книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

УДК 551.46

/

Приводятся основные сведения о физических явлениях и процессах в океане. Излагаются вопросы термики, акустики, оптики океана, перемешивания, устойчивости и динамики вод океана, взаимодействия океана и атмосферы. В отличие от первого издания (1966 г.) книга дополнена материалами по геоморфологии дна, магнитному и электрическому полю океа­ на, радиоактивности вод океана и др.

Рассчитана на специалистов океанологов и лиц, связанных с изучением океана; может быть использована в качестве учеб­ ного пособия студентами и аспирантами океанологических спе­ циальностей.

The general information on physical phenomena and pro­ cesses in the ocean is presented. The book deals with the pro­ blems of the ocean thermics, acoustics, optics; mixing, stability

the book includes additional materials on the bottom geomor­ phology, graviation, magnetic and electric fields of the ocean, radioactivity of the ocean water and others.

The book is intended for specialists in oceanology or any­ one concerned with studying the ocean; it also may be used as a manual by students and post-graduates of oceanological specialities.

ПРЕДИСЛОВИЕ

После первого издания монографии прошло восемь лет. Есте­ ственно, что за это время океанография добилась определенных успехов. Поэтому при переиздании возникла необходимость как в дополнении ее новыми вопросами, в частности геолого-геоморфо­ логическими характеристиками океана, так и в переработке глав, составивших первое издание. Практически все главы подверглись определенной переработке и дополнению на основе замечаний и пожеланий, высказанных широким кругом специалистов по первому изданию.

В предлагаемом втором издании, так же как и в первом, основ­ ное внимание уделено вопросам физики глубокого моря (океана). При этом рассматриваются те вопросы, которые в настоящее время представляют наибольший практический интерес и разработаны до уровня, позволяющего хотя бы частичное практическое использо­ вание результатов теоретических и экспериментальных исследова­ ний. Вопросы региональной океанографии изложены в той мере, в какой это необходимо для понимания физической сущности изла­ гаемого вопроса, с добавлением характеристик пространственновременной изменчивости гидрологических элементов и некоторых особенностей режима в прибрежной зоне (зоне шельфа).

Общее построение монографии сохранено в том же виде, как

ипри первом издании, учитывая то, что как показал опыт, оно отвечает назначению книги.

Основное назначение монографии определяется в первую очередь тем, что на современном этапе изучение Мирового океана является комплексным и к его исследованию привлечено как боль­ шое число кораблей в рамках международного содружества, так

иширокий круг специалистов различных областей знания, связан­ ных в той или иной степени с изучением океана и его освоением. Последнее обстоятельство вызвало необходимость издания пособия, которое могло бы удовлетворить их запросы. Как известно, в на­ стоящее время океанография изучается студентами метеорологами, гидрологами суши, географами, физиками. Ею интересуются гидро­

графы, метеорологи, гидрологи суши, штурманы, капитаны судов, работники рыбного хозяйства, портоизыскатели, биологи, геофизики и многие другие специалисты. Указанные категории специалистов, знакомые с общими основами океанографии, стремятся углубить свои знания в этой области.

Для этих специалистов и студентов, естественно, необходима книга, которая позволила бы овладеть необходимыми теоретиче­ скими знаниями по океанографии и, в первую очередь, по одному из важнейших ее разделов — физике моря. Однако в изданной до настоящего времени монографической и учебной литературе име­ ется существенный пробел в этом отношении. Изданная литература либо рассчитана на специалистов-океанологов, либо содержит элементарные сведения по океанографии.

Предлагаемая читателю «Физическая океанография», по мне­ нию автора, должна заполнить указанный пробел. Книга будет полезна и для специалистов-океанологов, так как в ней сделана попытка обобщить в доступной мере те успехи в развитии пауки об океане, которые не были до этого освещены в монографической и учебной литературе, а представлены в разрозненном виде в ста­ тьях, опубликованных в периодических изданиях. Автор понимает все те трудности, с которыми связано написание такой книги. Она должна быть написана на достаточно высоком научном уровне и на должной математической основе, но не должна быть перегру­ жена специальными вопросами; вместе с тем, она не должна сни­ жаться до уровня элементарного изложения материала.

