Дані спостережень на батиметричних станціях Південної Атлантики

 

Варіант 1 № ст.648590 φ-34o25.02 λ-51o34.98 дата01-17-72 час17:00	Варіант 2 № ст.647969 φ-38o58.80 λ-50o10.20 дата01.02.1972 час 14:00	Варіант 3 № ст.716904 φ-20o02.88 λ-39o08.22 дата01-20-75 час 9:06	Варіант 4 № ст.6767670 φ-34ø25.20 λ-30ø48.00 дата02-13-74 час 08:00
H, м	T, ºC	S, ‰	H, м	T, ºC	S, ‰	H, м	T, ºC	S, ‰	H, м	T, ºC	S, ‰
	23,22	32,831		17,32	34,91		26,8	36,75		22,17	35,5
	23,08	33,019		17,27	34,92		26,81	36,81		22,24	35,48
	21,96	34,229		16,88	35,51		26,11	36,93		22,14	35,48
	23,26	36,063		15,91	35,7		24,5	37,03		21,34	35,46
	21,83	36,027		15,3	35,67		23,04	36,87		16,84	35,57
	20,48	35,948		14,79	35,57		20,5	36,42		15,34	35,55
	17,42	35,735		12,2	35,24		17,13	35,79		14,82	35,5
	16,02	35,767		7,68	34,48		15,6	35,55		14,08	35,39
	13,8	35,504		5,5	34,25		12,79	35,17		13,88	35,35
	11,64	35,134		3,9	34,18		7,53	34,6		12,86	35,23
	8,24	34,745		3,11	34,27		5,71	34,43		10,86	34,94
	6,77	34,529		2,62	34,53		4,64	34,36		8,18	34,56
	4,41	34,378		2,54	34,7		3,52	34,44		5,59	34,33
	3,48	34,371		2,18	34,76		3,37	34,53		3,96	34,22
				1,43	34,7		3,83	34,82		3,08	34,47

Питання для повторення:

1. Поняття „водні маси”.

2. Горизонтальна структура водних мас.

3. Вертикальна структура водних мас.

4. Основні методи виділення та аналізу водних мас.

Заняття 5. Морські хвилі

Мета: ознайомитись з класифікаціями хвиль, елементами трохоїдальної теорії хвиль; проаналізувати миттєвий профіль океанської хвилі.

 

Загальні відомості

Морськими хвилями називають хвилі на поверхні моря чи океану.

Існує декілька класифікацій хвиль (табл. 11).

 

Таблиця 11

Основні класифікації хвиль

 

Підстава класифікації	Класи хвиль	Коротка характеристика
За силою, що викликає хвилювання, тобто за походженням	Вітрові	Викликані вітром і знаходяться під його дією.
Припливні	Виникають періодично під дією припливотворних сил.
Анемобаричні	Пов’язані з відхиленням поверхні океану від положення рівноваги під дією атмосферного тиску і вітру.
Сейсмічні (цунамі)	Внаслідок динамічних процесів, що відбуваються в земній корі, і в першу чергу підводних землетрусів, а також виверження вулканів, як підводних, так і прибережних.
Корабельні	Створюються під час руху судна.
За силою, яка намагається повернути частку води в положення рівноваги	Капілярні	Врівноважувальна сила – сила поверхневого натягу; малі за розмірами і утворюються або в першу мить впливу вітру на водну поверхню (брижі), чи на поверхні основних гравітаційних хвиль (вторинні хвилі).
Гравітаційні	Врівноважувальна сила – сила тяжіння.
За дією сили після утворення хвилі	Вільні	Сила припиняє дію після утворення хвиль.
Вимушені	Дія сили не припиняється.
За мінливістю елементів хвиль у часі	Сталі	Не змінюють своїх елементів.
Несталі	Ті хвилі, що розвиваються або, навпаки, згасають; змінюють свої елементи з часом.
За положенням	Поверхневі	Хвилі на поверхні океану.
Внутрішні	Хвилі на глибині, на поверхні проявляються іноді у вигляді сліків, виникають на поверхні розділу вод різної густини.
За формою	Двомірні	Середня довжина гребеня набагато більша за довжину хвилі.
Тримірні	Середня довжина гребеня зрівняна з довжиною хвилі.
Подовжені (переносні)	Мають куполоподібний гребінь і не мають підошви (якщо на гребені розташувати поплавок – він буде переміщуватись)
За співвідношенням довжини хвилі і глибини моря	Короткі	Довжина хвилі значно менша глибини моря.
Довгі	Довжина хвилі значно більша глибини моря.
За переміщенням форми хвилі	Поступальні	Форма переміщується в просторі.
Стоячі	Видима форма в просторі не переміщується.

