авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 14 |

«ю. в. и с т о ш и н О К ЕА Н О Л О ГИ Я Д опу щ е н о Главным управлением ...»

-- [ Страница 3 ] --

1 Скопления известковой водоросли — литотамния (иногда неправильно называемого рыбаками кораллом )— нередко наносят ущерб промыслам, так как портят сети и тралы.

§ 9. Перспективы использования богатств морского дна О том, что на дне моря есть полезные ископаемые (золото, алмазы, залеж и угля, запасы нефти и га за ), люди знали давно, но в то время до них трудно было добраться. В настоящее время некоторые из богатств морского дна интенсивно эксплуа­ тируются. Д л я примера достаточно указать на добычу алмазов:

в Ю жной Африке (Ю А Р), добычу нефти со дна моря в М екси­ канском заливе (США) и Каспийском море (С С С Р ), угля у бе­ регов Ю жной Англии и Японии. Однако все это — лишь первые шаги в освоении богатств морского дна, которые по самым скромным оценкам представляются поистине грандиозными.

Около 2/ з известных на суше нефтегазоносных территорий расположено у морских побережий. Это обстоятельство дает основание предполагать, что на дне моря в этих районах такж е в больших количествах имеется нефть. Уже сейчас ведутся поисковые работы в западной части Карибского моря у берегов Панамы, Гватемалы и Никорагуа, в Яванском море у о. Ява,, в Северном море у берегов ФРГ, в Восточно-Китайском и Юж но-Китайском морях, где уж е найдены нефть и газ. Богатые морские месторождения нефти обнаружены на дне Персидского залива. Одно из них — С а ф а н и я — крупнейшее в мире.

В последние годы на дне океанов на больших глубинах с по­ мощью глубоководного драгирования и подводной фотографии обнаружены огромные скопления железо-марганцевых конкре­ ц и й — круглых, овальных или неправильной формы образований величиной с грецкий орех или картофель. Кроме ж елеза и м ар­ га н ц а — основных составных частей,—-конкреции содержат ни­ кель, кобальт, медь и редкоземельные элементы. В среднем со­ держание м арганца в них достигает 20%, никеля, кобальта и меди — 0,5%. Эти залеж и широко распространены на обширных участках дна Атлантического, Индийского и особенно Тихого океанов. По предварительным подсчетам, в Атлантическом океане имеется около 50 млн. т конкреций, в Индийском — свыше 100 млн. т, а в Тихом — 100 млрд. т. В США разработана система глубоководного драгирования, позволяю щ ая добывать, конкреции с глубин 4—5 км ;

Обнаружены скопления конкреций и в наших морях — Б а ­ ренцевом, Карском и Балтийском. Располагаю тся они на не­ больших глубинах, что облегчает их промышленную разработку.

Кроме железо-марганцевых конкреций, на дне глубокого моря во многих местах обнаружены фосфоритовые конкреции.

Они располагаю тся на меньших глубинах по сравнению с же лезо-марганцевыми конкрециями: если последние в больших ко­ личествах находятся на глубинах 4— 6 тыс. м, то фосфоритовые конкреции приурочены к внешнему краю континентального склона и океанских банок. Только отложения на банках вдоль Морские прибрежные россыпи. Зональные россыпи ( /—3): / — экваториальной и тропической зон (ильменит, рутил, циркон, мона­ цит);

2 — умеренных и субтропических зон (большая примесь породообразующих темноцветных и магнетита);

3 — россыпи переход­ ного типа с ведущей ролью ильменита. Азональные россыпи {4—6): 4 — алмазы, 5 — золото;

6 — касситерит. Другие полезные ископаемые:

7 — фосфориты и глауконитовые пески;

8 — районирование Тихогоокеана п составу железо-марганцевых конкреций. Районы: А — пре­ о обладание железа, В — марганца, С — меди и никеля, D — кобальта, AD, В С и др. — переходные (смешанные) зоны (по Д. Меро, 1962).

континентального склона Ю жной Калифорнии могут дать около 50—60 млн. т фосфора (с содержанием Р 2О5 до 32% ). Эти бо­ гатства уж е разрабаты ваю тся. Потенциально перспективны фос­ фатные отложения у берегов Австралии и Индии. Общее коли­ чество фосфоритовых конкреций в океане, по грубым оценкам, достигает нескольких миллиардов тонн.

Среди других минеральных богатств морского дна предста­ вляют интерес соляные купола в Мексиканском заливе, залеж и сульфидов (солей сероводородной кислоты) на дне Черного моря, в желобе Кариако близ Венецуэллы и в Калифорнийском заливе. Не исключена возможность нахождения гигантских же лезо-никелевых метеоритов на дне глубоководного моря.

В отдаленном будущем подвергнутся промышленной р а зр а ­ ботке глобигериновые и диатомовые илы и красная глина, усти­ лающие огромные площади дна Мирового океана.

Что касается наиболее доступных отложений континенталь­ ной отмели, то, помимо уже упомянутых алмазов у ю го-запад­ ного берега Африки, уже сейчас разрабаты ваю тся оловянные руды в прибрежных районах Индонезии, М алазии и Таиланда (на глубинах- до 40 ж ), ж елезная руда в Токийском заливе (за 1960— 1964 гг. добыто 7 млн. т). У берегов Аляски обнаружены пески, содержащ ие железо, хром и золото, а у берегов Индии, Цейлона, Японии, Австралии и Флориды — отложения, содерж а­ щие титан — металл будущего.

Океанографы, исследующие морское дно, должны ответить на вопрос, каков характер распределения минеральных богатств (прерывно или непрерывно залегаю т они на дне глубокого моря) и каков их состав. Уровень наших знаний в настоящее время в большинстве случаев еще не достаточен, чтобы судить о целесообразности их промышленной разработки.

Одной из первых попыток представить распределение полез­ ных ископаемых на дне Мирового океана является карта, при­ веденная Е. А. Величко (рис. 14) (здесь публикуется не пол­ ностью).

IV ГЛАВА Д И Н А М И КА М ОРСКИХ БЕРЕГО В § 1. Определение морского берега Линия пересечения поверхности моря с поверхностью суши называется б е р е г о в о й л и н и ей. Ее положение в пространстве непостоянно: при приливах (в морях с приливами) и ветровых нагонах она смещается в сторону суши, при отливах и сто­ н а х — отходит в сторону моря. Таким образом, береговая линия в действительности является зоной, ширина которой в различ­ ных морях меняется в значительных пределах. Границей этой зоны со стороны суши является предел проникновения вод океана на сушу во время приливов, при ветровых нагонах и н а­ катах морских волн. Со стороны моря граница зоны проходит по линии наибольшего, отступления воды при сизигийных отли­ вах, максимальных сгонах и откатах ветровых волн от берега в сторону моря. Н а навигационных картах за береговую линию океанов и морей обычно принимается граница сизигийного при­ лива, для бесприливных морей — средний уровень моря.

Линия непосредственного соприкосновения вод океана с су­ шей в конкретный момент времени называется л и н и е й у р е з а.

С об ст вен н о б е р е г о м принято называть примыкающую к со­ временной береговой линии узкую полосу суши, на которой име­ ются формы рельефа, созданные морем при среднем его уровне.

З а берегом в сторону суши располагается п о б е р еж ь е. Под этим термином подразумевается более или менее широкая полоса суши, на которой сохранились формы рельефа, созданные мо­ рем при древних высоких уровнях (надводные террасы, старые волноприбойные полосы из гальки и песка и т. д.).

М елководная часть морского дна, примыкающая к берегу, рельеф которой создан волнами при современном уровне моря, называется п о д в о д н ы м б е р е г о в ы м с к л о н о м. Эта полоса морского дна постоянно испытывает воздействие ветровых волн, прони­ кающее с поверхности в придонные слои воды. Часть моря, л еж ащ ая над подводным береговым склоном, обычно назы ­ вается п р и б р еж ь ем.

Подводный береговой склон, прибойная зона и собственно берег вместе образуют б е р е г о в у ю з о н у. В этой зоне происходит взаимодействие всех четырех земных оболочек: гидросферы (море), литосферы (суш а), биосферы и атмосферы.

З а пределами подводного берегового склона иногда обнару­ живаю тся следы древних береговых линий, созданных морем при низких стояниях уровня в далеком прошлом (подводные террасы, или уступы, или отложения характерных прибрежных наносов, например валы хорошо окатанной гал ьк и ).

Морской берег находится в процессе непрерывного измене­ ния. Основными факторами, вызывающими эти изменения, яв­ ляются:

а) морские волны, которые могут либо разруш ать коренные породы берега, т. е. производить абразию, либо, перемещая и отклады вая наносы, вызывать его нарастание. В первом случае в процессе абразии создаются д ва элемента профиля береговой зоны: обрыв выше уреза воды, называемый клифом, и полого наклоненная платформа на подводном склоне, назы ваем ая бен чем. Во втором случае создаются аккумулятивные формы рель­ еф а берега;

б) твердый сток рек, поставляющий материал для формиро­ вания дельт, устьевых баров и прибрежных отмелей;

в) вертикальные движения суши (поднятия и опускания), приводящие к медленному изменению береговой черты, которое можно заметить по прошествии столетий;

г) трансгрессии и регрессии моря, вызванные изменением емкостей океанических бассейнов при таянии (или образовании) ледников в связи с резкими изменениями климата. Такие изме­ нения берегов прослеживаются по прошествии многих тысяче­ летий и носят исторический характер. Однако колебания емко­ сти бассейнов во внутренних морях, обусловленные колебаниями водного баланса, приводят к изменениям береговой черты, про­ исходящим на наших глазах (Каспийское море).

В историческом плане большую роль играли трансгрессии моря, связанные с мощными поднятиями морского дна и горо­ образовательными процессами в самих океанических бассейнах, вызывающие перераспределение морских вод и изменение бере­ говой черты.

' И з других факторов следует указать а) атмосферные про­ цессы (ветер, атмосферные осадки), б) действие приливов и приливо-отливных течений, а такж е ветровых нагонов, в) дей­ ствие биогенных факторов (коралловых моллюсков, водорослей и т. д.), г) влияние льдов.