Указанное содержание монографии определило и ее название «Физическая океанография», введенное Ю. М. Шокальским. Этим названием подчеркивается направленность в сторону освещения физических явлений и процессов, протекающих в океане, в их тес­ ной связи с географией океана. Одновременно необходимо отме­ тить, что не все вопросы освещены с должной полнотой: так, в главе, посвященной морским льдам, не рассматриваются особен­ ности льдообразования в Арктическом и Антарктическом бассей­ нах, дрейф льдов и их влияние на динамику вод океана. По вопро­ сам морской геофизики даны только общие представления, вопросы динамического взаимодействия океана и атмосферы осве­ щены только применительно к отдельным задачам (волны, течения, уровни). Это обусловлено тем, что указанные вопросы представ­ ляют самостоятельный интерес, выходят за рамки настоящей моно­ графии и требуют освещения в специальных изданиях.

Вследствие обширности литературы по океанографии, библио­ графия которой сама по себе может составить многотомное изда­ ние, в список литературы включены в основном труды, имеющие характер монографий по отдельным вопросам или разделам океано­ графии и содержащие достаточно подробный список литературы по данному вопросу, который в состоянии удовлетворить читателя, желающего углубиться в его изучение. Лишь при отсутствии подоб­ ного рода трудов приведены оригинальные работы, опубликованные в последние годы в периодических изданиях.

Учитывая трудности, связанные с написанием подобного рода монографии, автор заранее приносит свои извинения за возможные шероховатости, неравномерность в изложении отдельные вопросов и будет весьма признателен всем, кто даст свои замечания и пред­ ложения по предлагаемому изданию.

4

ВВЕДЕНИЕ

Первые сведения по океанографии начали накапливаться парал­ лельно с географическими исследованиями и относятся к IX—VIII векам до нашей эры. Однако примерно до XVIII века н. э., т. е. почти на протяжении трех тысячелетий, океанографические сведе­ ния носили случайный характер и поступали от мореплавателей, совершавших походы с торговыми и завоевательными целями. Эти походы достигли особенно широкого размаха в конце XV и начале XVI веков, когда за отрезок времени с 1487 по 1528 г., называемый эпохой Великих географических открытий, было открыто более половины поверхности Земли. Параллельно были сделаны и важ­ ные океанографические открытия.

В 1492 г. Колумб открыл в Атлантическом океане Северное Пассатное течение. Себастьян Кабот, открывший (вторично после норманнов) в 1497—1498 гг. Лабрадор и Ньюфаундленд, был пер­ вым, кто сознательно воспользовался течением Гольфстрим для ускорения плавания на участке мыс Гаттерас—Англия. Ему же принадлежит и честь открытия Лабрадорского течения. Первым кругосветным плаванием Фердинанда Магеллана (1519—1522 гг.) было практически доказано, что все океаны связаны между собой, а Земля является шаром. При этом было определено соотношение суши и океана.

Последующий период, особенно XVIII и XIX века, характеризу­ ется появлением первых специальных океанографических экспеди­ ций, развитием теоретических разработок и исследований в обла­ сти океанографии. Во время плавания Витуса Беринга и А. И. Чи­ рикова (1728—1741 гг.) вторично (после Семена Дежнева, 1648 г.) был открыт Берингов пролив и обследованы обширные простран­ ства северной части Тихого океана. С 1734 по 1741 г. большие ис­ следования были проведены в морях Северного Ледовитого океана Великой Северной экспедицией с участием Лаптева, Челюскина

идр.

С1768 г. Джеймсом Куком было совершено три плавания, за время которых был обследован Тихий океан от Антарктики до Чукотского моря. Огромное значение для океанографии имели плавания русских моряков и ученых: Крузенштерна, Лисянского,

Беллинсгаузена, Лазарева, Коцебу, Ленца, Литке и др. (1803— 1826 гг.). Особое значение для становления океанографии как науки имело кругосветное плавание на шлюпе «Предприятие» в 1823—

6

1826 гг. под командованием капитан-лейтенанта Коцебу с участием физика Ленца.

В этой экспедиции были применены изобретенные Ленцем бато­ метр и глубомер, произведены наблюдения над удельным весом морской воды и ее прозрачностью.

