на главную>>>

Рыбы и рыболовство>>>

1 2 3 4 5 6 7 8  на главную>>>

Волны, течения, водообмен

От чего возникают волны?

• Волны в озере возникают от воздействия ветра на воду, от перепада атмосферного давления на разных участках котловины, от землетрясений, от приливов, от подводных вулканических извержений, от дви­жущихся судов и других внешних сил.

Кто впервые измерил максимальную высоту волн на Байкале?

• В 1871 г. Б. И. Дыбовский и В. А. Годлевский определили максимальную высоту волн от горизонта льда, она оказалась равной 4 м. Свои наблюдения авторы проводили у берега. Наибольшая высота инструмен­тально измеренных волн в открытом Байкале также достигает 4 м.

Чем определяется максимальная высота волн?

• Она зависит от скорости ветра, длительности его действия и разгона—расстояния, на кото­ром ветер продолжает действовать на бегущую волну. В морях обычно принято считать, что высота волн, выражен­ная в метрах, составляет не более половины скорости ветра, выраженной в узлах, хотя отдельные волны могут быть и выше. В глубоких пресноводных озерах эта зависимость почти такая же.

Как зависит максимальная высота волн от разгона?

• До определенных пределов чем больше разгон, тем выше волны. Если - разгон превышает 1000 миль, высота волн не будет заметно увеличиваться. Максимальную высоту штормовых волн в море рассчитывают по формуле Н=0,45\/Р, где Н—высота волн в метрах, Р—разгон волн в милях. Эта формула с несколько меньшим коэффициентом применима для расчета примерной высоты штормовых волн и в пресных глубоких водоемах (Н=0,ЗУР).

Как перемещаются волны?

• Когда смотришь на волны, то кажется, что массы воды движутся поступательно, иногда со значительной скоростью. На самом деле частицы воды совершают круговое движение. Перемещается форма волны, сами же частицы смещаются лишь незначительно. В этом легко убедиться, наблюдая за поведением поплавка на волне. Хорошей имитацией волн может служить колебание хлебно­го поля при ветре.

Почему труднее оценить высоту волн с движущегося судна?

• Даже опытному наблюдателю трудно определить на глаз высоту с движущегося судна из-за отсутствия фиксированного уровня отсчета. При этом высоту волны легко переоценить, так как при ее подходе нос судна погружается в воду. Чаще всего ошибаются в сторону завышения высоты волн, так как при этом подсознательно к амплитуде волн дополняют и амплитуду килевого качания корабля.

Можно ли предсказать высоту волнения?

• Прогнозы высоты волнения ре­гулярно выпускаются специальными гидрометеорологически­ми службами морского, транспортного и торгового флота, а также службой штормового предупреждения. Если имеется достаточная информация о ветре, т. е. о длительности его действия, направлении, скорости и разгоне, то можно пред­сказать высоту волн, зыби и состояние поверхности моря на сутки и более вперед.

Почему опрокидываются гребни волн?

• Основание волны тормозится, так как встречается сопротивление частиц воды, движущихся навстречу волне. Гребень же, т. е. вершина, не имея сопро­тивления, движется практически быстрее основания; кроме того, на него действуют завихрения воздуха, поэтому он наклоняется в сторону движения и в конце концов опрокиды­вается.

Почему волны прибоя обычно почти параллельны берегу?

• Волны подходят к берегу под различными углами в зависимости от направления ветра. Но когда они достигают мелководья, то ближний к берегу край волны тормозится о дно сильнее, чем край дальний, догоняет его, и волна постепенно разворачивается параллельно берегу.

Только ли кинетической энергией волн вызывается повреждение волноломов?

• Когда в береговые расщелины ударяет большая волна, она действует как пневматический молот, так как при этом захватывается и сжимается до большого давления некоторый объем воздуха. По мнению специалистов, это давление может достигать 60—80 т/м² и производить впечатление взрыва.

Воздействуют ли волны на дно глубокого озера?

• С глубиной волновые движения быстро затухают и не оказывают воздействия на дно глубоко­водных районов/Считается, что на глубине, равной половине длины волны, волнение практически отсутствует. Вместе с тем волны оказывают значительное воздействие на дно, где глубина меньше половины их длины. Ученый А. 'Н. Уолтон-Бостон писал: «Волна встает на дыбы, как только почувству­ет, так сказать, почву под ногами—дно, а затем летит кувырком; разбиваясь на прибрежной отмели или рифах».

Над какой глубиной происходит опрокидывание волн (забурунивание)?

• У берегов оно начинается там, где глубины оказываются близкими к половине длины волн наката. В открытом Байкале забурунивание зависит от силы ветра. При скорости его в 7—8 м/с на вершинах волн начинают образовываться барашки, а при более сильном ветре (10—12 м/с и более) барашки и забурунивание происхо­дят почти на всех волнах.

Как образуются ветровые волны?

• При скорости ветра менее 1 м/с на спокойной поверхности водоема образуются волны ряби, или так называемые капиллярные волны. При усилении ветра до 4—5 м/с они возрастают и превращаются в гравитацион­ные волны—более крупные и заметные колебания водных частиц. Когда скорость ветра достигает 7—8 м/с, на верши­нах волн начинают образовываться барашки.

Что происходит с волнами после того, как стихает ветер?

• Они- становятся более плавными и пологими, уменьшается их высота. Изменения эти происхо­дят постепенно, и волны, становящиеся зыбью, продолжают свое движение, пока не достигнут берега. При этом они могут проделать путь в тысячи миль.

В течение какого срока после прекращения ветра происходит затухание волнения на Байкале?

• Это зависит от того, каким вет­ром оно вызвано. Волнение, вызванное продолжительными ветрами (култук, баргузин, верховик), после прекращения ветра затухает в течение полусуток. Волнение, вызванное местными (долинными) бризовыми ветрами, затухает через  2—3 часа после их прекращения. Однако на Байкале такого четкого расчленения ветров почти не бывает, особенно в осенне-зимнее время. В этот период ветры, сменяя друг друга, могут дуть в течение недели и более.

Почему при одинаковой скорости ветра на поверхности моря образуется больше барашков, чем на поверхности пресноводного озера?

