Океанология
Океанография не ограничивается изучением физических, биологических и химических процессов, происходящих в морской воде. Океанографов также интересует земная кора, расположенная под океаном. Изучение конфигурации дна океана, естественно, приводит к постановке следующих вопросов. Какие силы сохраняют материки? Каковы причины формирования топографии дна моря? Как быстро переносится материал, получаемый морем при разрушении материков, и как он откладывается в море? Материки и океаны существуют миллиарды лет, почему же материки не утонули Твердая оболочка Земли в прошедшие геологические времена также была в движении. Если выветривание и разрушение стекающими водами тстираеты материки с лица Земли, то радиоактивное нагревание в недрах нашей планеты вызывает новое горообразование. Этот механизм не только способствует сохранению рельефа твердой оболочки, но также меняет облик планеты, вызывая дрейф материков.
Сейчас мы, по-видимому, больше знаем об обратной стороне Луны, чем о дне океана. Если все детали лунного пейзажа можно обнаружить с помощью камеры космического корабля, то дно океана скрыто завесой морской воды. XD
Приливы и приливообразующая сила На большинстве побережий море наступает и отступает с регулярным ритмом один раз или дважды в день. Амплитуда этого колебания изменяется от долей метра до 15 м (в заливе Фанди). Первой известной попыткой предсказания приливов были таблицы полной воды у Лондонского моста, опубликованные в 1213 г. аббатом монастыря Св. Олбена. В 1687 г. Ньютон показал, что приливы возникают в результате гравитационного притяжения Луны, Солнца и Земли, причем наибольшее влияние на Землю оказывает Луна. Рассмотрим только систему Земля — Луна. Поскольку среднее расстояние между центрами Земли и Луны не меняется со временем, гравитационное притяжение Луны должно в точности уравновешиваться центробежной силой от вращения Земли вокруг центра масс системы Земля — Луна (рис. 14. 3). В то время как эта центробежная сила одинакова повсюду на Земле, гравитационное притяжение Луны меняется от места к месту. Если провести линию через центры двух тел, то на Земле в точке, ближайшей к Луне, будет наблюдаться большее гравитационное притяжение, чем в точке, наиболее удаленной от Луны. Поскольку центробежная сила должна уравновешивать среднее гравитационное притяжение, то в ближайшей к Луне точке притяжение превысит центробежную силу и в результате суммарная сила будет направлена к Луне. С другой стороны, в наиболее удаленной от Луны точке центробежная сила будет больше силы притяжения и суммарная сила будет направлена от Луны.
Предположим, что Земля полностью покрыта водой, на которую действует лунная приливообразующая сила. Эта сила вызовет поднятие уровня в точках, наиболее близких и удаленных от Луны, и падение уровня на остальной поверхности Земли. Так как Земля вращается вокруг своей оси, а Луна обращается вокруг Земли, то приливные горбы будут следовать вместе с линией центров, совершая полный оборот за 24 ч 50 мин. (Поскольку Луна обращается вокруг Земли в том же направлении, в котором происходит вращецие Земли вокруг своей оси, то требуется несколько больше одних суток для полного оборота Луны. ) Поскольку существуют два приливных горба, то в любом месте Земли будут наблюдаться две полные воды. Поэтому период главной лунной приливной волны составляет 12 ч 25 мин. При более детальном исследовании движения Солнца, Луны и Земли можно обнаружить и другие приливообразующие силы с различными частотами. Некоторые из наиболее важных составляющих этих сил, их периоды и относительные амплитуды приведены ниже. Приливная волна Период, часы Относительная амплитуда Полусуточная: главная лунная 12, 42 0, 454 главная солнечная 12, 00 0, 212 Суточная: лунно-солнечная 23, 93 0, 266 главная лунная 25, 82 0, 189 В дополнение к этим составляющим нужно отметить и долгопериодные компоненты — полумесячные, месячные и полугодовые. Посмотрим теперь, как вода океана реагирует на внешние возмущения. Вначале исследуем волны, неправильно называемые приливными. На самом деле эти волны не имеют ничего общего с приливообразующими силами. Будем называть их Цунами.
