и что надо искать новые принципы для создания пособий, столь необходимых в практике мореплавания. В 1954 г. А. И. Дуванин завершил эти поиски созданием лунно-солнечного календаря астрономических параметров и составлением на его основе таблиц приливов и приливных течений постоянного действия («Таблицы...», 1954; Дуванин, 1960 и др.). Большое принципиальное значение работ А. И. Дуванина состоит в том, что им был предложен новый метод характеристики приливных явлений во времени в отдельных точках моря и связанный с этим методом подход к составлению пособий по приливным явлениям без использования гармонического анализа приливов.

Кроме изучения основных особенностей развития явления прилива во времени в отдельных точках, океанографы в последние десятилетия все больше внимания уделяли попыткам воссоздания сложной картины реального распространения приливной волны по океанам и морям. Пожалуй, наибольшим достижением современного этапа развития учения о приливах следует считать происшедшее за последнее десятилетие слияние практического расчета изменений приливов во времени в отдельных точках (гармонического анализа приливов) с ранее развивавшимся изолированно от него теоретическим изучением пространственного распространения приливной волны, выражавшимся в попытках решить уравнения приливов Лапласа. Это слияние выразилось в создании современных численных методов расчета приливных явлений по пространству реальных бассейнов. Один из наиболее широко распространенных методов такого рода был предложен в 50-х годах Г. В. Полукаровым независимо от ученого ФРГ В. Хансена, несколько раньше предложившего почти такой же метод. В нашей стране методом Полукарова — Хансена были впервые вычислены приливы для открытой части Охотского (Г. В. Полукаров), Желтого (Л. И. Борис), Японского (Л. Ю. Преображенский) и Норвежского (А. В. Некрасов) морей, для всего пространства Тихого океана (К. Т. Богданов). Одновременно в 60-х годах в работах Л. И. Борис, Л. Ю. Преображенского, Д. У. Вапняра, Л. А. Сгибневой, К. Т. Богданова сам метод получил значительное развитие. В частности, К. Т. Богданову удалось составить программу численного решения (на электронно-вычислительной машине) гидродинамических уравнений прилива, которая не зависит от формы бассейна и практически применима к любой части Мирового океана. Были выявлены и пути дальнейшего развития метода Полукарова — Хансена. Например, Л. А. Сгибнева в 1964 г. убедительно показала, что в мелководных частях морей при дальнейших расчетах этим методом необходимо принимать во внимание нелинейные эффекты влияния глубин на изменения уровня (до сих пор эта краевая задача математической физики решалась лишь в ее линейной постановке).

В настоящее время теоретическая и полуэмпирическая разработка задачи о движении приливной волны в пространстве достигла такого уровня, что появилась возможность с помощью численных методов расчета приливов создать атласы карт распределения гармонических постоянных по пространству того или иного бассейна, иначе говоря, составить навигационные пособия с непрерывной пространственной характеристикой приливных явлений. Сейчас, как отметил в 1961 г. А. И. Дуванин, нет каких-либо препятствий к созданию справочников по приливным явлениям в любой форме и с любой подробностью.

Циркуляция вод океанов и морей. В начале 40-х годов В. Б. Штокмап исследовал возможность теоретического расчета ветровых течений с учетом реальной неравномерности поля ветра над морем. Он доказал разрешимость этой задачи путем обращения к интегральным (по вертикали) характеристикам течений — полным потокам и создал метод расчета полных потоков установившегося течения (Штокман, 1946).

Развитие этого метода позволило в течение последующих 10— 15 лет отработать теоретические принципы определения и некоторые методы практического расчета установившейся горизонтальной ветровой циркуляции в глубоких и мелких морях. Значительным прогрессом в изучении морских течений явилось создание П. С. Линейкиным в 1955 г. учения о взаимодействии полей скорости и плотности в океане, а также рассмотрение им самого механизма взаимного приспособления этих двух физических полей друг к другу, получившего название динамики бароклинного слоя моря (Линейкин, 1957, и др.).

Ряд исследований (Н. А. Багрова, П. А. Киткина и др.) был посвящен неустановившимся течениям в океанах и морях, однако в результате этих исследований были получены лишь частные результаты, недостаточные для разработки общего метода расчета течений в реальных физико-географических условиях. Приблизиться к разработке такого метода удалось в последнее десятилетие А. С. Саркисяну, давшему теоретическое решение задачи расчета нестационарных полей скорости и плотности бароклинного слоя Северной Атлантики (Саркисян, 1966).

В современных условиях в мировой физической океанографии очень интенсивно развиваются исследования причин интенсификации течений у западных берегов океанов (Гольфстрима, Куросио, течения Игольного мыса), механизма «отрыва» этих течений от берегов и последующего их меандрирования. Советские ученые внесли вклад в решение этих проблем. Здесь надо отметить относящиеся к 60-м годам исследования О. И. Мамаевым и К. Д. Сабининым механизма влияния

Суммарные поверхностные течения в Антарктике летом

на океаническую циркуляцию так называемого (3-эффекта (изменения параметра Кориолиса с широтой), А. И. Ильиным и В. М. Каменковичем — явления «отрыва» пограничного потока от берегов (в рамках инерционной теории течений), Б. А. Тареевым — проблемы неустойчивости квазигеострофических течений в океане. В частности, Б. А. Тареев, решив приближенными (численными) методами сложную гидродинамическую задачу об устойчивости геострофической циркуляции в океане, убедительно показал, что как Гольфстрим ниже «точки отрыва» у мыса Гаттерас, так и другие квазигеострофические течения лежат в области неустойчивости и имеют существенно нестационарный характер даже на больших (порядка 1000 м) глубинах. Эти теоретические выводы Б. А. Тареева находятся в полном соответствии с наблюдениями течений в океанах, проведенными в последнее десятилетие с помощью поплавков нейтральной плавучести и самописцев течений на якорных буйковых станциях.