§ 2. Типы берегов Берега океанов и морей отличаются чрезвычайным разнооб­ разием. Их можно классифицировать очень дробно, но такие классификации очень громоздки и годны лишь для пояснения обозначений типов берегов на обзорных географических картах.

В настоящее время наиболее часто берега разделяю т по очертаниям береговой линии и по генетическому признаку (по происхождению). Кроме того, берега подразделяются: а) по характеру рельефа побережья и прибрежья, б) в зависимости от материала, слагающего берег, в) по характеру берегового обрыва и г) по характеру берегоформирующих процессов (дина­ мическая классификация).

По очертаниям береговой линии берега разделяю т на прямо­ линейные, дуговидные, извилистые (бухтовые), двойные и ост­ ровные.

П р я м о л и н е й н ы й б е р е г лишен крупных извилин. Он может быть как отлогим (например, западный берег К ам чатки), так и крутым и д аж е отвесным. Д у г о в и д н ы й б е р е г представляет со­ бой ряд дуговидных извилин. Вдающиеся в сушу вогнутости бе­ рега чередуются при этом с выступающими в море выпукло­ стями. Резко выраженных мысов при таком типе берега не бывает. Д л я и зви л и ст о го ( б ух т о во го ) б е р е г а характерно нали­ • чие близко расположенных друг от друга бухт и заливов, глу­ боко вдающихся в сушу. Если расстояние меж ду соседними бух­ тами менее чем в 10 раз превышает ширину их устьев (расстоя­ ние между входными мысами), то такие берега относятся к бухтовым. Если ж е'расстояние меж ду бухтами велико и пре­ вышает указанное выше соотношение, то такой берег бухтовым назвать нельзя. Классическим примером бухтовых берегов яв­ ляю тся берега залива П етра Великого (Японское море) и уча­ сток берега, прилегающий к мысу Херсонес (Черное море).

Д в о й н ы е б е р е г а образуются косами и отмелями, идущими парал ­ лельно или под острым углом к коренному берегу. Д ля ост ров­ н о г о б е р е г а характерно расположение вдоль основного берега островов и выступающих из воды скал.

По происхождению различаю т следующие типы берегов:

а) дельтовые, б) лагунные, в) фиордовые, риасовые, шхерные.

Д е л ь т о в ы й б е р е г — продукт выноса твердых наносов реками.

Он образован дельтами впадающ их в море рек и имеет р ав­ нинный вид. Характерный пример дельтового берега — дельта Волги. Л а г у н н ы е б е р е г а представляют собой ряд неглубоких л а ­ гун или лиманов, отделенных от моря косами. Т ак как в вер­ шины лагун и лиманов обычно впадаю т реки, то соленость вод этих' бассейнов понижена по сравнению с прилегающим участ­ ком моря. Иногда вода лагун совершенно пресная. Примером лагунного берега может служить северо-западная часть Черного моря. Д л я ф и о р д о в о г о б е р е г а характерны длинные, узкие и глу­ бокие заливы с высокими и очень крутыми берегами. Фиорды (заливы) выработаны ледниками в четвертичном периоде и з а ­ топлены морем в результате последующего поднятия уровня.

Берега Норвегии являю тся хорошим примером фиордовых бере­ гов. Ш х е р н ы е б е р е г а окаймлены многочисленными, обычно не­ большими, скалистыми островами и скалами. Эти острова, как правило, носят следы ледниковой шлифовки: имеют сглаж ен­ ную, округлую поверхность типа «бараньих лбов». Примером таких берегов служ ат берега Швеции и Финляндии. Р и а с о в ы е б е р е г а образовались в результате затопления морем горных до­ лин. Д л я них характерны воронкообразные и разветвляющиеся бухты и заливы. Примером служ ат юго-восточные берега Китая и Советского Приморья.

По характеру рельефа побережья берега подразделяются на гори ст ы е и р а в н и н н ы е, а в зависимости от рельефа прибрежья — на от м елы е и п р и г л у б ы е. У отмелых берегов углы наклона бе­ рега в среднем менее 0,01, а у приглубых — более 0,03. По виду берегового обрыва различаю т от логие, о б р ы ви ст ы е и от весны е б ер е га.

В зависимости от материала, слагающего берег, различают п е с ч а н ы е, и ли ст о-п есч ан ы е, гл и н и ст о -п есч а н ы е, кам ени ст ы е, с к а ­ лист ы е, м ер зл о т н ы е и л е д н и к о в ы е б е р е г а.

Все эти классификации не лишены недостатков. Так, под­ разделениям берегов по внешним признакам (по очертаниям береговой линии или по характеру рельефа) свойственна неко­ торая бесплодность как в научном, так и в практическом отно­ шении. Сами по себе такого рода типизации не даю т оснований судить о направленности берегоформирующих процессов и упо­ требляются преимущественно в описательной географии. Гене­ тическая классификация вскрывает только первоначальные при­ чины образования того или иного типа берега и не дает никаких указаний о последующих процессах и преобразованиях, послед­ ствия которых нередко по своему значению важнее первоначаль­ ных причин.

Этих недостатков лишена динамическая типизация берегов по характеру берегоформирующих процессов, предложенная со­ ветской школой морских геологов и геоморфологов (О. К- Леон­ тьев, В. П. Зенкович и д р.)..Следующие разделы этой главы будут изложены применительно к выводам учения о морских берегах, разработанного В. П. Зенковичем.

§ 3. Формирование берегов под воздействием абразии.

Абразионные берега Процесс механического разрушения пород берега под воз­ действием волн и течений называется а б р а з и е й. В результате абразии формируются два основных элемента берегового про­ филя: а) надводный обрыв с крутыми склонами,: или к л и ф и б) слабонаклонная поверхность сточенных морем коренных по­ род, назы ваем ая б ен ч ем, верхняя граница которой леж ит вблизи линии уреза. Аналогом клифа при размы ве рыхлых пород будет береговой откос.

Воздействие волн на каменистый или скалистый берег скла­ дывается из горизонтального удара волн о наклонную или от­ весную стенку берега и всплеска, направленного вверх вдоль поверхности стенки. Сила всплеска может превосходить силу горизонтального удара в 10 раз.

Процесс разруш ения берега происходит особенно интенсивно, если у подножья обрыва ( клифа) имеется какой-либо обломоч­ ный материал. В этом случае увлекаемые волнами песчинки и камни ударяю тся о поверхность породы и действуют как мо­ лотки, изо дня в день и из года в год раздробляю щ ие породу и откалывающие от нее отдельные куски и обломки той или иной величины. Если у подножья берегового обрыва (клифа) нет пляж а или скоплений песка, гальки и валунов, то на берего­ вую стенку воздействуют только удары чистой воды. Разруш аю ­ щий эффект в этом случае невелик. Всплески постепенно «сли­ зывают» все неровности стенки и шлифуют ее.

Процессы абразии могут идти и под водой, на подводной части берегового склона. Здесь они менее интенсивны, чем на клифе. Их интенсивность резко падает с глубиной в соответст­ вии с убыванием интенсивности волновых движений воды. Од­ нако чаще всего абразия клифа сопровождается отложением обломочного м атериала на бенче.

Развитие профиля абразионного берега идет, как правило, по следующей простой схеме (рис. 15). П редположим,1что по тем или иным причинам уровень моря занял новое положение у крутого откоса коренной породы (штриховая линия на ри­ сунке). Волны стали разбиваться непосредственно у уреза воды, Рис. 15. Стадии развития абразионного берега.

создавая здесь, в зоне своего максимального воздействия, вод­ ноприбойную нишу (первая стадия абразии). По мере углубле­ ния ниши нависающий карниз лиш ается поддержки снизу и мо­ ж ет обрушиться. Плоскость обрыва образует стенку клифа, а скопление обломков у его подножья представляет собой з а ­ чаточную форму пляж а (вторая стадия). Н а последующей ста­ дии развития абразионного берега происходит образование все новых и новых волноприбойных ниш, обваливание их карнизов, увеличение высоты клифа и непрерывное отступание берега в сторону суши (третья стадия). Н а четвертой (последней) стадии бенч начинает расш иряться в сторону моря, за его внешним краем образуется подводная терраса. Волны, про­ ходя над широким бенчем, теряю т свою энергию, процесс обра­ зования клифа замедляется. Волноприбойные ниши не обра­ зуются, клиф становится пологим и наконец отмирает. П ро­ цесс развития абразионного берега может длиться очень долго, и это зависит от прочности горных пород и силы вол­ нения.

Д л я образования бухт вовсе не обязательно затопление мо­ рем береговых долин по типу риасовых берегов. В процессе абразии море может образовать бухты на первоначально прямо­ линейном или извилистом береге, в том случае если слагающие берег породы имеют неодинаковую прочность или при одинако­ вом составе пород берега имеют неодинаковую высоту. Участки берега, сложенные из менее прочных пород и имеющие меньшую высоту, разруш аются, естественно, быстрее, чем прочные и вы­ сокие берега. Н а этих местах процесс отступания берега в сто­ рону суши идет быстрее. Здесь постепенно образуются бухты Рис. 16. Схема абразии берега, сложенного породами резко различной устой­ чивости.

(рис. 16). При абразии берега, сложенного рыхлыми породами одинаковой прочности, образование бухт не происходит. Д ля таких берегов характерно фестончатое расчленение размы вае­ мого берега.

§ 4. Перемещение наносов в береговой зоне (поток наносов).

Формирование аккумулятивных берегов Под воздействием главным образом ветровых волн, а такж е приливо-отливных и непериодических течений создается поток наносов, т. е. их генерализованное движение вдоль берега. П е­ ремещение частиц наносов на подводном склоне и на пляж е — сложный процесс, поэтому, схематизируя его, различаю т попе­ речное (перпендикулярное к берегу) и продольное движения н а ­ носов. В зависимости от конфигурации берега в одних местах происходит размыв рыхлых пород, слагающих морское дно, а в других — их отложение (аккумуляция).