Изменение уровня как реакция на оледенение Мы живем в геологическую эпоху быстрых климатических измейений. Большие по площади районы Северной Америки и Северной Евразии периодически покрывались ледниками. Вода, из которой формировались ледники, перемещалась с океана на материки. В течение типичного ледникового периода слой воды высотой около 150 м перемещался из океанов, занимающих 70% поверхности Земли, в результате чего ледяная шапка занимала площадь, равную 3, 5% поверхности Земли, а остальные 26, 5% территории оставались свободными ото льда. Вследствие перераспределения нагрузки земная кора должна прогнуться для сохранения изостатического равновесия. Поскольку плотность подкоркового материала составляет 3, 27, дно океана поднимется на 46 м относительно свободной ото льда суши, а покрытая оледенением суша опустится на 910 м. Тогда уровень моря понизится на 104 м относительно свободной ото льда суши. В результате пластического течения в коре и мантии изостатическое приспособление не происходит мгновенно, а запаздывает после изменений в нагрузках. Определяя местоположение старых береговых линий и датируя их, можно реконструировать историю изменений уровня моря.
Изменение уровня моря зависит от количества воды, переместившейся из океана, и от изменения превышения поверхности суши. Сравнивая данные различных мест, можно оценить колебания превышений суши и получить кривую глобальных изменений уровня моря. Последняя представлена на рис. 14. 7. В течение последних 6000 лет уровень моря, по существу, не изменился. Между 15 000 и 4000 годами до н. э. уровень поднимался от отметки, расположенной на 100 м ниже современного положения. Средняя скорость подъема уровня составляла около 1 см/год. Таким образом, море вторгалось в сушу со скоростью 5 метров в год, или на 100 м в течение жизни одного поколения. В течение этого времени слой морской воды толщиной около 150 м переместился из океана и отложился в виде льда на суше. Средняя годовая величина испарения с океанов составила около 1 м; скорость таяния ледников равнялась 1, 5% величины общего годового испарения или выпадения осадков.
Ледниковые периоды Люди, жившие вдоль побережий или в низовьях рек, вынуждены были покидать свои жилища. Расцвет древней цивилизации вдоль низовьев Нила, Тигра и Евфрата стал возможен около 4000 г. до н. э. во время стабилизации уровня моря. В прошлом существовали длительные периоды (порядка 250 -10 х 6 лет), когда Земля была свободна ото льда, затем они сменялись ледниковыми и межледниковыми эпохами. Нет Оснований думать, что мы находимся в конце периода таких климатических эпох. Уровень моря будет, вероятно, понижаться снова, и, возможно, мы приближаемся к новому ледниковому периоду. Обсуждение причин этих главных изменений климата мы отложим. Здесь же укажем, что уровень нашего понимания климата пока недостаточен для предсказания начала следующего ледникового периода. Береговая линия не остается неподвижной. Граница между сушей и морем смещается с различными периодами. Каждая волна наступает на пляж и вновь отступает в море. Приливы вызывают подъем и падение уровня в полусуточном и суточном ритме. Амплитуда прилива изменяется от места к месту и зависит от геометрии бассейна и приливообразующих сил. Цунами генерируются подводными землетрясениями и распространяются со скоростью, зависящей от глубины океана. Самые большие колебания уровня моря являются откликом на циклические оледенения четвертичного периода. Цивилизация, обусловленная развитием сельского хозяйства в низовьях рек, стала возможной примерно 6000 лет тому назад, после стабилизации уровня моря.