• Исследования,    проведенные Е. С. Монаханом из Вудс-Холского океанографического ин­ститута, показали, что это объясняется присутствием соли в морской воде. Барашки состоят из множества пузырьков воздуха, образующихся при опрокидывании вершин волн. В соленой воде образуются более мелкие пузырьки, чем в пресной, она имеет несколько большую вязкость, и поэтому здесь пузырьки сохраняются дольше.

Можно ли кататься на прибойной волне на лодке?

• Довольно часто небольшие лод­ки могут двигаться вместе с прибойной волной в море, где волны более пологие и длинные.

В Байкале подобные эксперименты с весельными лодками обычно кончаются неприятностями, так как лодки заливает набегающими и опрокидывающимися гребнями волн. На быстроходных моторных лодках, которые имеют скорость, равную или близкую к скорости наката волн, их удается избежать сравнительно легко, но только опытным водителям.

Какова энергия волн, обрушивающихся на берег?

• Энергия волны равна одной восьмой произведения длины волны на квадрат ее высоты и

1У-1.-Л²   вес единицы объема воды:  Е= ——„——,   где  \У—вес

о

1 кубического фута воды (64 фунта).

В разных районах Байкала она колеблется в пересчете на метрическую систему: на 1 пог. м берега от 5—6 до 20 млн тонно-метров и более в год. Кинетическая энер­гия волн огромна. При ударе о берег волны высотой 1 м на одну милю побережья с периодом 10 с развивают мощ­ность более 35 тыс.л.с., или около 19 л.с. на 1 м берега. Вдоль Кругобайкальской железной дороги волнами неоднок­ратно разрушались мощные (до 3 м) железобетонные берегоукрепительные сооружения.

Известна гигантская разрушительная сила морских волн. На побережье Шотландии, например, волны выломали из пирса и передвинули сцементированный каменный блок весом 1350 т. Через 5 лет был снесен поставленный взамен прежне­го пирса блок весом 2600 т. Сила прибоя при ударе волн в этом месте побережья оказалась 29 т/м². На побережье Орегона волны забросили обломок скалы весом 60 кг на крышу маяка, расположенную на высоте 28 м над уровнем моря.

 Какого размера гальку могут перемещать волны?

• Береговые валы на Байкале вы­сотой до 3 м часто сложены мелкими валунами до 20—25 см в поперечнике—например, морской берег п-ва Святой Нос, юго-западный берег мыса Понгонье и др. Следовательно, волны могут не только перемещать, но и поднимать такие валуны на высоту до 3 м. На отдельных участках берегов, где происходит абразия ледниковых отложений, волны перемеща­ют глыбы до 2—3 м³ (район к востоку от устья Переемной, губа Понгонье и др.).

Что такое прибойные биения?

• Иногда волны зыби, возника­ющие в различных штормовых районах моря, но имеющие приблизительно одинаковую длину, достигают берега однов­ременно. При этом их гребни могут накладываться друг на друга и образовывать волну большой высоты. Если же волны складываются так, что гребень одной волны совпадает с ложбиной другой, то они гасят друг друга. Медленное повышение и понижение уровня, наблюдаемое на мелководье за счет периодического взаимного усиления и ослабления волн различных систем, называется прибойным биением. На Байкале приходилось наблюдать в районе Танхоя и так называемую квадратную волну или перекрестное волнение. Оно происходит также на мелководье. Два взаимоперпендику­лярных направления волн четко пересекают друг друга, образуя своими гребнями квадрат.

Что такое внутренние волны?

• Это волны, возникающие между слоями жидкости различной плотности. Если теплая вода лежит на более холодной и, следовательно, более плотной, то между ними образуется граница раздела, аналогичная границе между водной поверхностью и атмосферой. Поскольку разни­ца в плотности слоев воды значительно меньше разности плотности воздуха и воды, высота внутренних волн соответственно превосходит высоту поверхностных волн и может достигать сотен метров.

Для изучения внутренних волн на мелководных участках используют эстакады. В глубоководных районах их исследу­ют с помощью приборов, устанавливаемых на буйковых станциях или опускаемых с судна. Лучший метод исследова­ний внутренних волн—установка группы буйковых станций с приборами, помещенными на различных горизонтах. Внутрен­ние волны способствуют перемешиванию воды в Байкале.

Что такое сейши?

• Сейши, или, как их иногда назы­вают, внутренние волны,—это стоячие колебания воды, возникающие под действием внешних сил—резкого измене­ния атмосферного давления, ветра, сейсмических явлений и др. При сейшах происходит колебательное движение всей массы воды, причем всегда существует одна или несколько линий, в которых уровень не меняется; они называются узлами сейши, или узловыми линиями. Сейши могут быть одноузловыми, двухузловыми и т. д. Период сейши в замкну-

21 том водоеме определяют по формуле:   Г=  -.—, —-,  где

1— длина водоема, Л/^-с!—   скорость длинной волны, п—по­рядковый номер волны.

Сейши различаются по периоду колебания, по их амплиту­де. Например, наиболее часто встречаются на Байкале сейши (впервые выявленные Г. Ю. Верещагиным), которые имеют период в 4 ч. 54 мин., т. е. через каждый такой промежуток уровень воды принимает свое исходное положение. Периодич­ность сейш зависит от размера и формы котловины водоема, его глубины и рельефа дна. В южной части Байкала, например, хорошо прослежена одноузловая сейша с периодом в 4 ч. 38,4 мин. и амплитудой в районе пос. Култук около 14 см. В северной части озера амплитуда ее на 40% меньше. Прослежена также сейша с периодом 2 ч. 33 мин., 1 ч. и др. Узел первой сейши находится в 280 км от Култука, других сейш—в 130, 360 и 540 км от этого же пункта. Сейши бывают во все времена года, в том числе и зимой. Они имеют сезонный ход амплитуд с двумя максимумами: в январе— феврале и в июне; с двумя минимумами—в конце марта— апреле и в сентябре—октябре. Причины, вызывающие сейши зимой, практически одни и те же, с той лишь разницей, что ледовый покров препятствует интенсивному ветровому пере­мешиванию поверхностных горизонтов воды.