Под н а н о с а м и подразумевается весь подвижный материал, перемещающийся в прибрежной зоне моря, независимо от его крупности. В эту категорию не входит обломочный материал, который, раз отложившись на дне моря, больше не взмучивается и не перемещается, образуя постоянные структуры дна (запол­ нения защищенных акваторий, относительно глубоководные ак­ кумулятивные формы). Этот материал является «пассивным» и очень редко в силу случайных причин может приводиться в дви­ жение (при оползнях, подводных извержениях, волнах цунами).

Прибрежноморские наносы могут быть тонкозернистыми (на­ пример, илистые). Такие наносы характерны для Азовского и Ж елтого морей (Бохайский зал и в). Более крупнозернистый м а­ териал (крупнее 0,05 м м ) В. П. Зенкович предложил называть «наносами волнового поля». Самый крупный материал (галька, гравий) перемещается перекатыванием по дну и только на ко­ роткое время может переходить во взвешенное состояние. Более мелкий материал (песок, песчаная п ы л ь—-алеврит) переме­ щ ается во взвешенном состоянии и, находясь в таком положе­ нии длительное время, может быть вынесен за пределы бере­ говой зоны.

Если волны подходят перпендикулярно к берегу, то они мо­ гут вызвать поперечное (т. е. такж е перпендикулярно к берегу) движение наносов. Вовлечение наносов в движение зависит от степени волнения (от скорости движения частиц воды по орбите волны), от глубины места (при больших глубинах прибрежья орбитальные движения частиц воды не достигают дна) и от гидравлической крупности наносов.

При поперечном движении наносов происходит подъем их в одном месте, перемещение на некоторое расстояние сначала в одном направлении, а затем в другом и, наконец, отложение их в другом месте. Н ачинается процесс переформирования попе­ речного профиля дна на подводном склоне. У приглубых бере­ гов (средний уклон дна более 0,03) масса наносов отлагается у основания подводного склона, а на мелководье происходит размыв пород дна. У отмелых берегов наносы выбрасываются на мелководье, образуя полосу берегового бара, а иногда надвод­ ную аккумулятивную террасу. Если процесс поперечного дви­ жения наносов достаточно длителен, а мощность толщи наносов достаточно велика, то со временем профиль дна изменится так, что результирующее движение наносов либо в сторону берега, либо в обратном направлении станет равным нулю, т. е. наносы, вовлеченные в движение, осядут в том ж е самом месте, от кото­ рого они начали движение. Такой профиль дна называется п р о ­ ф илем р авн овеси я.

При подходе волн под острым углом к берегу под воздей­ ствием возбуждаемых при этом вдольбереговых течений проис­ ходит продол&ное перемещение наносов. Явление перемещения наносов вдоль берега называется пот оком н а н о с о в.

В результате поперечного движения наносов образуются сле­ дующие аккумулятивные формы берега:

а) б е р е г о в ы е н а д в о д н ы е б а р ы в виде пересыпей, отделяю­ щих от моря мелководные лагуны, или в виде нешироких, но длинных островов. Примером бара могут служить А рабатская стрелка в Азовском море и коса Меечкен в Беринговом;

б) а к к у м у л я т и в н ы е т еррасы могут образовываться либо сразу на берегу в виде аккумулятивного вала, сформированного выброшенными на берег наносами, либо в виде первоначально подводного вала, который впоследствии в ходе своего роста мо­ ж ет причлениться к берегу и превратиться в береговой надвод­ ный вал.

При поперечном перемещении наносов на некоторой глубине в отдалении от берега могут образовываться подводные бары.

В большинстве случаев подводный бар представляет собой на­ чальную стадию развития берегового бара (следующая стадия — островной бар, еще не причлененный к берегу, и заключитель­ ная стадия — береговой бар). Однако возможны случаи консер­ вации подводных баров в их начальной стадии (пример — Е в­ паторийская банка).

При продольном движении наносов образуются разнообраз­ ные аккумулятивные формы берега, среди которых наиболее распространенными являю тся косы. Они формируются при оги­ бании выступа берега. Наносы начинают отлагаться у выступа берега (м ы са). По мере поступления новых порций наносов коса все дальш е удаляется от коренного берега и выдвигается в сторону моря в направлении потока наносов. Такой тип кос относят к классу свободных аккумулятивных форм.

При заполнении наносами углубления берега на всем его, протяжении образуются так называемые примкнувшие аккуму­ лятивные формы в виде аккумулятивных террас.

Если берег защищен, от волнения островом или отмелью, то на защищенном отрезке берега происходит отложение наносов и образование примкнувшей аккумулятивной формы в виде наволока, непрерывно растущего в сторону острова или отмели.

По достижении острова пролив, отделяющий его от берега, з а ­ мыкается;

возникшая при этом аккумулятивная форма назы ­ вается п е р е й м о й (или т ом б ол о).

Характерные аккумулятивные формы образуются в длинных и узких заливах и бухтах, в которых волновая энергия затухает где-то неподалеку от устья (линии, соединяющей входные м ысы).

В этом случае в месте резкого гашения волновой энергии начинается отложение наносов и постепенный рост аккум уля­ тивного выступа. В конце концов этот выступ может достигнуть противоположного берега и отчленить вершину б^хты. О бразо­ вавш аяся при этом форма называется п е р е с ы п ь ю, а акватория за ней в сторону суши — л а г у н о й. Часто указанный процесс идет с обеих сторон бухты или залива, пока обе образующиеся при этом косы не сомкнутся. В приливо-отливных морях или при впадении в бухту реки косы не смыкаются, между ними остается пролив и лагуна сообщается с морем. Типичным примером последнего случая является бухта Бичевинская на восточном берегу Камчатки.

§ 5. Влияние приливо-отливных явлений, течений, ветров, льдов и жизнедеятельности организмов на формирование берегов Помимо волнения — главного берегоформирующего фактора, существует очень много других факторов, в той или иной сте­ пени влияющих на формирование и динамику берегов. Среди них наиболее важными являю тся приливо-отливные явления (приливо-отливные колебания уровня и связанные с ними при­ ливо-отливные течения), непериодические течения (сгонно-на­ гонные, стоковые), ветер, льды и жизнедеятельность организмов, как растительных, так и животных.

Приливо-отливные течения, достигающие в некоторых райо­ нах Мирового океана значительных скоростей, влияют на бе­ рега двояким образом. Во-первых, течения разносят илистую муть повсюду, куда они проникают. Приносимый течениями ил отлагается в затишных участках, в результате чего дно н ар а­ стает. При этом образуются обширные илистые отмели (ватты), которые могут превратиться в незатопляемую аккумулятивную сушу. Типичным примером такого рода берегов является берег Северного моря, находящийся под прикрытием цепи Фризских островов. Здесь пологий берег полностью осыхает в малую воду, обнаж ая илистые поверхности нижних горизонтов осушек.

Во-вторых, сильные приливные течения в некоторых районах моря производят размы в (эрозию) морского дна и берега.

В проливах и узкостях дно такими течениями оказывается вы­ мытым до камней (Берингов пролив, Л а-М анш ).

Иногда происходит столь значительное углубление дна про­ лива, что оно оказывается глубже, чем прилегающие к проливу акватории;

так, глубина пролива, соединяющего Анадырский залив с Беринговым морем (между Русской кошкой и Землей Г ека), равна 40 м, в то время как в Анадырском заливе глубина не превышает 20 ж, а в Беринговом море у прол и ва— 15 м.

Унося отложения нижней части подводного склона, течения изменяют его профиль, равновесия (увеличивают крутизну склона), что может привести к эрозии самого берега.

Влияние непериодических течений («постоянных», сгонно-на­ гонных, стоковых) на формирование берегов несравненно меньше, чем влияние приливных течений и тем более волн. Их роль сказывается главным образом на переносе с места на место мелкозернистого м атериала. Значительно большее значение имеют сгонно-нагонные колебания уровня. В некоторых райо­ нах Мирового океана (Северное море, море Л аптевых и др.) наиболее катастрофические разруш ения берегов происходят как раз при сильных нагонах, сопровождающихся штормовыми вет­ рами и волнением.

Весьма существенна роль ветра в формировании и динамике морских берегов. Так ж е как и приливные течения, ветер 6 Ю. В. Истошин воздействует на берег двояким образом: он либо разруш ает бе­ рег в процессе ветровой эрозии, либо производит созидательную работу, вызывая прибрежную эоловую аккумуляцию. Эоловый перенос песка с суши способствует исчезновению лагун, которые в конце концов могут превратиться в плоскую сушу.

С другой стороны, ветры, дующие с моря, сдувают с пляж а сухой песок и откладываю т его на тыловой стороне пляж а, а на низменных берегах — д аж е на прилегающей полосе суши, обра­ зуя прибрежные дюны. Дюны (особенно покрытые раститель­ ностью) в некоторых районах являю тся естественной природ­ ной защитой суши от размы ва и затопления во время сильных нагонов.

Роль льдов в процессе формирования берегов заключается в следующем: льдины, выталкиваемые на берег ветрами и те­ чениями, образуют борозды как в верхней части подводного склона, так и на пляже. Захваты вая некоторое количество м а­ териала своей передней частью, льдины производят перемеще­ ние его в сторону берега. Там, где берег сложен ископаемым льдом (море Лаптевых, Восточно-Сибирское м оре), часто вслед­ ствие таяния льдов происходят обвалы берега и перемещение береговой черты в сторону суши. Случалось, что острова, сложенные ископаемым льдом и покрытые сверху только тонкой пленкой земли, в результате постепенного таяния иско­ паемого льда исчезали совсем (о. Семеновский в море Л ап ­ тевых).

Иногда сам берег представляет собой конец сползающего в море ледника, например в Гренландии, Антарктиде, на Новой Земле и т. д. Время от времени от ледника откалываются айс­ берги, которые ветрами и течениями уносятся в открытое море.

Особенно существенные изменения береговой черты вследствие отделения огромных айсбергов от ледяного барьера происходят у берегов Антарктиды.

В тропических районах Мирового океана существенное зн а­ чение в формировании берегов имеют рифообразующие ко­ раллы..