Проводившиеся с начала 50-х годов инструментальные наблюдения течений в экваториальных областях океанов сразу же привели к одному из крупнейших океанографических открытий современности: были обнаружены мощные подповерхностные течения восточного направления, идущие узкой полосой вдоль экватора. Советские ученые в ходе выполнения программы МГГ и в последующих экспедициях внесли существенный вклад в изучение ранее открытого американцами такого же течения в Тихом океане (течения Кромвелла) и сами открыли аналогичное ему течение в Атлантике (течение Ломоносова. Открытие сделали А. Г. Калесников, Г. П. Пономаренко, Н. К. Ханайченко и другие сотрудники Морского гидрофизического института АН УССР при исследованиях

Суммарные поверхностные течения в Антарктике зимой

в экваториальной зоне Атлантики на судне «Михаил Ломоносов» начиная с 1959 г. (например, Н. К. Ханайченко и др., 1965).

Важной чертой современного развития учения о динамике морских течений явилось зарождение и интенсивная разработка теории вертикальной составляющей океанической циркуляции, что привело к созданию теоретических методов расчета этой, хотя и небольшой по абсолютной величине, но очень важной в жизни моря составляющей. Здесь надо отметить исследования в 60-х годах М. Н. Кошлякова, В. С. Латуна и в особенности К. А. Чекотилло. Детально разработав теоретический метод расчета вертикальных движений в океане по атмосферному давлению и плотности воды, К. А. Чекотилло получил пригодные для практических расчетов выражения, описывающие распределение с глубиной вертикальных составляющих скорости как чисто дрейфового, так и градиентно-конвекционного течений.

В современных условиях важное и все возрастающее внимание уделяется развитию учения о водных массах океанов и морей, теснейшим образом связанного с проблемой циркуляции вод. Значение этого направления исследований выходит далеко за рамки физической океанографии, объединяя физические, химические, геологические и биологические процессы в океане (Зубов, 1946). В развитии учения о водных массах океанов и морей роль советских ученых особенно велика. Прежде всего необходимо отметить предложенное в 1947 г. А. Д. Добровольским новое определение водных масс, впервые

Юлий Михайлович Шокальский

указавшее на их органическую связь с циркуляцией вод и подчеркнувшее географический характер самого понятия о водных массах. Впоследствии А. Д. Добровольский ввел понятие о структуре вод — сочетании в пространстве (во всей толще вод) и взаимодействии между собой различных водных масс и границ между ними, в том числе и фронтальных областей. Понятие структуры вод (Добровольский, 1961) быстро получило распространение в физической океанографии, дав возможность проводить широкие географические обобщения при изучении гидрологического режима как отдельных районов, так и океанов в целом, а затем на этой базе — и всего Мирового океана. Здесь особо отметим исследования, проводившиеся в 50—60-х годах В. Н. Степановым и сотрудниками отдела физической океанографии Института океанологии АН СССР. В итоге анализа меридиональных разрезов температуры, солености и плотности (построенных по средним широтным величинам этих характеристик) для Атлантического, Тихого и Индийского океанов и разрезов температуры для Северного и Южного Ледовитого океанов были сделаны важные выводы о главнейших особенностях и закономерностях измерения структуры вод океанов, ее зависимости от особенностей циркуляции вод, водного и теплового баланса. Осуществлена и первая попытка выяснить различие структур вод отдельных океанов и выделить их типы в масштабе Мирового океана.

Много внимания за последние десятилетия уделяется разработке способов выделения и анализа водных масс. Существенное развитие с 1953 г. получило использование при анализе водных масс понятия о вертикальной устойчивости вод (Г. Н. Иванов-Францкевич, А. А. Зверев и др.). Но особенно много внимания было уделено методу T,S кривых (кривых температуры — солености), ценность которого для определения процентного содержания водных масс, для суждения как о районах, так и о времени формирования на поверхности океана и последующего опускания на глубины водных масс была убедительно показана О. И. Мамаевым в работах 60-х годов. Вопросу об использовании T,S-кривых (дополненных кривыми вертикального распределения океанологических характеристик) в качестве средства для выделения не только водных масс внутри структуры вод, но и самих структур вод в океане посвятили в 1963 г. исследование В. В. Леонтьева и М. А. Радзиховская. Советские ученые много сделали для развития созданного в 1955 г. Р. Монтгомери метода статистического T,S-анализа поверхностных вод океана. Так, В. П. Нефедьев и Б. Н. Дубровин в 60-х годах успешно применили объемный статистический T,S-анализ для изучения абиссальной циркуляции: В. П. Нефедьев в морях Австрало-Азиатского архипелага, а Б. Н. Дубровин — в Аравийском и Красном морях, улучшив сам метод построения статистических T,S-диаграмм. О. И. Мамаев обобщил работы в области этого метода. В 1962 г. он впервые выявил математическую зависимость между критериями устойчивости вод и Т,S-кривыми, что открыло возможность для исследования уравнения состояния морской воды, процессов перемешивания и трансформации водных масс. Отрадно отметить, что на Первом (Нью-Йорк, 1959) и Втором (Москва, 1966) Международных океанографических конгрессах советские ученые — специалисты по изучению физических явлений в море — продемонстрировали важные достижения в этой области знания.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.