Что такое мертвая вода?

• В районах речного стока слой теплой пресной воды иногда лежит на более плотной водной массе—либо более холодной, либо соленой. В тех случаях, когда толщина этого верхнего слоя примерно равна осадке судна, винт на малом ходу возбуждает внутренние волны. При этом энергия, которая в обычных условиях расходуется на продвижение судна вперед, тратится на поддержание внутренних волн, и судно почти перестает двигаться. Явление «мертвой воды» исчезает уже при небольшом увеличении скорости. На Байкале чаще, чем в других местах, мертвая вода бывает на Селенгинском мелководье, обычно в июне, когда температура воды в Байкале еще достаточно низкая, а вода в Селенге уже успевает хорошо прогреться. При этом речная вода растекается по Байкалу, и на протяжении от 1 до 7 км возникают слои мертвой воды. Такое явление возможно и в открытом озере. Летом, в штилевую погоду, когда температура воды в Байкале ниже 4°, а вода Селенги достигает 10—15° С, острова теплой воды реки мигрируют по поверхности на довольно значительные расстояния, иногда достигая истока Ангары.

Что такое цунами?

• Этим японским словом называ­ют морские волны сейсмического происхождения. Волны цунами вызываются подводными землетрясениями, изверже­ниями подводных вулканов и подводными оползнями. Они возникают в основном в глубоководных впадинах на окраине Тихого океана. На Байкале подводные землетрясения бывают довольно часто. Так, в августе 1959 г. произошло подводное землетрясение в районе средней котловины озера. Сила землетрясения в эпицентре, который был расположен под водой в 10—20 км от восточного берега Байкала, севернее дельты Селенги, достигала 9,5—10 баллов (по 12-балльной шкале). Это землетрясение относится к разрушительным, и его ощущали, например, в Иркутске, более чем в 200 км от эпицентра. Многие кирпичные дома дали трещины. В океане такое землетрясение, как правило, рождает цунами. Однако на Байкале волн цунами при этих землетрясениях не было отмечено. Правда, и службы цунами на Байкале нет. Но энергия волн бывает достаточной для рождения волн цунами. И если возникнет ситуация, при которой появятся цунами, высота их может достигать нескольких метров, в зависимости от района и рельефа прибрежного дна.

Что такое приливы?

• Непрерывные   периодические подъемы и опускания уровня моря, происходящие у побере­жий или в открытом море. У большинства побережий один прилив сменяется другим через 12 ч. 25 мин., но в некоторых местах период приливных колебаний уровня может быть большим, например на побережье Мексиканского залива он составляет 24 ч. 50 мин. Подъемы и опускания уровня моря у побережий создаются очень длинными волнами: полной воде соответствует гребень волны, малой воде—подошва волны. Самые большие поднятия уровня воды в Байкале, вызванные приливами, достигают 3,2 см. Чаще всего суточные колебания уровня от приливов и отливов имеют амплитуду 2—Зсм. Впервые вопросом о приливах на Байкале по поручению Т. П. Кравца занимался А. П. Екимов. Для этого были ис­пользованы мареограммы (лимниграммы) колебания уровня воды в Байкале. Такие данные за ряд лет были накоплены в магнитно-метеорологической обсерватории. Но их оказалось недостаточно. Было решено провести исследования с по­мощью экспериментальной физической модели озера, которая и была построена в уменьшенном масштабе (по горизонтали 1:600000, по вертикали 1:11000). Длина модели по тальвегу была 120 см, средняя глубина—6 см. Первые результаты были изложены в 1926 г. в Трудах Иркутской магнитной и метеорологической обсерватории. Расширение исследований по распределению амплитуд приливной волны в разных точках акватории Байкала было выполнено И. А. Парфиано-вичем.

Позднее, уже в 30-е годы, при разработке проекта Иркут­ской ГЭС на Ангаре по просьбе Лимнологической станции АН СССР ученые Т. П. Кравец и А. С. Топорец провели исследование распространения сейш на Ангаре. В результате была разработана теория распространения сейшевых волн по реке.

Отчего возникают приливы?

• Причина    приливов—взаимо­действие Солнца, Луны и Земли. Наибольшее воздействие на приливы оказывает Луна. Когда Солнце, Земля и Луна располагаются вдоль одной прямой (что соответствует полно­лунию или новолунию), взаимодействие Луны и Солнца усиливается и возникают особенно высокие сизигийные при­ливы. Когда Солнце и Луна наблюдаются с Земли под прямым углом (при этом Луна находится в первой или третьей четверти), взаимодействие Луны и Солнца частично гасится, и амплитуда прилива уменьшается. Такой прилив называют квадратурным. На Байкале сизигийный прилив достигает  высоты 3,2 см, а квадратурный—около 2 см. Впервые связь приливов с Луной установил Аристотель. В 350 г. до н. э. он писал: «Говорят еще, что многие отливы и приливы в море всегда изменяются вместе с Луной и в некоторые определен­ные дни». Вскоре после начала нашей эры римский ученый Плиний установил точное соответствие между фазами Луны и приливами.

Сколько длятся приливные сутки?

• Приливными, или лунными, сут­ками называется время оборота Земли относительно Луны, иначе говоря, интервал между двумя последовательными прохождениями Луны через местный меридиан. Длительность средних приливных суток составляет примерно 28,84 солнеч­ных часа.

Каким образом получают сведения о поверхностных течениях?

• На Байкале исследования повер­хностных течений начались с организацией на озере Лимноло­гической станции АН СССР. Исследования проводятся систе­матически с помощью специальных вертушек, различного рода поплавков и бутылочной почты, а также дрейфа льдов как по прямым наблюдениям, так и по аэрофотоснимкам и снимкам из космоса. Сведения о морских поверхностных течениях получены от торговых судов, плававших по всем морям и океанам. В XX в. крупные морские страны организо­вали исследования течений специально оборудованными судами.

Что такое дрейфовые течения?

• Течения, вызванные главным образом ветром. Проявляются они в поверхностных слоях воды и с глубиной быстро затухают; в Байкале прослежива­ются до глубины 15—20 м. В навигацию такие течения вызывают смещение судов—их дрейф.