Прочность Земли Представим себе модель Земли, уменьшенную в 108 раз, так что радиус Земли 6400 км в модели станет равным 6, 4 см, а 5 -километровая разница между дном океана и сушей превратится в 0, 05 мм, или половину толщины этой страницы. Наша модель будет представлять собой очень гладкий шар. На первый взгляд может показаться, что и не должно быть никакой проблемы в объяснении такого слабо выраженного рельефа. Однако на модели различные параметры Земли уменьшаются в разное число раз. При использовании материала, обладающего плотностью Земли, и при уменьшении радиуса Земли в 10 х 8 раз площадь поверхности уменьшится в 10 х 16 раз, а масса в 10 х 24 раз. Какова должна быть прочность материала в нашей модели? Порода, например, имеет предел прочности на сжатие, равный максимальной силе на единицу площади, которую может выдержать она без разрушения материала. Силы в Земле возникают от давлений вышележащих пород. Поэтому на данном уровне общая сила зависит от объема вышележащего материала и увеличивается пропорционально объему или кубу линейного размера (длины). Площадь, поддерживающая эту массу, увеличивается только пропорционально квадрату длины. Поэтому для сохранения подобия мы должны выбрать прочность нашей модели равной прочности Земли, умноженной на 10 х 8. Но, уменьшая прочность пород в 10 х 8 раз, мы получим очень непрочный материал, не способный поддерживать даже слабую разницу в превышениях между горами и морем. То что это действительно так, легко демонстрируется геологической историей. Во время оледенений северные части Америки и Скандинавии были покрыты ледниками толщиной около 2 км. Около 12 000 лет тому назад лед растаял и огромная нагрузка, по массе примерно эквивалентная Vs разности превышения материков над океанами, была снята. В результате здесь произошел подъем суши, скомпенсировавший потерю в массе. История этого вертикального движения документирована современными отметками древних побережий.
Относительно фактических размеров Земли материалы становятся настолько малопрочными, что ведут себя скорее как жидкость, а не как твердое тело. Поэтому различия в превышениях между материками и океанами не могут поддерживаться прочностью земных пород. Более реальный механизм поддержания этого различия можно обосновать с помощью принципа изостазии, уже проиллюстрированного на айсбергах. На этом же принципе основано строительство небоскребов на слабых глинах. Для поддержания здания достаточно только, чтобы оно оставалось на плаву в мягкой почве. Фундамент закладывается с таким расчетом, чтобы масса вынутой почвы была равна массе будущего здания (рис. 12. 8). Если здание тяжелее вынутой почвы, оно будет медленно опускаться. Чтобы сохранить свое превышение над океаническим дном, материки должны иметь под собой более легкое основание, чем под океаном. Основания горных хребтов или должны иметь меньшую плотность по сравнению с окружающими породами, или должны простираться значительно глубже.
Разрушение материков Материки разрушаются главным образом под действием потоков воды. Воздух также способен вызывать эрозию и переносить мелкозернистые частицы. Поскольку воздух обладает меньшей вязкостью, чем вода, сила трения в нем (при одних и тех же скоростях потока и размерах частиц) намного меньше. Поэтому для переноса в воздухе более мелких частиц пыли необходимы высокие скорости. Способность воздуха поднимать частицы определяется влажностью почвы. Пыльные бури возникают только в засушливых районах пустынь. Взвешенная пыль постепенно падает с уменьшением скорости ветра. Самые маленькие частицы дымки могут быть занесены в верхние слои атмосферы, откуда они постепенно выпадают на Землю. Ветер, таким образом, вносит свой вклад в эрозию материков. Он способен поднимать пыль только в засушливых материковых районах и осаждать частицы как в океаны, так и на сушу. Если тонкодисперсный материал разносится на большие расстояния, то крупные частицы оседают, как только уменьшается скорость ветра. Так, например, часто наблюдается выпадение пыли мористее западного побережья Африки вблизи 20° с. ш. , где пассаты выносят пыль из Сахары. Распределение дымки над океанами показано на рис. 13. 6. Атмосферная пыль является главным компонентом глубоководных осадков в тех районах, где чрезвычайно мал снос материковых осадков. (Африканский континент рушится)
Измерение глубины океана С незапамятных времен моряки измеряли глубину моря, опуская в воду груз, прикрепленный к промерному линю. Этот метод хорош для работы на мелководье, но он становится непригодным в глубоководных районах из-за больших затрат времени. Поэтому ручной линь был заменен тросом с лебедкой (рис. 12. 1). Но этот метод также имеет недостатки. С увеличением глубины трос становится тяжелее прикрепленного к его концу груза, и поэтому трудно определить момент касания грузом дна. Этим путем измеряются глубины в точках, далеко отстоящих друг от друга. Поэтому при картировании (рис. 12. 2) многие детали рельефа пропадают.