Рифообразующие кораллы — колонии беспозвоночных животных типа кишечнополостных — обладают прочным известковым скелетом. Колонии при­ крепляются ко дну. Они имеют разнообразную форму (шаровидные, древо­ видные, грибовидные, ветвистые). Встречаются кораллы до глубин порядка 50 м при среднегодовой температуре воды не ниже 20° С в водах с нормаль­ ной соленостью при достаточном насыщении кислородом. Кораллы вместе с известковыми водорослями, мшанками и моллюсками образуют мощные скопления, называемые коралловыми рифами.

Коралловые, сооружения могут быть трех типов: береговые (окаймляю­ щие) рифы, барьерные рифы и кольцеобразные атоллы. Береговые рифы рас­ полагаются непосредственно у берега и образуют широкую мелководную террасу. Барьерные рифы представляют с о б о й, коралловую гряду (или гряды), отстоящую от берега иногда на весьма значительное расстояние и идущую параллельно берегу.

Значение коралловых сооружений состоит в следующем. Во первых, в результате жизнедеятельности кораллов происходит непрерывное накопление известкового м атериала в районе ко­ ралловых поселений и формирование совершенно особого типа берега. Во-вторых, кораллы резко наруш ают обычное течение береговых процессов. Энергия волн гасится в густом лесу живых и мертвых кораллов, и процесс абразии берега замедляется.

Тем не менее уж е отмершие рифы размываю тся волнами, в ре­ зультате у подножия небольшого клифа может образоваться широкий пляж, сложенный из кораллового песка. И наконец, коралловые постройки и особенно барьерные рифы служ ат на­ дежной защитой берега от разрушительного действия океанских волн. Такую роль играет, например, Большой Барьерный риф вдоль северо-восточного берега Австралии;

его протяженность 2300 к м, расстояние от берега материка от 30 до 140 км.

§ 6. Способы защиты берегов от размыва, морских каналов и портов — от заносимости Способы защиты берегов, и подводного склона от размы ва зависят от характера берегоформирующих процессов. В основе выбора того или иного способа должно леж ать знание всех особенностей динамики берегов. Учение о динамике морских берегов, разработанное в основном советскими учеными, пред­ ставляет действенное средство в борьбе против размы ва бере­ гов, а каналов и портов — от заносимости. Методы и средства защиты берегов, каналов и портов изложены в монографии П. К- Бож ича и Н. Н. Джунковского «Морское волнение и его действие на сооружения и берега».

Защита берегов от размыва и разрушения По своему характеру разрушения морских берегов с инже­ нерной точки зрения можно подразделить на три типа: а) волно­ ударные, б) наносодефицитные продольные, в) наносодефицит­ ные поперечные. Разруш ения волноударного типа производятся вследствие механического воздействия волнения. Разруш ения берегов по причине дефицита наносов связаны с потоками нано­ сов (как, продольных, так и поперечных). Основное значение в процессе размы ва в одном районе берега и сопутствующего нарастания в другом районе имеют продольные (вдольберего вые) потоки генерального характера.

К аж дом у из этих типов разруш ения берегов соответствует вполне определенный способ защиты. При волноударном типе применяется защ ита приурезовой (чаще всего надводной) части берега от прямого действия волн в виде вертикальных берего­ укрепительных стенок или откосных облицовок.

6* Продольному наносодефицитнрму типу разрушения берега соответствуют поперечные берегозащитные устройства в виде молов или бун.

Молы вызывают интенсивную аккумуляцию наносов у берега со стороны, обращенной навстречу генеральному вдольберего вому потоку наносов, и размыв берега с другой стороны. Б у­ дучи весьма дорогостоящими сооружениями, они как средство защ иты берега применяются редко, лишь попутно с их основ­ ным применением — в качестве портовых оградительных соору­ жений.

Берегоукрепительные буны представляют собой групповые сооружения относительно малой длины и высоты, расставляе­ мые на верхней части берегового склона на некотором расстоя­ нии друг от друга перпендикулярно (или под некоторым тупым углом) к берегу. В отличие от молов, буны способны задерж и­ вать лишь часть наносов с пропуском другой части дальш е вдоль берега, вследствие чего берег за бунами размы вается меньше, чем за молом. Сооружение бун обходится значительно дешевле, чем строительство мола, к тому ж е буны легко зам е­ нять, добавлять и видоизменять, укорачивая или удлиняя их, чем изменяется их наносозадерживаю щ ая способность.

Н аиболее простой и дешевой конструкцией бун является ряд редко расставленных пар свай с дощатой толстой заборкой между ними. Часто употребляется такж е конструкция в виде одного ряда деревянных или металлических свай, забитых одна вплотную к другой, и иные, более сложные типы бун.

Д л я защ иты берега от поперечного наносодефицитного р а з­ рушения употребляются берегоукрепительные волноломы — про­ дольные сооружения, расположенные параллельно берегу и от­ стоящие на небольшое расстояние от него на глубинах 1,5— 2,5 м. Такого рода конструкции защ ищ аю т берег такж е и от разрушений волноударного характера и в некоторой степени от продольного наносодефицитного размыва.

К средствам защиты берегов от затопления и последующего размы ва штормовыми волнами прИ сильных нагонах относятся водозащитные насыпные дамбы, особенно распространенные на берегах Северного моря (Голландия).

Д л я защ иты от эоловой эрозии применяется насаж дение на песчаных дюнах разного рода растительности (деревьев, кустар­ ников, травы) и д аж е искусственная оплетка дюн.

В цунамиопасных районах (Япония) для защ иты от катаст­ рофических волн цунами применяются вдольбереговые лесопо саДки и водозащитные дамбы.

Защита морских каналов и портов от заносимости Открытые морские каналы представляют собой подводные углубления (прорези) дна, имеющие подводные боковые откосы, но лишенные надводных берегов. Открытые воздействию вол­ нения и течений морские каналы сильно страдаю т от заноси­ мое™.

В борьбе с заносимостью каналов приходится считаться с двумя процессами: а) перераспределением собственных грун­ товых масс в пределах канала (внутренняя заносимость) и б) поступлением со стороны открытого моря (лимана- как ) ! взвешенных, так и донных наносов (внешняя заносимость).

Внутренняя заносимость является следствием обрушения грунта верхних частей откосов прорези канала из-за чрезмерной крутизны откосов в первый период эксплуатации канала или после очередных дноуглубительных работ.

Н а практике применяются два способа борьбы с заносимостью:

а) создание в каналах специальных запасов глубины и ши­ рины и поддержание расчетной глубины с помощью дноуглуби­ тельных снарядов, б) ограждение канала наносозащитными сооружениями в виде дамб высокого уровня.

Аналогичные способы применяются и в борьбе с заноси­ мостью портов. Отличием является проведение в портах берего­ укрепительных мероприятий (сооружение набережных, портовых стенок и т. п.), препятствующих обвалу берега и поступлению на дно портовой акватории новых порций грунта.

ГЛАВА V ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ г _ § 1. Понятие о..строении морской воды. Аномалии _воды. _ JL ' ---- :— ---—. ТяжеМяТюдаГ Вода представляет собой окись водорода (Н 20 ) и является главной составной частью гидросферы, т. е. водяной, оболочки -земного ш ара — океанов, морей, озер и рек. Вода обладает способностью растворять очень многие вещества. М орская вода содержит в растворе газы (кислород, азот и углекислый газ) и многие соли.

Вода состоит из 11,2% водорода и 88,8 % кислорода, при­ чем по объему водорода в два р аза больше, чем кислорода.

М орская вода нормальной солености содержит 3,5% раство­ ренных веществ.

, К ак. физическое тело вода имеет;

_много аномалий. Все эти [аном алии ббъясшвУТСй'ХТр'еёЕшем самой молекулы воды и осо­ бенностями взаимного расположения молекул, т. е. структурой воды.

Строение молекулы воды (Н 20 ) несимметрично: атомы кис­ лорода и водорода (точнее, их ядра) располагаю тся по углам равнобедренного треугольника, причем атом кислорода нахо­ дится в вершине треугольника (рис. 17), а атомы водорода — на углах при его основании. Угол при вершине равен приблизи­ тельно 103— 106°. Электроны движутся по сфере вокруг центра инерции С, леж ащ его внутри указанного треугольника ближе к его вершине. Расстояние между центром инерции и центром атом а'кислорода = 0,13 А.

При образовании воды атом кислорода отнимает от двух атомов водорода их электроны и становится отрицательно за р я ­ Рис. 18. Тетраэдральное рас­ Рис. 17. Строение молекул воды.

положение молекул воды.

женным ионом, а атомы водорода, лишенные электронов, пре­ вращ аю тся в положительно заряженные ионы. Если бы атомы водорода находились на одной прямой с атомами кислорода (угол 180°), то электрические силы системы в молекуле были бы скомпенсированы. Несимметричное расположение атомов в молекуле приводит к тому, что внутримолекулярные электри­ ческие силы компенсируются не полностью — появляются оста­ точные силы. Таким образом, молекула воды образует электри­ ческий диполь со значительным дипольным моментом Высокий дипольный момент обусловливает способность молекул воды ас­ социироваться в многочисленные комплексы, состоящие из 2— отдельных молекул [гидроль (Н20 ), дигидроль (Н20 ) 2 и т. д.].

1 Диполем называется совокупность равных по величине и противополож­ ных по знаку электрических зарядов, находящихся на малом расстоянии друг от друга. Диполь характеризуется своим моментом—вектором, направ­ ленным от отрицательного заряда к положительному и численно равным про­ изведению заряда на расстояние между зарядами. Для молекулы воды ди­ польный момент представляет собой геометрическую сумму двух векторов.

« гНе менее сложна и структура воды, т. е. характер располо­ жения (упаковки) молекул относительно друг друга. Молекулы воды и особенно льда не примыкают друг к другу, как наиболее компактно уложенные шарики. В этом случае плотность воды была бы в два раза больше фактической. Морская вода имеет тетраэдрическую структуру расположения молекул. Четыре мо­ лекулы, занимающие вершины правильного четырехугольника (тетраэдра), окружают пятую, причем положительные ионы во- !