Что такое геострофические течения?

• Стационарные течения, сохраня­ющие свои основные черты (положение, направление, ско­рость) в течение длительного времени. Они вызваны воздей­ствием внешних факторов и отклоняющих сил вращения планеты. В Байкале эти течения охватывают как все озеро, так и отдельные котловины и действуют в течение всего года. В океанах к геострофическим течениям относят крупнейшие системы течений—Гольфстрим, Куросио, Перуанское и ДР.

Эти течения переносят огромные массы воды, оказывают большое влияние на погоду, осадкообразование и др. В Байкале главным образом за счет этих течений водообмен между средней и южной котловинами достигает 80—90 км³ в год.

Измерения, проведенные специальными вертушками, пока­зали, что максимальные значения скоростей течений изменя­ются с глубиной следующим образом: на глубине 10 м—96— 142 см/с; 50 м—56 см/с; 250 м—30 см/с; 675 м—12 см/с;

1000 м—8 см/с; 1200 м—6 см/с. Под слоем температурного скачка около подводного Академического хребта, на глубине 50 м, скорость достигала 146 см/с. Исследованиями установ­лено, что все три котловины озера (южная, средняя, север­ная)  охвачены циркуляционными  течениями—циклони­ческими макроциркуляциями. Внутри их существуют более мелкие циркуляции, размеры и направление движения воды в них менее устойчивы.

Какова роль течений в жизни Байкала?

• Градиентные  циркуляционные течения обеспечивают горизонтальное перемешивание воды внутри котловины и обмен водных масс между котловинами озера. Но в связи со сложностью рельефа байкальского дна циркуляционные течения играют большую роль и в верти­кальном перемешивании воды. Самые сильные циркуляцион­ные течения наблюдаются на перемычках между котловина­ми, а в период штормов—на прибрежных мелководьях.

Чем вызываются циркуляции вод в Байкале?

• Ветром, приливами и отклоня­ющей силой вращения Земли, притоком воды из рек и стоком в Ангару, неравномерностью распределения атмосферного давления. На характер и скорость циркуляции влияют также глубины водоема, топография дна и очертания береговой линии. В котловине Байкала в осенне-зимний период преобла­дают продольные ветры (верховик, баргузин, култук), они усиливают межкотловинный перенос водных масс и общебай­кальскую циркуляцию. Поперечные ветры (горная, шелонник) усиливают внутрикотловинную циркуляцию.

Зачем нужны сведения о глубинных течениях?

 • Для оценки масштабов переме­шивания воды в пространстве и определения направления перемещения загрязнений, попадающих в водоем. В послед­ние годы практикуется выброс и захоронение радиоактивных отходов в океаны. У ученых возникли опасения, что со временем эти отходы снова будут вынесены на поверхность и в прибрежные районы. Для того чтобы быть уверенным в безопасности или опасности подобных захоронений, также нужно знать глубинные течения в океанах.

Что представляет собой разрывное течение?

• Сточное течение в виде локали­зованных струй, прорывающихся сквозь прибой от берега. Возникает оно у наветренных берегов, куда доходят особенно высокие волны. Разрывные течения на Байкале возникают также при встрече вдольберегового потока с выступающими в озеро мысами или скалами, под влиянием которых течение изменяет направление и устремляется в набегающую волну. Разрывные течения обладают достаточно большими скоростя­ми и могут не только переносить обломочный материал из береговой зоны в озеро, но и размывать коренное дно.

До каких глубин распространяется ветровое перемешивание воды в Байкале?

• До глубины 200—250 м. В этом поверхностном слое воды сосредоточено наибольшее количе­ство живых организмов в Байкале.

Сколько времени должен действовать ветер, чтобы создать течение?

• Для формирования направленно­го течения необходимая продолжительность ветра не одинако­ва для разных водоемов. В мелководных озерах течение формируется за несколько часов. В морях и океанах, а также в Байкале ветер в зависимости от его силы должен действо­вать непрерывно от нескольких часов до полусуток, прежде чем установится ветровое течение. На его формирование оказывают влияние и другие факторы. Скорость установив­шегося течения при этом обычно составляет менее 2% от скорости ветра, на широте 60°—1,4%. По исследованиям Виттинга, на Ладожском озере связь между скоростями ветра и течения выражается формулой: У=0,48Л/\У.

Почему различия в плотности воды порождают течения?

• Плотность теплых вод меньше, и уровень поверхности на какую-то величину (до 0,5 м) выше уровня района холодных и более плотных вод. Возникающий уклон поверхности порождает течения, направленные из области с низкой в область с высокой плотностью. Плотность морской воды растет с увеличением солености и уменьшением температуры воды. Такие различия порождают как горизон­тальные, так и вертикальные движения воды, вызывающие изменения в поверхностных течениях. Подобные явления наблюдаются в Арктике и Антарктике: там охлаждающиеся воды высокой солености опускаются на глубину и распро­страняются вдоль дна на большие расстояния.

Что такое турбулентное перемешивание?

• Неупорядоченное движение во­ды, в котором скорости и давления претерпевают хаотические изменения. Однако они распределены так, что можно опреде­лить их статистические достоверные средние значения. В Байкале отмечается слабое турбулентное перемешивание.

Есть ли турбулентные движения воды в придонных слоях Байкала?

• В Байкале придонные слои воды имеют температуру на 0,28—0,38° выше той, которая должна быть на данной глубине. А по измерениям Г. Ю. Верещагина, в районе Лиственичного в 1934 г. на глубине 1100 м темпера­тура была выше теоретической. Различие вызвано, вероятно, подогревом воды глубинным теплом Земли. Под воздействием этого энергетического источника в Байкале существует тур­булентное вертикальное перемешивание. В придонных слоях имеется так называемое безразличное равновесие воды, кото­рое при воздействии даже незначительных внешних сил приобретает некоторую упорядоченность и направленность. Особенно часто это может возникать при мутьевых потоках, способствуя распространению прибрежных донных отложе­ний на большой площади дна озера.

Как часто происходит обмен воды в Байкале?