 

Серед елементів хвиль слід розрізняти геометричні та кінематичні.

Геометричні характеристики є загальні для поступальних і стоячих хвиль; окремо виділяють характеристики тільки для поступальних. Розглянемо типовий хвильовий профіль (рис. 7).

 

Рис. 7 Основні елементи хвиль

1-7 – загальні елементи хвиль (опис наведений в тексті)

 

До загальних елементів належать:

1. Середній хвильовий рівень – лінія, що перетинає хвильовий профіль так, що сумарні площі вище і нижче цієї лінії – однакові.

2. Хвильовий профіль – крива, отримана внаслідок перетинання поверхні моря вертикальною площиною в заданому напрямку (зазвичай в напрямку розповсюдження хвилі).

3. Гребінь – частина хвилі, розташована вище середнього хвильового рівня.

4. Вершина – найвища точка гребеня.

5. Улоговина – частина хвилі, розташована нижче середнього хвильового рівня.

6. Підошва – найнижча точка улоговини.

7. Висота хвилі h – перевищення вершини хвилі над сусідньою підошвою на хвильовому профілі, проведене в генеральному напрямку розповсюдження хвилі.

8. Напівдовжина хвилі λ/2; довжина хвилі λ – горизонтальна відстань між вершинами двох суміжних гребенів на хвильовому профілі, проведене в генеральному напрямку розповсюдження хвилі.

9. Крутизна хвилі k – відношення висоти хвилі до її довжини (k = h/λ).

 

Крім того, тільки для поступальних хвиль виділяють такі елементи, як:

1. Напрямок розповсюдження хвиль, що розраховується від півночі в бік їх руху.

2. Фронт хвилі – лінія на плані схвильованої поверхні, що проводиться по вершинам гребеня даної хвилі.

3. Довжина гребеня хвилі – протяжність гребеня хвилі в напрямку її фронту.

4. Луч хвилі – лінія, перпендикулярна фронту хвилі в даній точці.

Кінематичні характеристики для правильної двомірної хвилі:

1. Період хвилі τ – інтервал часу між проходженням двох суміжних вершин хвиль через фіксовану вертикаль.

2. Швидкість розповсюдження (фазова швидкість с) – швидкість переміщення гребеня хвилі в напрямку її розповсюдження, що визначається за короткий інтервал часу порядку періоду хвилі (с = λ / τ).

 

Слід зауважити, що найбільш розповсюджені в океані реальні вітрові хвилі є тримірними, дуже часто відбувається накладення різних хвиль, що приводить до того, що кожна окрема хвиля має свої характеристики (рис 9).

Для характеристики вітрового хвилювання широко використовується бальна оцінка сили (ступеня) хвилювання. З 1953 р. Введена єдина дев’ятибальна шкала сили хвилювання: 0 б. – відсутнє; І б. – слабке; ІІ б. – помірне; ІІІ – ІV б. – значне; V – VI б. – сильне; VІІ – VIІІ б. – дуже сильне; ІХ б. – виключне. Бали надаються в залежності від характеристики основних елементів хвиль (табл. 12).

Таблиця 12

Основні геометричні характеристики елементів хвиль за умови

Різної сили хвилювання

 

Бал сили хвилювання	Висота хвилі h, м	Довжина хвилі λ, м	Період с, м/сек.
І	до 0,25
V	2,0 – 3,5	40 – 75	5 – 7
ІХ	більше 11	більше 220	більше 12

 

При цьому не слід плутати вказану шкалу з досить відомою шкалою стану поверхні моря Бофорта, яка була розроблена для оцінки сили вітру за станом поверхні моря і дає уяву лише про видимий стан моря за умови вітрів різної сили; оцінюється також за 9-бальною шкалою.

Слід зазначити, що коли ми спостерігаємо хвилі у відкритому океані чи морі поступального руху води не відбувається. Ми бачимо лише рух профілю хвилі. Це випливає з трохоїдальної теорії хвиль. Взагалі трохоїда – це плоска крива, що описується точкою незмінно пов’язаною з окружністю, яка котиться без ковзання по іншій окружності чи прямій (як приклад можна уявити криву, яку описує точка розташована на окружності колеса, що котиться).