дорода направлены в сторону отрицательных ионов кислорода соседних молекул (рис. 18).

Такая структура относится к числу наиболее «рыхлых» кри­ сталлических решеток, т. е. к структурам с наименьшей плот­ ностью упаковки молекул.

В твердой фазе (лед) расположение молекул воды наиболее | отвечает тетраэдрической структуре и отличается обилием слож- * ных комплексов ассоциированных молекул и прежде всего вось- « мичленных молекул-агрегатов, имеющих объем на 10% больше,, л чем объем восьми наиболее плотно упакованных молекул. § В жидкой фазе (вода) относительное расположение молекул только приближается к тетраэдрической структуре, однако мо-** лекулы воды постоянно перемещаются, что приводит к индивид дуальным нарушениям тетраэдральной кристаллической ре- **'.

шетки, в результате чего структура становится более плотной.

Таким образом мы получаем объяснение одной из основных | j аномалий чистой воды — характерного изменения плотности при изменении температуры. * Согласно кинетической теории, плотность тела при повыше­ нии температуры должна уменьшаться вследствие увеличения средних расстояний между молекулами, связанного с усилением их теплового движения.

Чистая вода в этом отношении представляет аномалию, ко­ торая объясняется следующим образом: после плавления льда при дальнейшем повышении температуры воды происходят два процесса — увеличение плотности вещества в связи с частич­ ным разрушением тетраэдрической структуры и одновременное уменьшение плотности в соответствии с кинетической теорией..

При нагревании пресной воды от 0 до 4° С (температура наибольшей плотности пресной воды) преобладает первый про­ цесс (плотность растет), при дальнейшем увеличении темпера- j туры начинает преобладать второй процесс и плотность пресной воды становится все меньше и меньше.

В морской воде соленостью больше 24,7% (в жидкой фазе) всегда преобладает второй процесс, поэтому ее плотность с по­ вышением температуры понижается, а с понижением темпера­ туры повышается в полном соответствии с кинетической теорией.

Особенностями структуры воды, обязанными асимметрич­ ному строению ее молекул, объясняется и вторая аномалия — увеличение объема при замерзании почти на 10%. Плотность боль­ шинства тел увеличивается, а удельный объем уменьшается при переходе из жидкого состояния в твердое. Только для очень не­ многих веществ (висмут, галлий, германий, силиций и некото­ рые другие) твердая фаза, оказывается, как и для воды, легче жидкой.

Аномальна и температура кипения воды, равная 100°. Она должна была бы лежать в пределах от — 100 до — 150°, так как водород кипит при —253°, а кислород — при —180°.

Наличием ассоциированных молекул и особенностями кри­ сталлической решетки воды объясняются и такие аномалии, как исключительно большая теплота плавления и парообразования, высокие теплоемкость и диэлектрическая постоянная и некото­ рые другие.

Как известно по кинетической теории, теплоемкость с повы­ шением температуры должна непрерывно увеличиваться. Плавле­ ние льда сопровождается увеличением удельной теплоемкости от 0,49 до 1,009 кал. при 0°, но затем с увеличением температуры до 40° теплоемкость уменьшается и только при дальнейшем на­ гревании начинает увеличиваться.

Диэлектрическая постоянная большинства тел находится в пределах от 2 до 3 единиц СГС;

у воды при 20° она равна S1 единице. Только очень немногие соединения имеют большую величину диэлектрической постоянной (фтористый водород — 84, синильная кислота HCN — около 95). Следствием большой ди­ электрической постоянной является большая ионизирующая способность воды (расщепление молекул растворенных ве­ ществ на ионы) и параллельная ей большая способность к рас­ творению.

Выше были перечислены только главнейшие аномалии воды как физического тела, однако вода имеет еще ряд особенностей, которые не удается объяснить только ее строением. Некоторые из них являются следствием наличия в воде изотопных соеди­ нений водорода и кислорода. В настоящее время известны пять изотопов водорода: Н 1 с массовым числом 1 (легкий водород), H2= D с массовым числом 2 (дейтерий), Н3= Т с массовым чис­ лом 3 (неустойчивый радиоактивный изотоп — тритий) и два других, полученных только лабораторным, путем. Наиболее су­ щественное значение имеют первые два изотопа. Кислород имеет также пять изотопов: О16, О17, О18 (с массовыми числами 16, 17 и 18 соответственно), изотопы О15 и О19 в природной воде не -обнаруживаются.

Путем комбинаций двух изотопов водорода и трех изотопов кислорода получаются девять разных видов воды. Основную массу воды образуют молекулы чистой воды Н^О16, смесь всех остальных видов воды называют тяжелой водой, так как она отличается от чистой воды более высоким удельным весом. Од­ нако обычно в практике под тяжелой водой понимают только окись дейтерия Н220 16, (D20 ).

По Дитриху и Калле, на чистую воду приходится 99,73% об­ щего объема воды, на кислородно-тяжелую воду — Н ^О 18— 0,20%, на Н ^О 17—0,04% и на водородно-тяжелую воду — окись дейтерия Н220 16— только 0,000003%. К общему объему тяжелой воды Н ’гО18, Н ^О 17 и Н220 16 составляют соответственно 73,5, 14,7 и 0,001%.

Сверхтяжелой воды (окиси трития) в Мировом океане со­ держится ничтожное количество — в пересчете на тритий всего 800 г.

В табл. 8 дана сравнительная характеристика обычной и тя­ желой воды.

Таблица Физические характеристики обычной и водородно-тяжелой воды Чистая вода Тяжелая вода Физические характеристики Н02 d o 0, Плотность при 25° С 1,...

0° +3,82° Температура плавления...

100° 101,42° Температура кипения...

Температура наибольшей 11,4° 3,98° плотности................................

80, Д иэлектрическая постоянная 1,33300 1, П оказатель преломления..

18 20, М олекулярный вес....

П оверхностное натяж ение при 67,8 dunjсм 72, 20° с. дин [см § 2. Оптические свойства морской воды Освещенность поверхности моря. Поверхность моря осве­ щается непосредственно солнечными лучами (прямая радиация) и светом, рассеянным небесным сводом (рассеянная радиация), т. е. частью солнечных лучей, которые на своем пути к Земле оказались рассеянными атмосферой как таковой и облаками.

Средняя освещенность горизонтальной поверхности прямыми лучами солнца, находящегося точно в зените, равна 140 тыс.

люкс. По мере уменьшения высоты солнца освещенность гори­ зонтальной плоскости убывает, так как возрастает толща воз­ духа, пронизываемая солнечными лучами (при этом часть свето­ вой энергии рассеивается), и изменяется угол падения лучей на плоскость (большая часть энергии отражается). На рис. кривая 5 представляет собой освещенность горизонтальной по­ верхности прямыми солнечными лучами, причем освещенность поверхности солнцем, стоящим в зените, принята за единицу.

Для получения абсолютных величин освещенности при разных высотах солнца необходимо соответствующее данной высоте зна чение ординаты, снятое с кривой, умножить на 140 тыс. люкс.

Кривая S 0 выражает изменение освещенности не горизон­ тальной поверхности моря, а плоскости, перпендикулярной сол­ нечным лучам. Ординаты кривой S меньше ординаты кривой So, потому что при уменьшении высоты солнца освещенность пер­ пендикулярной лучам плоскости убывает только за счет воз­ растания толщи воздуха, угол же па­ 1,0 дения лучей остается все время посто­ янным (90°).

Кривая N выражает изменение 0, освещенности горизонтальной плоско­ сти светом, исходящим от небесного о, в свода при полном отсутствии облачно­ сти, а кривая А — светом, исходящим от высоко-кучевых облаков. Прямая о, радиация в несколько раз превышает рассеянную, только при очень малых 0, высотах солнца (перед его заходом за горизонт) картина меняется на О 20 40 60 80° обратную. Освещенность поверхности моря светом, отраженным от облаков, оказывается большей, чем освещен­ Рис. 19. Освещенность по­ верхности моря солнцем и ность небесным сводом при полном небесным сводом. отсутствии облачности. Только при очень плотных облаках (низкие слои­ стые и дождевые) освещенность облачным небом уменьшается и при малых высотах солнца уступает освещенности безоблач­ ным небесным сводом.

Отражающая способность поверхности моря выражается через его альбедо, представляющее отношение количества всей энергии, отраженной данной поверхностью, ко всему количеству энергии, падающей на эту поверхность. Чем большая часть па­ дающей лучистой энергии уходит обратно в атмосферу, тем больше альбедо.

Альбедо морской воды увеличивается, кроме того, за счет радиации, обусловленной молекулярным рассеянием самой массы воды и рассеянием взвешенными в ней частицами.

Проникновение света в воду. Падая на поверхность моря, солнечные лучи частью отражаются в атмосферу, частью ухо­ дят в воду после преломления у поверхности воды. Угол пре­ ломления (я|з) зависит от высоты солнца (а) и от показателя преломления (и =1,32) и находится по формуле sin = -i- sin (90° — а).

[ При отвесном падении прямых солнечных лучей в воду вхо­ дит преобладающая часть падающей световой энергии (около 98%) и только около 2% отражается, по мере уменьше­ ния высоты солнца соотношение меняется — доля отраженного света возрастает. При высоте солнца 15° в воду проникает все еще очень большая часть энергии падающего света (80% ), но при дальнейшем уменьшении вйсоты солнца доля отра­ женного света резко возрастает: при а = 1 0 ° отражается 34,5% падающей световой энергии, а при а = 2 ° — уже 78,5%.

Отражение потока диффузной световой энергии (рассеянной небесным сводом или облаками) составляет около 5%, соот­ ветственно 95% этой энергии поступает в воду.

Морская вода является полупрозрачной средой, вследствие чего свет не проникает на большие глубины океана, а рассеи­ вается и поглощается. Освещенность на глубине зависит также от высоты солнца, поскольку при уменьшении высоты солнца соответственно увеличивается угол преломления ф и увеличи­ вается длина пути, проходимого солнечными лучами. При вы­ соте солнца 10° лучи проходят в 1,5 раза больший путь до неко­ торого заданного горизонта, чем при отвесном падении лучей.