• В среднем водообмен в озере происходит за 383 года. Но так как внутри котловины Байкала также наблюдается водообмен и перемешивание, при этом в каждую из котловин притоки приносят неодинаковое количество воды, то водообмен в них завершается за разные периоды.

Что такое сила Кориолиса?

• Это сила инерции, или поворот­ное ускорение. Одним из ее проявлений является отклоня­ющая сила, возникающая за счет вращения Земли и действу­ющая на любую движущуюся частицу. В результате этой силы движение воды в озере или в реках отклоняется вправо в северном полушарии и влево—в южном. Сила Кориолиса в Байкале поддерживает постоянную циркуляцию водных масс как во всем озере, так и внутри котловин.

Что такое спираль Экмана и прослеживается ли она на Байкале?

• Это графическое выражение те­ории океанских течений, разработанной шведским ученым-физиком Вальфридом Экманом. Согласно этой теории, ветер, постоянно дующий над безграничным однородным океаном бесконечной глубины, создает дрейфовое течение, направлен­ное в поверхностном слое под углом 45° вправо от направле­ния ветра (в северном полушарии). На больших глубинах течение все больше отклоняется вправо, так что на некоторой глубине (порядка 100 м) вода должна двигаться в сторону, противоположную направлению ветра. При этом скорость течения с глубиной уменьшается, так что кривая, описыва­емая концом вектора скорости, по мере увеличения глубины представляет собой спираль. Она и вошла в науку под названием спираль Экмана. Теория, разработанная Экманом, в одинаковой мере приложима и к Байкалу, где просторы обширные, а глубина для таких исследований считается бесконечной.

Что такое спираль Лангмюра и как она прослеживается ва водоеме?

• Спираль Лангмюра, или лангмю-ровы вихри,—это спиралеобразные вихревые движения воды с горизонтальной осью. Они формируются в водоемах ветром. Размеры вихрей находятся в прямой зависимости от толщины поверхности изотермического слоя и силы ветра. Смежные вихри имеют противоположное направление вращения.

На поверхности воды в зоне контакта двух соседних вихрей в виде параллельных полос обычно скапливаются плавающие предметы, по которым можно визуально устано­вить границы вихрей. Здесь же происходит скопление план­ктонных и нейстонных организмов.

Как прослеживают перемещение водных масс?

• Пресные воды, где солевой со­став незначителен, прослеживают по сочетанию цвета и температуры. Например, воды Селенги можно обнаружить в Байкале иногда за сотню километров от места их впадения в озеро.

Можно ли проследить за движением водных масс и выявить границы течений по содержанию кислорода и других химических элементов?

• Изучение распространения по­верхностных речных вод в Байкале проводили по распределе нию трития. Исследование распространения промышленных стоков Байкальского целлюлозного завода изучали по распро­странению радиоактивного изотопа золота. То же можно осуществить и по другим химическим элементам. Распростра­нение различных типов вод можно проводить и по исследова­нию содержания кислорода. Этот метод чаще применяют океанологи. По мере опускания водной массы ниже зоны фотосинтеза, в которой вырабатывается кислород, его содер­жание в воде постепенно уменьшается за счет расхода на дыхание животных и на окисление органических веществ. Чем медленнее опускается водная масса, тем значительнее становится дефицит кислорода. Измерение содержания кисло­рода на больших пространствах позволяет океанологам прос­ледить границы течения.

Как определяют возраст воды?

• Прямых определений возраста воды в Байкале пока что мало. В последнее время наряду с изотопом С¹⁴ исследуют концентрацию трития в воде. Как известно, тритий рождается в атмосфере и с атмосферными осадками попадает в реки и водоемы. Период полураспада трития 12,46 года. По концентрации этого вещества и устанав­ливают возраст и распределение в озере речной воды. Косвенные исследования и определение по С¹⁴ позволяют высказать предположение, что максимальный возраст воды в озере около 400 лет. Но в каждой котловине он разный: в южной котловине—66 лет, в средней—132 года и в север­ной—225 лет.

Что такое стагнация?

• Это застойное состояние водо­ема, когда в водной толще отсутствует энергичная вертикаль­ная циркуляция и вода стратифицируется (расслаивается). Стратификация может быть по плотности, температуре, соле­ности. При сформировавшемся слое скачка температуры в Байкале перемешивание воды происходит главным образом в верхних ее горизонтах, расположенных под этим слоем.

Что такое апвеллинг?

• Это восходящие течения воды, возникающие при подходе глубинных течений к берегу (мелководью). Эти течения приносят к поверхности глубин­ные воды, богатые биогенными элементами, обеспечивая бурное развитие жизни в этих районах. На Байкале их подъем наблюдается у подветренных берегов при сгонно-нагонных ветровых течениях. Особенно четко прослеживается апвел­линг вдоль западных и северо-западных берегов Байкала.

Что такое даунвеллинг где его можно наблюдать на Байкале?

• В отличие от апвеллинга, харак­теризующего подъем глубинных вод к поверхности, даунвел­линг—это нисходящий поток водных масс, возникающий на границе раздела теплых и холодных вод. В океанах даунвел­линг (погружение холодных вод на большие глубины, где в придонных слоях они растекаются на большие расстояния и доходят до низких широт) наблюдается, например, в приб­режных районах Антарктиды. Даунвеллинг на Байкале осо­бенно интенсивен на наветренных берегах, в период, когда температура поверхностных слоев воды близка к температуре наибольшей плотности.

Гидрофизика

Чем вызывается изменение цвета воды в Байкале?

• Цвет воды в Байкале, как и в море, зависит от присутствия взвешенных в нем частиц, от глубины, состояния неба и характера облачного покрова, высоты стояния солнца и т. д. В открытом Байкале вода обычно синего цвета. Вблизи берегов или в придельтовых участках крупных рек—голубовато-серая либо зеленоватая из-за присутствия в ней частиц желтого цвета или буровато-коричневая за счет цвета речных вод, приносящих коричне­вые взвешенные илистые частицы или растворенные гумино-вые вещества, как, например, в придельтовой части В. Анга­ры. Зеленоватый цвет воде придают зеленые и диатомовые водоросли, бурый цвет—массовое развитие водорослей буро­го цвета в период их цветения, которое бывает обычно весной (часто под ледовым покровом). Цвет воды меняется также, когда солнце скрывается за облаками или вновь появляется в просветах.