Трохоїдальна теорія хвиль за умови нескінченно глибокого моря дозволяє зробити такі висновки:

1) під час хвилюванні частки води рухаються за круговими орбітами (рис. 8), радіуси яких зменшуються з глибиною (отже спадає і висота хвилі);

2) швидкість розповсюдження хвилі залежить тільки від її довжини; з глибиною вона не змінюється, як не змінюються й період і довжина хвилі;

3) профіль хвилі являє собою трохоїду (рис. 8);

4) межа зміни тиску під час проходження хвилі з глибиною зменшується пропорційно зменшенню її висоти; на глибині, яка дорівнює довжині хвилі вона настільки мала, що нею можна знехтувати (висота хвилі зменшується в 535 разів). Отже, вважається, що хвиля перестає чинити свій вплив на глибині, яка дорівнює ½ довжини хвилі.

Рис 8. Кругові траєкторії руху часток води і профіль хвилі

(переміщення відбувається вправо)

 

Згідно з цією ж теорією на мілководді тертя об дно змінює геометричні та кінетичні характеристики хвиль. Орбіти часток набувають еліптичної форми з більшою віссю, витягнутою в бік розповсюдження хвилі.

Коли глибина стає менша половини довжини хвилі, висота хвилі починає зменшуватись і зменшується до тих пір, поки глибина не стане рівною 0,17 частини довжини хвилі. З подальшим зменшенням глибини, висота починає швидко зростати. Довжина хвилі та її швидкість зменшуються. Це за умов одночасного збільшення висоти хвилі приводить до швидкого зростання її крутизни (аналогічний процес відбувається і під час проходження цунамі (дуже довгих хвиль) в неглибоких затоках). Коли крутизна досягне граничного значення, гребінь руйнується й утворюється прибій.

Перекидання хвиль відбувається не тільки біля урізу води, але й на відстані від нього. Буруни зазвичай утворюються над підводними валами, барами, рифами, обмілинами. Розрізняють „пірнаючі” (утворюються внаслідок повного руйнування хвиль) і „ковзні” буруни (внаслідок часткового руйнування хвиль). „Ковзні” буруни також називають забурунюванням хвиль. Критичне значення відношення висоти хвилі до її довжини становить 1/7. При h = λ/7 кут при вершині хвилі стає критичним (120º), подальший ріст (загострення) хвилі призводить до її перекидання.

Поведінка хвиль біля узбережжя залежить від берегової лінії та характеру змін рельєфу дна. Біля стрімкого берегу характерна інтерференція хвиль, для положистого – рефракція.

Крім того, хвилі мають колосальні запаси енергії. Сила удару хвилі часто є настільки великою, що спричиняє руйнування берегу та берегових споруд. За результатами вимірювань сила удару хвилі біля берегів океану може сягати близько 38 т/м²; у внутрішніх морях – близько 15 т/м².

 

 

Завдання

 

Завдання 1.

Перенести рис. 9 у зошит. Виявити і показати основні елементи хвиль, максимальну і мінімальну хвилі; виявити хвилі, які знаходяться на межі забурунювання. Зробити висновок щодо прояву теорії хвиль у реальному океані.

Рис. 9. Рельєф океанських поверхневих хвиль визначений шляхом інтерпретації аерофотознімків [3].

Питання для повторення:

1. Класифікація хвиль.

2. Елементи хвиль.

3. Спостереження за хвилями.

4. Трохоїдальна теорія хвиль.

5. Хвильова течія.

6. Поведінка хвиль біля узбережжя.

7. Цунамі.

8. Внутрішні хвилі.

 

Заняття 6. Припливи

Мета: ознайомитись зявищем припливів, класифікацією, основними елементами; розглянути географію припливної хвилі.

 

Загальні відомості

Місяць здійснює гравітаційний вплив на Землю, викликаючи припливи і відливи (рис.10) у всіх оболонках Землі: літосфері, атмосфері, гідросфері і біосфері. Найбільш яскраво припливні рухи виражені у Світовому океані.

 

Рис. 10 Схема припливів на Землі

 

Причина – припливоутворювальна сила – рівнодіюча сили тяжіння Місяця і відцентрової сили, яка виникає під час обертання системи Земля-Місяць навколо барицентра. Барицентр знаходиться всередині Землі на відстані 4950 км від центру (3/4 радіуса Землі) (рис. 11) та на відстані 382 тис. км (близько 60 радіусів Землі) від Місяця. Ці дві сили, що здатні переміщати воду океанів, урівноважені тільки в центрі Землі (рис. 11). В інших місцях результативне відхилення створює невелику силу, яка змушує частки води океану відхилятися від стану рівноваги й утворювати припливні хвилі.