Это обстоятельство сказывается на световом режиме глубин моря, так как при малых высотах солнца на глубины моря при­ дет меньшее количество световой энергии — большая ее часть успеет по пути рассеяться и поглотиться.

Поглощение и рассеяние света в воде. Ослабление света, про­ ходящего через воду, происходит за счет совокупного действия процессов поглощения и рассеяния. При рассеянии происходит только изменение направления световых лучей и уход их в сто­ рону, при поглощении свет превращается в другую форму энер­ гии — в основном в тепловую и в незначительной части в хими­ ческую (при фотосинтетической деятельности растений). Процесс ослабления (экстинкции) света нойит избирательный характер.

Составные части белого света — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый—-по-разному погло­ щаются и рассеиваются морской водой. По мере проникновения в воду эти цвета исчезают один за другим. Сначала исчезает красный и оранжевый, приблизительно на глубине 50 м, затем — желтый и зеленый (на глубине до 150 м) и наконец голубой, синий и фиолетовый (на глубине 300—400 м).

Поглощение света рассчитывается по формуле I = 10е ~ т № ' где z — глубина моря, для которой рассчитывается поглощение;

/о — интенсивность света на поверхности моря;

/ —-интенсив­ ность света на глубине z;

т — коэффициент поглощения.

Таким образом, ослабление светового потока в результате поглощения характеризуется коэффициентом поглощения т, который является функцией длины волны К (см. табл. 87 «Океано­ логических таблиц» Н. Н. Зубова, 1957 г.).

В табл. 9 даны коэффициенты поглощения света морской водой (для видимой части спектра). Интенсивнее всего погло­ щается красная область спектра с длиной волны 0,63—0,67 мик­ рона, значительно слабее поглощение в зеленой части видимого спектра (0,52—0,56 микрона) и совсем слабое — в сине-фиолето­ вой (0,44—0,48 микрона).

Таблица Значения коэффициента поглощения света для морской воды Длина волны, микроны.. 0,680 0,660 0,640 0,620 0,600 0,580 0,520 0,480 0,460 0, Коэффициент поглощ ения 0,402 0,330 0,287 0,259 0,190 0,086 0,028 0,018 0,016 0, Большим коэффициентом поглощения в красной части спектра и объясняется быстрое исчезновение красного света в поверхностном слое моря. Для синих и фиолетовых лучей с малым коэффициентом поглощения морская вода является вполне прозрачной средой, и если бы ослабление света опреде­ лялось только одним процессом поглощения, то синий свет про­ никал бы на очень большие глубины моря. Но на процесс по­ глощения накладывается еще эффект рассеяния света.

Рассеяние света рассчитывается по формуле, подобной фор­ муле поглощения, только коэффициент поглощения т заме­ няется коэффициентом рассеяния k. Различают молекулярное рассеяние света и рассеяние различными включениями, содержащимися в морской воде во взвешенном состоянии.

Полная энергия молекулярного рассеяния света обратно про­ порциональна четвертой степени длины волн в различных ча­ стях спектра. Коэффициент молекулярного рассеяния k вы­ числяется по формуле,_ 0, где X — длина волн (в микронах) в различных частях спектра.

Таким образом, коэффициент молекулярного рассеяния для лучей сине-фиолетовой области спектра оказывается значи­ тельно (в 3 раза) большим, чем коэффициент для красных лучей.

В первом приближении можно считать, что совокупный эф­ фект избирательного поглощения и молекулярного рассеяния света в морской воде совершенно одинаков для всех морей и океанов. Рассеяние света взвешенными в морской воде части­ цами, напротив, чрезвычайно изменчивый процесс, зависящий от количества и размеров включений. При весьма малых раз­ мерах включений (с диаметром, соизмеримым с длиной све­ товой волны) эффект рассеяния частицами включений анало­ гичен молекулярному рассеянию, но при увеличении диаметра частиц этот эффект становится все существеннее. Очень круп­ ные включения могут вызвать рассеяние, в 200 раз превышаю­ щее молекулярное.

В природе процессы поглощения и рассеяния идут парал­ лельно. Мерой общего ослабления света служит коэффициент экстинкции с, являющийся суммой коэффициентов поглощения m и рассеяния света k. Общее ослабление света, таким образом, может быть рассчитано по формуле I ^ h e ~ cz.

Иногда экстинкция дается в процентах к падающему излу чению Расстояние L, на котором световой поток ослабляется в е раз, называют натуральной длиной ослабления света.

Прозрачность морской воды. Прозрачность моря зависит от характера процессов поглощения и рассеяния света в морской воде, главным образом от размеров и количества взвешенных в воде частиц (взвесей) органического и неорганического проис­ хождения. Можно считать, что прозрачность не зависит ни от температуры, ни от солености морской воды.

П од прозрачностью в океанографии понимают глубину погружения бе­ лого диска (диаметром 30 см), на которой диск перестает быть видимым с поверхности м о р я.1 Определение цвета производится по специальной шкале, состоящ ей из пробирок, наполненных растворами, цвет которых сравнивается с цветом морской воды.

По В. В. Шулейкину, прозрачность обратно пропорциональна коэффициенту рассеяния: Я = —, где Н — глубина исчезнове­ ния белого диска.

Это соотношение дает возможность связать условную харак­ теристику— относительную прозрачность — с физической харак­ теристикой оптических свойств морской воды. Вышеприведенная формула справедлива для молекулярного рассеяния. Если опре­ делить аналогичное соотношение для общего коэффициента 1 У казанная прозрачность н азы вается относительной. Кроме того, ис­ пользуется понятие физическая (истинная) прозрачность, определяемая по ин­ тенсивности ослабления света в море.

экстинкции, то оно оказывается различным для индивидуальных 1 морей. Так, по А. А. Гершуну, для внутренних морей Я = —, для Белого моря, по А. В. Трофимову, Н = —, а для Ла Манша, по Пулю и Аткинсу, # = - -. Таким образом, глубина исчезновения белого диска обратно пропорциональна коэффи­ циенту полного ослабления света (за счет рассеяния и поглоще­ ния света). Поскольку коэффициент экстинкции наибольший для вод, богатых примесями, то для них прозрачность оказы­ вается наименьшей.

Прозрачность должна измеряться при строго определенных условиях, так как ее величина зависит от высоты наблюдений, времени суток (высоты солнца), облачности и волнения моря.

С увеличением высоты наблюдений (до 200—300 м) прозрач­ ность увеличивается, следовательно, наблюдения над прозрач­ ностью сопоставимы только при фиксированной высоте на­ блюдений (3—7 м). Волнение моря ослабляет поток света, проникающий в глубь моря, вследствие чего прозрачность уменьшается 1 То же самое наблюдается при наличии мощного.

облачного покрова. Наиболее благоприятные условия создаются тонкими перистыми облаками, при которых прозрачность наиболь­ шая. Наиболее точными будут величины прозрачности при вы­ соком стоянии солнца (около полудня).

Цвет морской воды и цвет моря. Различают цвет морской воды и цвет моря. Цвет морской воды обусловливается совокуп­ ным действием поглощения и рассеяния света в воде. Основная роль при этом отводится диффузному (рассеянному) потоку световой энергии, исходящему из глубин моря. Поток света, обя­ занный молекулярному рассеянию, вызывает чисто голубой цвет. Этот цвет и является собственным цветом абсолютно чи­ стой, без примесей морской воды.

Индивидуальные особенности цвета воды каждого моря, так же как и величина его прозрачности, зависят в основном от процесса рассеяния света крупными включениями, т. е. от ко­ личества и размеров взвешенных частиц органического и неорга­ нического происхождения, от содержания в воде растворенных газов и т. д.

Цвет моря, т. е. окраска его поверхности, зависит от разного рода внешних условий: от угла зрения, под которым наблю­ датель смотрит на морскую поверхность, от цвета неба, наличия облаков, от состояния поверхности моря, в первую очередь от размеров и формы ветровых волн. Замечено, что при возникно­ 1 При определенных условиях можно наблю дать и обратную картину.

вении волн море начинает быстро синеть, а при плотных облаках цвет моря кажется более темным.

Поскольку цвет и прозрачность определяются одними и теми ж е факторами, между ними должна существовать опреде­ ленная зависимость. В табл. 10 показано примерное соотноше­ ние между относительной прозрачностью и цветом морских вод, выведенное Ю. В. Преображенским по материалам наблюдений в море при 10-балльной облачности и волнении до 3 баллов.

Т а бл ид а Соотношение меж ду относительной прозрачностью и цветом морской воды Прозрач­ Прозрач­ Словесное № шкалы № шкалы Словесное ность воды ность воды по белому по белому цветности определение цветности определение 1 диску, м диску, м X I — XI I 30 7— Ж ел то в ато ­ I Темно-синий 30—26 зеленый II Синий 25—21 5,5 — X I I I — XI V Зеленовато Темно-голубой ш 20— 17 ж елтый Г олубой IV 4,5 — 16— 12 XV— XVI М утно-желтый V—V I Зеленовато XVII— XVIII 3,5 — Коричневато голубой 11— V II—V III ж елтый Г олубовато­ 2,5 — X I X— XX Ж елтовато зеленый IX — X Зеленый 9—8 коричневый XXI Коричневый, 2, 1 Одинаковые словесные определения разных оттенков ш калы, например V—V I и др., разн ятся м еж ду собой лиш ь интенсивностью. (Ред.) Распределение цвета и прозрачности в океанах и морях. Об­ щей закономерностью, свойственной всем океанам и морям, является некоторое уменьшение прозрачности по мере прибли­ жения к берегам. Цвет воды при этом также меняется, вода зеленеет, а иногда приобретает желтоватые и даж е коричне­ ватые оттенки. Объясняется это тем, что прибрежные воды рас пресняются стоком рек, воды которых богаты всевозможными взвесями. К тому ж е на прибрежных мелководьях воды взмучи­ ваются во время штормов.