Что такое шкала Фореля?

• Шкала Фореля—это эталон от­тенков желтого, зеленого и голубого цветов. Она служит для визуального определения цвета озерной и морской воды. Цвет воды определяется сравнением с цветом эталонных раство­ров, запаянных в стеклянных ампулах, на белом фоне диска Секки. Эталонные растворы получают при смешивании в различных пропорциях двух солей: сульфата-аммония меди (медный купорос с нашатырным спиртом) и нейтрального хромовокислого калия. В шкале Фореля было 11 ампул с различными эталонами цвета, в шкале, употребляемой в СССР, 22 ампулы, и ее называют шкалой цветов воды.

Как измеряется прозрачность воды?

• В озерах для приблизительной оценки прозрачности пользуются диском Секки. Это белый металлический диск диаметром 30 см. Его опускают в воду до тех пор, пока он не скроется из виду. Эта глубина и считается прозрачностью. Впервые прозрачность воды с помощью белой фарфоровой тарелки измерили моряки ВМС США в 1804 г. в Средиземном море. Опущенная тарелка была видна до глубины 44 м.

В последние годы для определения прозрачности применя­ется целый ряд электронных прозрачномеров, которые позво­ляют определить прозрачность воды на любой глубине, а результаты записать на самопишущих приборах.

Почему в Байкале вода такая прозрачная?

• Байкальская вода содержит ма­ло растворенных и взвешенных веществ, поэтому прозрач­ность превосходит все озерные водоемы мира и приближается к прозрачности вод океанов.

Где в Байкале самая прозрачная вода?

• В районе наибольших глубин в южной и средней котловинах. Причем самая большая проз­рачность, или самый малый коэффициент ослабления светово­го потока, не в поверхностных слоях воды, а на глубинах от 250—300 до 1000—1200 м.

Эталоном самой высокой прозрачности считалась вода Саргассова моря, находящегося в центре Северной Атланти­ки, приближающаяся к прозрачности дистиллированной воды. Здесь диск Секки исчезает из виду на рекордной глубине— 65 м. В Байкале по диску Секки прозрачность считалась до 40 м. Однако исследования с помощью электронных прозрач­номеров показали, что на глубинах 250—1200 м прозрачность байкальской воды не меньше, чем в Саргассовом море.

Почему гранила между мутными паводковыми речными водами и озерной водой резко очерчена?

• В момент, когда температура речных вод выше 4° С, а воды в Байкале меньше 4° С, зона контакта этих вод не превышает 1—2 м даже при шторме. Речная вода, охлаждающаяся в зоне контакта до температу­ры максимальной плотности, опускается вертикально вниз, образуя резкую границу раздела. При боковом освещении стена мутных паводковых вод видна со стороны прозрачной воды озера до глубины 10—15 м и более.

 До какой глубины проникает свет в воду Байкала?

• До сих пор было принято счи­тать, что до 100 м. Последние исследования из космоса со спутников показывают, что на фотоснимках виден рельеф байкальского дна и на значительно большей глубине—до 500 м. В таком случае следует предполагать, что свет может проникать до 1000 м, т. е. до глубины, на порядок большей, чем считалось до сих пор. Так ли это—требуются дополни­тельные исследования.

Акванавты утверждают, что на глубинах до 800 м привык­ший к темноте человеческий глаз может определить проник­новение дневного света. Его полное исчезновение, регистри­руемое чувствительной фотопластинкой, происходит на глуби­нах, превышающих 1500 м.

Что такое глубинный рассеивающий слой?

• Это слой воды, в котором содер­жится большое количество живых организмов. В морях в дневное время глубинный рассеивающий слой фиксируют на глубине от 200 до 500 м и более, ночью он поднимается к поверхности. В Байкале также происходит скопление организ­мов в дневное время на глубинах до 150—200 м, а ночью они поднимаются к поверхности (суточные вертикальные мигра­ции). При поисках косяков рыбы с помощью эхолота с фишлуной ясно вырисовывались рассеивающие слои на глуби­нах 50—150 м. Вероятно, это скопление планктонных рачков и, возможно, косяков промысловых пелагических рыб— омуля и бычка-желтокрылки, а возможно, и молоди голомя­нок.

Почему подводные объекты кажутся аквалангистам более крупными, чем они есть на самом деле?

• Аквалангистам, пользующимся маской с плоским стеклом, подводные объекты кажутся увеличенными примерно на 30%. Это вызвано различием коэффициентов преломления света в воде и в воздухе, заключенном в маске. Аквалангист к этому привыкает и бессознательно вводит соответствующую поправку. Однако при подводной фотографии возникают серьезные трудности. Для того чтобы устранить искажение объекта, стекла в подводных фотобоксах делают изогнутыми. Специальным подбором кривизны стекла можно добиться того, что искаже­ния будут минимальными.

Какое влияние на Байкал оказывает солнечная радиация?

• Она формирует погоду и климат котловины, обеспечивает фотосинтез и регулирует его ско­рость у водных растительных организмов, которые являются прямым или косвенным источником пищи для всех водных животных. Солнечная радиация оказывает влияние на размно­жение, поведение и миграции водных животных, дает им возможность видеть под водой и т. д.

Какая часть солнечной радиации проникает в воду Байкала?

• Более 60% солнечной энергии поглощается в верхнем метровом слое воды, а более 80%—в верхних 10 м. На глубине 50 м интенсивность света составля­ет лишь 5% освещенности на поверхности. В прибрежных и мутных водах поглощение значительно сильнее. Глубже всего проникает излучение как раз тех длин волн, которые нужны растениям для фотосинтеза.

Какие факторы определяют глубину проникновения в водную толщу солнечного света?

• Важнейшим фактором является мутность, т. е. количество взвешенных в воде твердых частиц неорганического и органического происхождения, включая осадочный материал, фито- и зоопланктон и микроорганизмы. Большое значение имеет и высота Солнца над горизонтом:

глубже всего свет проникает в полдень.