Одночасно відбуваються й сонячні припливи з повним періодом 24 год. Вони в 2,2 разу слабші від Місячних внаслідок більшого віддалення Сонця від Землі. Сонячний і місячний припливи накладаються в молодик і повню (сизигійні припливи) та віднімаються в першій та останній чвертях (квадратурні припливи). Перші приблизно на 40 % вищі.

 

 

Рис. 11 Розподіл припливоутворюючих сил в різних точках поверхні Землі

Сили: 1 – припливоутворювальна, 2 – тяжіння Місяця, 3 – відцентрова системи Земля - Місяць

 

Найвищий рівень, який спостерігається під час припливу – це повна вода (ПВ), найнижчий рівень у період відпливу – мала вода (МВ). Протягом доби можуть спостерігатися дві повні і дві малі води. Тоді серед них розрізняють високу і низьку повну і малу води (ВПН, НПВ, ВМВ, НМВ). Внаслідок обертання Землі спостерігач також рухається по колу і протягом одного обороту бачить 2 припливи, але вони виявляються неоднакової висоти (рис. 12). Якщо спостерігач буде знаходитись значно північніше, він буде спостерігати лише 1 приплив за добу.

 

Рис. 12 Добова нерівність припливів

 

Проміжки часу між двома сусідніми повними чи малими водами називають періодом припливу. Залежно від періоду розрізняють півдобові, добові та змішані припливи.

Півдобові припливи ­– це коли протягом місячної доби (відрізок часу між двома послідовними кульмінаціями Місяця на будь якому меридіані Землі, дорівнює 24 год. 50 хв.) на Землі буває 2 припливи і 2 відливи. Період припливу становить 12 год. 25 хв., а час між припливом і відливом дорівнює 6 год. 12 хв. 30 сек. За добових припливів протягом місячної доби спостерігаються одна повна і одна мала вода. Часто буває, що протягом місяця явище змінює свою періодичність, наближаючись то до півдобового (неправильний півдобовий), то до добового (неправильний добовий) типу. Такі припливи називають змішаними.

На сьогодні, в науці існують статична і динамічна теорії припливів [5].

Для прогнозування припливів існують так звані „таблиці припливів”, які, як правило, продаються в кожному морському селищі, де спостерігаються припливи.

Коли з’ясувалось, що існує ціла низка припливоутворювальних сил, кожна з яких створюється завдяки взаємодії Землі з іншими небесними тілами, почали думати, що можна буде передбачити припливи завдяки математичним розрахункам. Тепер людина усвідомлює всю складність цього процесу, зумовленого різноманіттям рельєфу прибережних районів. Припливи можна прогнозувати тільки за допомогою моделювання для конкретної місцевості, екстраполюючи „роботу” створеної моделі на майбутнє.

 

Завдання

Завдання 1.

Використовуючи карти атласу [8], проаналізувати географічне розповсюдження припливної хвилі. Виявити де спостерігаються припливи максимальної і мінімальної висоти, пояснити причину.

Питання для повторення:

1. Явище припливів у Світовому океані.

2. Основні терміни та визначення (приплив, відплив, повна вода, період припливу, висота припливу, амплітуда припливу, величина припливу, час повної води, час зростання і падіння рівня, місячний проміжок, котидальна лінія, висока повна вода, висока мала вода).

3. Нерівність припливів.

4. Класифікація припливів.

5. Припливоутворювальні сили та їх потенціал.

6. Статична теорія припливів.

7. Динамічна теорія припливів.

8. Розподіл припливних хвиль з урахуванням діючих сил.

9. Методи попереднього розрахунку припливів.

10. Характеристика припливів у Світовому океані.

Заняття 7. Морські течії

Мета: ознайомитись з різними класифікаціями морських течій; проаналізувати схему поверхневих течій Світового океану.

 

Загальні відомості

Течії характеризуються двома головними показниками: напрямком і швидкістю. Напрямок течії визначається за напрямом переносу вод (на відміну від напрямку вітру, який визначається напрямом звідки переноситься повітря).

Виділяють декілька класифікацій течій (табл. 13).

Таблиця 13