В открытом море прозрачность и цвет определяются в основ­ ном количеством частиц органического происхождения, главным образом количеством планктона, и сильно изменяются в связи с сезонными колебаниями количества планктона. Весной и осенью, в период интенсивного разития фитопланктона, про­ зрачность моря уменьшается и цвет его вод становится зеленым.

В центральных частях океанов прозрачность обычно превы­ шает 20 м, а цвет соответствует первым трем номерам шкалы цветности морской воды. Наибольшая прозрачность, а именно / 65,5 ж, наблюдалась в Саргассовом море. В умеренных и поляр­ ных зонах океанов, богатых планктоном, прозрачность 15—20 ж, а цвет зеленовато-голубой. В морях умеренного пояса вода имеет зеленый цвет, а в местах впадения крупных рек — мутно­ желтый и коричневато-желтый;

прозрачность при этом резко падает (до 4—5 ж ).

Свечение и цветение м оря. Свечением моря, по Н. И. Тара­ сову, называется воспринимаемое зрением ночью увеличение яркости морской поверхности, вызванное светом, излучаемым морскими организмами.

Свечение моря вызывается массовым свечением планктонных организмов. Одни организмы светятся непрерывно (бактерии), другие — под влиянием раздражения, третьи — произвольно.

Различают три типа свечения: разлитое, искрящееся и свечение крупных организмов. Первый тип вызывается бактериями. Это сплошное, как бы «разлитое» по поверхности моря свечение.

Часто его называют бактериальным. Искрящееся (точечное) све­ чение вызывается планктоном (многими видами жгутиковых, на­ пример ночесветкой, некоторыми брюхоногими и головоногими моллюсками, рачками эвфаузидами и т. д.). Светятся также крупные по размерам организмы: рыбы, крупные медузы, ко­ лониальные оболочники, например огненная пирозома длиной до 1 ж.

Светящиеся организмы обитают во всей толще вод от по­ верхности до дна и на самом дне. Некоторые из них светятся с помощью маслянистых капелек, находящихся внутри клетки (ночесветки), у других специальные железы выделяют светя­ щееся вещество (медузы, рачки), третьи имеют особый светя­ щийся орган (рыбы, головоногие моллюски).

Явление свечения моря представляет практический интерес для различных отраслей деятельности человека. Это явление следует учитывать, в частности, как при промысле рыбы и мор­ ского зверя, так и при мореплавании. Так, например, свечение моря может сигнализировать рыбакам о наличии косяков рыбы и в то же время отпугивать ее, демаскируя рыбацкие сети, мо­ жет предостеречь мореплавателей от подводных опасностей и от столкновения с судами и плавающими предметами, так как при движении последних вырисовываются их светящиеся контуры.

Под цветением моря подразумевается необычное изменение окраски поверхности моря, вызванное биологическими причи­ нами. Это явление — следствие бурного развития растительных и реже животных организмов. Массовые скопления обычно одного какого-либо организма окрашивают поверхность моря в желтый, розовый, молочный, коричневый, красный и зеленый цвета.

Ночесветка, светящаяся ночью, днем вызывает цветение моря, окрашивая его в розовые, буро-красные, а иногда желтые или \ зеленые тона. При массовом развитии диатомовых водорослей у тихоокеанских берегов Северной Америки море приобретает цвет крови.

Сине-зеленые водоросли окрашивают морскую воду в зеленый цвет. В тропиках скопления сине-зеленых водорослей трихо десмиум занимают десятки и даж е сотни миль. Вода имеет при этом запах хлора, а волнение моря успокаивается. Зеленая окраска воды сине-зелеными водорослями в летнее время года — частое явление в Азовском и Балтийском морях. Осенью в Азовском море в результате интенсивного развития кремневых одноклеточных водорослей нередко вода принимает коричневую окраску. В полярных районах к розовой или красноватой ок­ раске моря приводит скопление ракообразных животных орга­ низмов (капшака).

Вызывают изменение окраски моря также икра рыб и яйца морских червей. Так, яйца тропического червя палоло окраши­ вают воду в молочный, соломенно-желтый и другие цвета.

§ 3. Акустические свойства морской воды Звук в морской воде. Звук представляет собой волнообразно распространяющиеся колебательные движения частиц упругой среды, какой следует рассматривать морскую воду. При распро­ странении акустических волн в морской воде происходят коле­ бания ее плотности (или удельного объема) на пути следования звука. Таким образом, в отличие от многих задач океанографии, при решении которых морскую воду можно считать практически несжимаемой, в акустике она рассматривается как сжимаемая среда.

Звуковая волна имеет сферическую форму, а сила звука уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.

Силу звука выражают обычно в эрг/см2сек. Она пропорцио­ нальна квадрату частоты, которая определяется числом упру­ гих колебаний в секунду. Таким образом, от источника одной и той ж е мощности можно получить звук большей силы, уве­ личивая частоту звуковых колебаний. Ультразвуки (звуки боль­ шой частоты) обладают еще одним преимуществом по сравне­ нию с другими. Вследствие малой длины ультразвуковых коле­ баний по сравнению с размерами источника звука обеспечи­ вается излучение энергии в виде слаборасходящегося пучка.

По этой причине ультразвук является типом сигнала, особенно пригодным для осуществления эхолотирования и подводной связи.

Распространение звука в воде сопровождается его затуха­ нием вследствие поглощения и рассеяния, а также процессами преломления и отражения звуковых волн.

7 Ю, В. Истошин Различают слышимые и неслышимые колебания упругих сред.

Слышимость зависит от частоты колебаний. Если колебание происходит с частотой от 20 до 20 000 колебаний в секунду, то возникает звук, воспри­ нимаемый человеческим ухом. Колебания с частотами ниже 20 1 (инфра­ звук) и выше 20 к г ц 1 (ультразвук) не вызывают слуховых ощущений.

Инфразвуковые колебания имеют длину волны, измеряемую десятками мет­ ров, ультразвуковые— миллиметрами.

Для практики важны как слышимые, так и неслышимые звуки, однако ультразвуковые колебания представляют наибольший интерес (при осущест­ влении подводной связи, пеленгации и локации).

Скорость звука в морской воде определяется по формуле Ньютона—Лапласа — У - где а — удельный объем, исправленный поправками на сжимае­ мость морской воды, a k — истинный коэффициент сжимаемости, Ср у = —р -отношение теплоемкости воды при постоянном давле ---- С нии к теплоемкости при постоянном объеме.

Таким образом, оказывается, что скорость звука зависит прежде всего от плотности морской воды или от величины, ей обратной,— -удельного объема;

плотность же воды зависит от ее солености, температуры и давления. Вот почему при всех рас­ четах скорости звука необходимо знать если не распределение температуры и солености морской воды послойно, то по крайней мере среднюю плотность воды от поверхности до дна или до какого-либо заданного горизонта.

Температура и соленость воды в Мировом океане меняются от района к району и от сезона к сезону, следовательно, ме­ няются и физические условия распространения звука в море.

Скорость звука в морях и океанах может колебаться от до 1550 м/сек, как это показано в табл. 11 (Табл. 33 «Океано­ логических таблиц», 1957г.).

Таблица Скорость звука (в м/сек), для морской воды различной солености и температуры S% t.

° 0 20 30.

1445 1399 1412 1426. 1444 1480 1457 1480 1491 1502 1543 1504 1516 1 гц — 1 колебанию в секунду, 1 Герц и килогерц — единицы частоты:

1 кгц= 1000 колебаниям в секунду.

Для расчета скорости звука на глубинах необходимо при­ нимать во внимание давление воды. Это достигается внесением соответствующей поправки (по табл. 34 «Океанологических таблиц»).

Расчет скорости звука для конкретного примера приведен в табл. 12.

Таблица Расчет средней скорости звука на океанологической станции Глу­ vp т vp &vB vp щ бина ° 5°/оо горизонта слоя Нм 35,60 1520,1 0 1520, 0 20, 151540, 1515, 1509,0 1510, 16,50 35,5 3 1, 150900, 1509, 1503,6 3,6 1507, 14,81 35, 301260, 1506, 1498,2 7,2 1505, 35, 13, 300820, 1504 Д 11,55 1492,0 10,8 1502, 35, 300080, 1500, 1483, 9,21 34,77 14,5 1498, 298700, 1493, 5,9 4 1470, 34,97 18,1 1489, 743800, 1487, 1458, 34,51 2 7, 3,1 5 1485, 744450, 1488, 2,42 34,72 1455,7 3 6,3 1492, 748050, 1496, 34,75 1455,0 4 5,3 1500, 2, 751900, 1503, 34,75 1452,9 5 4,4 1507, 1, 755550, 1511, 34,7 4 1451,4 6 3,4 1514,8.

1, 759300, 1518, 1522, 1,09 34,73 1450,0 7 2, 763250, 1526, 1,04 1530, 34,73 1449,8 8 0, 767500, 1535, 1,02 1449,6 1539, 34,73 89, 2 = 7537100, to — скорость звука на поверхности моря при данной температуре и со­ лености, v p — скорость звука на данном горизонте (слое), Av b — поправка скорости звука на давление (сжимаемость), АН — толщина слоя в метрах;

2 ( ?)Д Н н и°р== • Для нашего примера средняя скорость звука в слое 5000 м * 7 537100 1СЛ_, будет иср = ~ 5ооо— = 1507 м1сек 7* Рассмотрим подробнее зависимость скорости звука от темпе­ ратуры, солености и давления. С увеличением температуры воды удельный объем воды увеличивается, а коэффициент сжимае­ мости k уменьшается;

в итоге скорость звука растет как за счет увеличения удельного объема, так и за счет уменьшения коэф­ фициента сжимаемости.

G увеличением солености воды уменьшается как удельный объем, так и коэффициент сжимаемости, поэтому поправка вно­ сится с разными знаками. При увеличении солености на 1% о скорость звука вследствие уменьшения удельного объема умень­ шается на 0,04% своей величины, но за счет уменьшения коэф­ фициента сжимаемости возрастает на 0,123%- В итоге проис­ ходит возрастание скорости звука на 0,083%. Таким образом, при увеличении солености на 1% скорость звука, равная, напри­ мер, 1500 м/сек, увеличится на 1,25 м/сек.