Очень заметно влияют загрязнения, особенно нефтепро­дуктами. Нефтяная пленка на поверхности воды в десятки и сотни раз ослабляет интенсивность проникающего в водную толщу света.

Как изменяется спектральный состав проникающего в воду света?

• Спектральный состав проника­ющего света зависит от чистоты и прозрачности воды. В поверхностных слоях задерживается длинноволновая ради­ация, глубже всего проникает коротковолновая радиация, поэтому в подводном пространстве в первую очередь исчеза­ют тепловые инфракрасные, красные, оранжевые лучи. Наи­более глубоко проникают синие, фиолетовые и ультрафиоле­товые излучения. При наличии взвешенных частиц происхо­дит рассеивание света и снижается глубина его проникнове­ния в толщину воды. Но даже тонкая корочка льда толщиной 1—2 мм на воде практически полностью задерживает все тепловые лучи. Это играет очень большую роль для нагрева­ния воды подо льдом: возникает так называемый парниковый эффект. Вода под ледяным покровом в Байкале прогревается до 1° С и выше за счет задержки излучения из воды длинноволновой радиации, способствуя ускорению разруше­ния льда снизу.

В Байкале глубина проникновения света определяется интенсивностью развития зоо- и фитопланктона и количе­ством взвешенных частиц. В приустьевых участках крупных рек глубина проникновения света снижается из-за большого количества взвешенных частиц, выносимых реками.

Что такое эвфотвчсская зона?

• Верхний слой воды в водоеме, куда проникает достаточное количество света, необходимого для фотосинтеза и размножения водорослей. В ее пределах фотосинтез ограничен наличием питательных веществ. При благоприятных условиях биомасса фитопланктона может уве­личиться за сутки в 2—3 раза.

Какова плотность байкальской воды?

• Ее минерализация ничтожна, и плотность близка к плотности дистиллированной воды, равна 1, так как и среднегодовая температура воды в озере около 4,0° С, т. е. близка к температуре максимальной плотности пресной воды. Плотность воды на дне Байкала, в районе максимальных глубин, на 0,64% больше, чем на поверхности озера.

Как измеряется плотность воды?

• Плотность воды в Байкале обычно измеряется ареометром. В открытом океане, где требуется высокая точность, плотность не измеряется, а рассчитывается по температуре, солености и давлению (глу­бине).

Зачем лимнологам нужны исследования плотности воды?

• Знание вертикального распреде­ления плотности воды в озере, как и в морских водоемах, позволяет рассчитывать направление и скорость течений. Оно также необходимо для определения устойчивости водной массы. Если более плотная вода лежит выше менее плотной, то совершенно естественно происходит перемешивание вод­ных масс. Это особенно важно знать в меромиктических озерах с разной концентрацией солей, биогенных элементов и органических веществ, чтобы прогнозировать их состояние и использование ресурсов.

Сжимаема ли озерная вода?

• Пресная вода, как и морская, практически несжимаема (коэффициент сжимаемости состав­ляет всего 0,000046 на 1 бар при нормальных условиях). Под действием давления молекулы воды несколько сближаются друг с другом, вследствие чего плотность ее немного увеличи­вается. Если бы вода была абсолютно несжимаемой, то уровень воды в Байкале оказался бы на 4,5 м выше.

С какой скоростью распространяется звук в воде?

• Скорость звука в воде зависит от температуры, солености в давления. При температуре 25° С, например, скорость равна 1496 м/с. В морской воде звук распространяется в 4,5 раза быстрее, чем в воздухе. С повышением любого из упомянутых факторов (температуры, солености, давления) скорость звука в воде возрастает. При действии всех причин в среднем скорость распространения звука в пресной воде около 1450 м/с, а в морской—около 1500 м/с.

На какое расстояние может распространяться звук в воде?

• Сведений об исследованиях по­добного рода в пресной воде нет. В океанах звуковые колебания, возникшие при подводном взрыве, произведенном исследовательским судном Колумбийского университета «Вема» в 1960 г., были зарегистрированы на расстоянии 12 тыс. миль. В подводном звуковом канале у побережья Австралии была взорвана глубинная бомба, и примерно через 144 мин звуковые колебания достигли Бермудских островов, т. е. почти противоположной точки земного шара.

Что такое звуковой канал?

• На некоторой глубине под по­верхностью воды находится слой, в котором звук распростра­няется с наименьшей потерей энергии. Выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже увеличивается из-за увеличения с глубиной гидроста­тического давления. Этот слой представляет собой своеобраз­ный подводный звуковой канал. Звуковая волна, или луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз вследствие рефракции, стремится вернуться обратно в канал. Возбужда­емые в канале волны не могут из него выйти. Попав в такой  канал, звук может пройти тысячи миль. Звуковой канал используется для сверхдальней подводной связи. Есть пред­положение биологов, что крупные водные млекопитающие (киты) используют этот канал для связи со своими сородича­ми, находящимися на далеком расстоянии друг от друга. Не исключено, что байкальская нерпа, а может быть, и рыбы в озере поддерживают связь, используя такой канал.

Что такое рефракция и отражение Звуковых волн?

• Рефракция—это   искривление направления звука в воде из-за изменения его скорости. Вследствие различий в плотности морской воды звуковые волны не распространяются прямолинейно. Кроме того, звуковая энергия рассеивается на взвесях и водных организ­мах, отражается от поверхности и дна и ослабляется при прохождении сквозь толщу воды.

На Байкале, как и вообще в пресных водоемах, гидроаку­стика пока разрабатывается недостаточно.

Насколько увеличивается давление с глубиной?

• Через каждые 10 м давление увеличивается на 1 атм. (примерно на 1 кг/см²). На глубине 1000 м давление составляет около 100 атм. Этого, как счита­ют некоторые авторы, достаточно, чтобы сжать кусок дерева до половины его начального объема, так что он начнет тонуть. Однако это распространяется не на все породы древесины. Опыт, проведенный на Байкале с сухой сосновой древесиной, показал, что после извлечения с глубины 1500 м, где древесина подвергалась давлению более чем 150 атм. и выдерживалась в течение получаса, она сохранила плаву­честь, но уменьшилась в объеме на 25—30%. На дне Байкала, в районе наибольших глубин (1637 м), давление 164,7 атм.