Для измерения глубин с поверхности океана не могут быть использованы оптические приборы, поскольку вода поглощает свет. Не могут быть использованы также и радарные устройства из-за поглощения радиоволн и других электромагнитных волн. Наиболее пригодны звуковые волны. Они используются в эхолотах, которые посылают звуковой импульс и регистрируют время возвращения отраженного от дна импульса (Рис. 12. 3). Детектор эхолота связан с регистратором, который имеет Перо, движущееся слева направо по медленно перемещающейся специальной бумаге (рис. 12. 4). Перо, включенное в электрическую цепь приемника, фиксирует сигнал. Когда перо проходит левую кромку бумаги, излучатель посылает звуковой им-иульс, который перо получает и фиксирует на бумаге в Л. От 4 до В приемник улавливает только окружающий шум, и перо Поэтому отмечает на бумаге малозаметную линию. В момент В приходит эхо и перо делает резкую отметку.
Скорость звука в морской воде 1, 5 км/сек. При глубине 0, 5 км звук проходит расстояние 1 км (до дна и обратно к судну), поэтому эхо возвратится через 0, 67 с. Скорость звука изменяется в зависимости от давления, температуры и солености следующим образом: При давлении 1 атм, температуре 0° С и солености скорость звука равна 1, 4455 км/c. Чтобы перейти от времени возвращения эха к значению глубины, необходимо знать распределение температуры и солености с глубиной в данном месте. При движении пера от одного края бумаги до другого за 1 с можно регистрировать глубины до 0, 75 км. В глубоководных котловинах скорость пера должна быть понижена. На бумаге периодически делаются засечки времени. Позднее на запись глубин накладываются точки местоположения судна. Таким образом получают непрерывную запись глубин вдоль пути судна. Для исправления этих глубин вводят поправки на температуру и соленость. Наряду с эхолотной съемкой проводят контрольные измерения глубины тросом или линем, что позволяет повысить точность всего промера. Для построения точной карты топографии дна необходимо выполнение параллельных галсов.
Эффект деятельности человека Под действием воды и в меньшей степени воздуха материки разрушаются и минеральный материал переносится в океан. Материки постепенно теряют свой материал, чтобы наполнить им океаны. В течение последней геологической эпохи человек начал изменять естественные процессы денудации материков. Сельскохозяйственной практикой мы пытаемся уменьшить поверхностную эрозию. Мы перегородили реки плотинами для уменьшения скорости потока; поэтому из воды за плотинами выпадают осадки, которые постепенно заполняют искусственные водоемы. Иногда этот процесс протекает очень быстро. Например, в южной части Нью-Мексико (штат США) несколько лет тому назад была построена плотина для снабжения водой новой сельскохозяйственной общины Хоуп. Осадки, приносимые рекой, вскоре заполнили водоем. Сейчас Хоуп — покинутый город. Он служит напоминанием о том, что хотя мы и можем временно преградить путь потоку осадков в море, но емкость резервуаров, созданных человеком, ограничена. Измеряя скорость твердого стока, можно установить, как быстро произойдет наполнение, и выяснить, какие экономические преимущества можно ожидать от созданного резервуара. Раньше или позже созданные человеком резервуары будут наполнены осадками в результате денудации суши, расположенной выше плотины. В то же время преграда потоку осадков вызовет определенные изменения на побережье. Чтобы понять эти изменения, нужно выяснить, что произойдет с осадками, когда они будут вынесены к морю. Другой эффект сельскохозяйственной практики человека состоит в изменении водного баланса материка. В результате ирригации полей мы увеличиваем скорость испарения над материками и уменьшаем речной сток. Сможем ли мы использовать весь избыток испарения таким путем до полного отсутствия стока с суши? Если мы попытаемся это сделать, то концентрация растворенного вещества в воде будет увеличиваться до тех пор, пока вода станет солоноватой и непригодной для сельского хозяйства. Низовье Колорадо уже весьма близко к такому пределу. Речной сток Колумбии и Миссисипи еще может быть уменьшен, но это уменьшение не может продолжаться бесконечно долго, поскольку необходимо дать возможность рекам вынести растворенные соли в море, чтобы не превратить все внутриматериковые воды в соленые озера.
Скачать презентацию Океанология Океанография не ограничивается изучением физических биологических
Океанология.pptx