Увеличение гидростатического давления приводит к уменьше­ нию скорости звука за счет уменьшения удельного объема, однако при этом в большей степени скорость увеличивается за счет уменьшения коэффициента сжимаемости.

Подытоживая, следует сказать, что скорость звука растет с повышением температуры, солености и давления, а с их по­ нижением уменьшается. Преобладающим фактором, как это видно из табл. 11, является изменение температуры, наименьшее значение имеет изменение солености, так как оно обычно незна­ чительно.

В реальном море возможны четыре типа вертикального рас­ пределения скорости звука: 1) скорость звука возрастает с глу­ биной (положительный градиент скорости), 2) скорость звука убывает с глубиной (отрицательный градиент скорости), 3) ско­ рость звука имеет максимум на некоторой глубине, 4) скорость звука имеет минимум на промежуточной глубине.

Первый тип имеет- место там, где отсутствует термическая стратификация и скорость звука с глубиной увеличивается вследствие повышающегося давления. Второй тип характерен для термически сильно стратифицированных и не очень глубоких морей( например, для случая, приведенного в табл. 12, если бы глубина моря равнялась 1500 м). Третий тип редко наблю­ дается, да и то только в мелководных морях. Он связан с на­ личием изотермии в поверхностных слоях моря и резкой терми­ ческой стратификации — в глубинных. Для глубоких морей, осо­ бенно летом, наиболее распространен четвертый тип (случай, приведенный в табл. 12).

Расчеты по теоретической формуле Ньютона—Лапласа и по табл. 33 «Океанологических таблиц» дают величины скорости звука со средней ошибкой ± 4 м/сек. Поэтому на практике, когда требуется большая точность, получили распространение эмпирические формулы, дающие лучший результат. Часто упо требляется формула Дель-Гроссо, имеющая вид v = 1448,6 + 4,618* - 0,0523/* + 0,00023/3 + 1,25 (S — 35) - 0,0 1 1 ( 5 - 3 5 ) / ' + 2, 7 • 1 0 - 8(5 - 35)/ 4 - 2 • 1 0 ~ 7( 5 - 3 5 ) 4 Х X (1 + 0,577/ - 0,0072/2) * /с е к, где t — температура, 5 — соленость морской воды.

Эта формула с введением поправки на давление, определяе­ мой по формуле ДуР = 0,0175 р (где давление р в децибарах приближенно равно глубине, выраженной в метрах), обеспечи­ вает точность расчета для морской воды соленостью свыше 15% о ± 0,5 м/сек (для солоноватых вод ± 0,8 м/сек). Еще меньшая ошибка (0,1—0,2 м/сек) получается при использовании фор­ мулы Вильсона, учитывающей нелинейные поправки на давле­ ние для вод с различной температурой и соленостью. Эта фор­ мула приведена в «Физической океанографии» Н. И. Егорова и здесь по причине ее громоздкости не приводится. По формуле Вильсона построены «Таблицы для расчета скорости звука в морской воде».

Затухание звука в море вызывается его поглощением и рас­ сеянием. Поглощение звука в морской воде зависит от моле­ кулярной теплопроводности и молекулярного трения (вязкости) и определяется по формуле где / 0 — сила звука у его источника, I — сила звука на расстоя­ нии х от источника, |3 — коэффициент поглощения звука.

Коэффициент поглощения звука для однородной среды, со­ гласно Кирхгофу и Стоксу, где / — частота колебаний, т} — вязкость, k — теплопроводность, 6 —-плотность среды, v — скорость звука, у — отношение тепло­ проводностей при постоянном давлении и постоянном объеме.

Коэффициент поглощения звука р,..определяющий затухание силы звука за счет поглощения, пропорционален квадрату ча­ стоты звуковых колебаний (или обратно пропорционален квад­ рату длины звуковых волн). По этой причине звуки высокой частоты (с малой длиной волны) поглощаются особенно сильно.

С другой стороны, с увеличением частоты возрастает начальная сила звука. Таким образом, для обеспечения максимальной дальности распространения звука необходимо подобрать опти­ мальную частоту.

Расчеты по формуле Кирхгофа—Стокса показывают, что по­ глощение звука за счет молекулярного трения (вязкости) приблизительно в 2000 раз больше, чем поглощение за счет тепло­ проводности.

Для морской воды, как и для многих других жидкостей, из­ меренные коэффициенты поглощения оказались в три раза больше вычисленных по формуле Кирхгофа—Стокса, что объяс­ няется недоучетом процессов релаксации, т. е. явления сжатия и разрежения молекул воды при распространении звука.

Затухание звука обязано также процессу молекулярного рас­ сеяния и рассеяния взвешенными в морской воде примесями, главным образом пузырьками воздуха и планктоном. При от­ сутствии примесей затухание звука вследствие молекулярного рассеяния очень мало. Большое количество крупных по разме­ рам примесей делает рассеяние соизмеримым с поглощением.

Так как в реальном море трудно отделить процессы погло­ щения от процессов рассеяния, то их рассматривают совместно.

Общий коэффициент затухания % в формуле /= хорошо аппроксимируется формулой Х= 0,036f ' ^d d jK M, где f — частота звуковых колебаний в кгц. Расчеты по этой фор­ муле дают следующие значения коэффициентов затухания для различных частот:

/ к г ц...................... 10 20 30 40 50 60 I dff/ к м................... 1,03 3,00 5,45 8,4 11,7 15,3 19,0 23,6 30, Для более низких частот (при взрывных источниках звука) коэффициент поглощения выражается в сотых децибела на километр.

Проникновение звука в воду, отражение и преломление (ре­ фракция) звуковых лучей. Звуковой канал. Звуки из воды в воз­ дух и, наоборот, из воздуха в воду передаются весьма плохо.

Д аж е при нормальном падении звукового луча (при угле 90°) в. воду проникает только 0,1% его энергии. При углах падения меньше 14° звуковые лучи почти полностью отражаются от по­ верхности моря при вхождении как в воду из атмосферы, так и из воды в атмосферу (испытывая полное внутреннее отра­ жение).

Звуковые лучи у поверхности раздела двух сред (при про­ никновении как из воздуха в воду, так и из воды в воздух) 1 дб — децибел — десятая доля бела единица для измерения уровня — силы звука, под которым понимается десятичный логарифм отношения силы звука / к условной силе звука / н, принимаемой за нулевой уровень;

/ н= = 10~9 эрг/см 2сек.

ведут себя в соответствии с общими законами отражения и пре­ ломления: на поверхности моря луч частично отражается, а ча­ стично, преломившись, входит в другую среду.

Звуковой луч после преломления при вхождении в воду от­ клоняется от перпендикуляра, восстановленного в точке падения, в отличие от светового луча, отклоняющегося в сторону перпен­ дикуляра (рис. 20). Естественно, при выходе луча из воды картина меняется на обратную. Такое поведение луча объяс­ няется различной акустической плотностью воды и воздуха:

вода является акустически менее плотной средой, чем воздух.

Рис. 20. П реломление звукового (а) и светового (б) лучей при переходе из воздуха в воду.

Средой акустически более плотной называется та, в которой скорость распространения звука меньше. В воздухе звук рас­ пространяется в 4,2—4,5 раза медленнее (в воздухе при ^ = 0 ° v = 332 м/сек, в воде v = 1400 -н 1450 м/сек).

Точно так ж е ведет себя звуковой луч при прохождении через слои различной акустической плотности в самой воде, в результате чего траектория луча искривляется.

Искривление траектории звукового луча называется рефрак­ цией. В акустически однородной среде рефракция не проис­ ходит, в реальном ж е море она всегда имеет место, даж е в том случае, если температура и соленость воды от поверхности до дна одинаковы (за счет увеличения скорости звука из-за роста давления — типичный случай положительной рефракции). Отри­ цательная рефракция наблюдается при убывании скорости звука с глубиной, а знакопеременная рефракция — в случае на­ личия минимума или максимума скорости звука на некоторой глубине в толще воды.

Построим траекторию звукового луча для акустически неод­ нородного моря. Для этого разобьем толщу воды на ряд слоев, для которых скорость звука можно полагать неизменной» На границе раздела двух слоев звуковой луч будет претерпевать отражение и преломление (рис. 21). Угол отражения ai равен углу падения а, а угол преломления р может быть больше или меньше а в зависимости от соотношения скоростей звука.а ос,/ \/ I слой (гд е с с, ) Рис. 21. Реф ракция звуковы х лучей в переслоенном море.

в рассматриваемых слоях. По аналогии с законом преломления света В. Снеллиуса можно написать или Sin а с П — sin fi Су где с — скорость звука в верхнем слое, a ct — скорость звука в нижележащем слое, п — относительный показатель преломле­ ния звуковых лучей.

Поверхность м о р я c, c 2 c3 c^ Рис. 22. Траектории лучей при отрицательной рефракции.

Показатель преломления п при убывании скорости звука с глубиной больше единицы, при возрастании — меньше еди­ ницы. На рис. 22 показан характер отрицательной рефракщда (п 1 ). Луч 1 испытывает полное внутреннее отражение от по 104 верхности моря. Он распространяется в горизонтальном на­ правлении дальше, чем любой другой луч, вышедший из излу­ чателя И под большим или меньшим углом (лучи 2 и 3). За предельным лучом 1 образуется зона акустической тени: ни один луч, как непосредственно вышедший из излучателя, так и отраженный от поверхности моря, в зону тени не проникает.

Поскольку при таком характере рефракции наблюдается умень­ шение дальности горизонтального распространения звукового луча, такая рефракция называется отрицательной. При отрица­ тельной рефракции звуковые лучи изгибаются, обращаясь выпуклостью кверху.

На рис. 23 показаны траектории звуковых лучей при положи­ тельном характере рефракции (п 1 ). Зона тени в этом случае П оверхност ь м о р я c f с2 с3 cs Рис. 23. Траектории лучей при положительной рефракции.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 14 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.