Гидрохимия

Каков химический состав воды Байкала?

• Средний ионный состав воды Байкала, по Г. Ю. Верещагину, К. К. Вотинцеву, составляет:

гидрокарбонаты (НСОз-)—66,5, сульфаты (50 4²)—5,2, хлор (СО—0,6, кальций (Са²⁴")—^^, магний (Ме^—З,!, натрий (Ка^—З.З, калий (К^—2,0, нитраты (М0з-)—0,3—0,5, фосфаты (Р04³")— 0,02— 0,06, карбонаты (СОз¹~)—0,6— 0,06, силикаты и кремниевая кислота (810 г)—1,6—5,5, алю­миний (А1³⁴')—следы, железо (Ре)—0,02—0,03, кислород (О 2)—9,6—14,4, азот (N2)—16,8—22,4, свободная углекисло­та (С02)— 0,44— 5,28, марганец (Мп)—0,0012—0,0023; же­сткость—1,039 мг-экв.; сумма ионов—96,7 мг/л.

Какова общая минерализация воды в Байкале?

• Общая минерализация воды в Байкале составляет 120 мг/л, суммарное содержание ионов в воде озера—96,7 мг/л. Для сравнения заметим, что среднее содержание ионов по всем притокам Байкала—107,9, а общая минерализация—128,2 мг/л, т. е. различия сравнительно неве­лики.

Какова масса веществ, растворенных в Байкале?

• В 1 л воды содержится 120 мг различных веществ, или 120 г/м³. В Байкале 23 трлн м³ воды, следовательно, общая масса растворенных веществ составля­ет 2,76 млрд т.

Каковы физико-химические свойства воды?

• 1. Вода—это прозрачная жид­кость без запаха, вкуса, а в малом объеме и без цвета. Молекулярная масса воды—18,0160, химическая формула— Н20. Максимальная плотность дистиллированной воды— 1 г/см³ при температуре 3,982° С и нормальном давлении 1 атм.

2. Вода—единственное известное нам вещество, которое встречается в естественных условиях на поверхности Земли в твердом, жидком и газообразном состоянии.

3. Вода—уникальный растворитель. Она растворяет боль­ше солей и прочих веществ, чем любая другая жидкость.

4. Воду очень трудно окислить, сжечь или разложить на составные части. Вода—химически стойкое вещество.

5. Вода окисляет почти все металлы и разрушает даже самые твердые горные породы.

6. Вода имеет редкую способность при замерзании расши­ряться, вследствие чего лед плавает на воде, остающейся в жидкой фазе. Только немногие вещества (висмут, галлий, германий и др.) имеют такую же аномалию, при которой твердая фаза легче жидкой.

7. Вода в форме сферических капель имеет наименьшую поверхность при заданном объеме. Поверхностное натяжение (на границе с воздухом при 20° С равно 72,75 дин/см) является необходимым условием капиллярных процессов, столь важ­ных для жизнедеятельности растений и животных.

8. Пресная вода замерзает не при температуре наиболь­шей плотности (4° С), а при 0° С.

9. Вода обладает способностью поглощать большое коли­чество теплоты и сравнительно мало при этом нагреваться. У воды очень высокая скрытая теплота плавления льда (79 кал/г) и испарения (539 кал/г при 100° С), т. е. она погло­щает значительное количество дополнительной теплоты при неизменности температуры в процессе замерзания и при кипении.

10. Дистиллированная вода очень плохо проводит электри­ческий ток, но даже весьма малые добавки содей превращают ее в хороший проводник.

11. Удельная теплоемкость воды выше, чем у большин­ства    веществ   (кроме   водорода  и  аммиака):   при 100° С=0,487 кал/гтрад, а при 15° С= 1,000 кал/гтрад. Плавле­ние льда сопровождается увеличением его удельной теплоем­кости почти вдвое. С повышением температуры теплоемкость воды уменьшается и только после 40° С начинает увеличи­ваться.

12. Температура замерзания воды понижается при увели­чении давления примерно на 1° С на каждые 130 атм. и достигает минимума (-22° С) при давлении 2200 атм. При дальнейшем увеличении давления температура замерзания увеличивается и может стать выше 0° (при очень большом давлении).

13. Температура кипения воды равна 100° С при нормаль­ном давлении 1 атм., но, учитывая, что водород кипит при -253° С, а кислород—при -180° С, вода должна кипеть в пределах от -100 до -150° С.

14. Диэлектрическая проницаемость воды (Е в единицах СГСЭ) 81,0 при 20° С (это объясняет наличие у воды особых свойств, в частности способности растворять многие веще­ства). У большинства других тел она находится в пределах 2—3, за исключением ряда кислот (муравьиная—58, аце­тон—21) и цианистого водорода, у которого диэлектрическая проницаемость 107.

15. Коэффициент преломления света в воде при 20° С =1,3330, в то время как по волновой теории света (п=Л/Е) он должен быть равен 9.

16. Вода способна к полимеризации—соединению боль­шого числа молекул обычной воды. Такая поливода имеет ряд совершенно новых физических свойств, в частности, она кипит при температуре в 4—5 раз более высокой, чем обычная.

17. Скорость звука в пресной воде около 1450 м/с, в морской при 25° С—1496 м/с.

18. Вязкость при 20° С =1,005 сантипуаза (спз). При 0° С вязкость чистой воды 1,789 спз, а при 100° С—только 0,282, т. е. в 6 раз меньше. Вязкость водяного пара при 15° С всего 0,006 спз, т. е. значительно меньше, чем у воды при той же температуре.

19. рН дистиллированной воды при 20° С =7. При нагрева­нии рН уменьшается и при 100° С, например, рН==6.

20. При давлении 1 атм. и температуре 100° С из 1 л воды образуется 1600 л пара.

У воды есть и ряд других свойств, которые уже известны и которые еще предстоит узнать.

см. Продолжение>>>

12345678 на главную>>>