Как отмечает в своей классической монографии Ю. М. Шокаль­ ский: «Труды Коцебу и Ленца 1823—1826 гг. представляют во мно­ гих отношениях не только важный вклад в науку, но и действи­ тельное начало точных наблюдений в океанографии — чем русский флот и русская наука могут гордиться».

Решающее значение для становления океанографии, как науки, наряду с плаваниями русских экспедиций сыграла специальная океанографическая экспедиция на корвете «Челленджер», снаря­ женная Англией. За три с половиной года (с 1872 по 1876 г.) судно прошло 68 900 миль, выполнив 362 глубоководные гидроло­ гических станций в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах, проведя практически впервые комплексные океанографические ис­ следования. Материалы экспедиции составили 50 томов, над подго­ товкой которых трудились 70 ученых в течение 20 лег.

Дальнейшим крупным шагом вперед в развитии океанографии явились исследования С. О. Макарова, вначале в Черном и Среди­ земном морях, а затем в Тихом океане и морях Японском, Охот­ ском и Желтом на корвете «Витязь». В своей известной книге «Витязь» и «Тихий океан» (1894 г.) Макаров дал первую сводку всех океанографических наблюдений в северной части Тихого океана.

Кэтому времени весьма существенные успехи были достигнуты

ив развитии теоретических исследований благодаря работам таких выдающихся ученых как Ломоносов, Ньютон, Лаплас, Томсон (Кельвин), Гельмгольц, Герстнер и др.

В развитии океанографии в начале XX века существенное значе­ ние имело создание в 1902 г. Международного Совета по изучению морей. Особое внимание при этом было уделено отысканию Северозападного прохода и достижению Северного полюса. В 1903— 1906 гг. норвежцу Амундсену первому удалось пройти Северозападным проходом и доказать его существование. 1 апреля 1909 г. американец Пири достиг Северного полюса. Однако, несмотря на достигнутые успехи, к началу XX века результаты океанографиче­ ских исследований Мирового океана находились все же в началь­ ной стадии развития. Тем не менее достигнутые успехи поставили вопрос о необходимости обобщения накопленных знаний, чтобы, с одной стороны, можно было бы лучше изучить и оценить со­ ставлявший содержание океанографии научный материал, а с дру­ гой— наметить пути дальнейших исследований. Такими обобщаю­ щими трудами по океанографии стали «Учебник по океанографии» О. Крюммеля, 1907—1911 гг., «Гидрология моря» И. Б. Шпиндлера, 1914—1915 гг., «Океанография» К). М. Шокальского, 1917 г. Эти классические труды явились важной вехой в развитии океанографии и не потеряли своего значения до настоящего времени. Однако

7

непосредственные экспедиционные исследования перед первой ми­ ровой войной ограничивались преимущественно отдельными райо­ нами океанов и морей. Это объясняется, в первую очередь, как раз­ витием судоходства, так и возможностями боевого использования военно-морского флота. Развитие подводного и надводного флотов в первую мировую войну, и особенно после ее завершения, по­ ставили задачи специальных, систематических океанографических исследований не только в морях, но и в открытых районах океанов.

Среди таких исследований прежде всего выделяются глубоко­ водные исследования германской океанографической службы, про­ веденные с 1925 по 1939 г. на э/с «Метеор» в Атлантике по густой сетке гидрологических разрезов. В тот же период продолжались исследования и других государств, и в первую очередь Советского Союза, по дальнейшему изучению Северного Ледовитого океана с прилегающими к нему морями. К ним относятся экспедиции 2-го Международного полярного года (1932 г.), дрейф станции «Север­ ный полюс» (1937—1938 гг.), дрейф парохода «Седов» (1937— 1940 гг.), летная экспедиция И. Черевичного к «полюсу недоступ­ ности» и др.

Значение освоения Северного Ледовитого океана и, в первую очередь, Северного морского пути определилось декретом Совнар­ кома, подписанным В. И. Лениным 10 марта 1921 г., о создании Плавучего морского научного института (Плавморнина). Этот декрет положил начало развитию государственных институтов и учреждений, занимающихся и в настоящее время изучением Миро­ вого океана и развитием океанографии как науки.

Как известно, в России до Октябрьской революции не было спе­ циальных научно-исследовательских институтов, занимающихся океанографией. Океанографические исследования проводились преимущественно на общественных началах через Географическое общество и по личной инициативе военных моряков.

Наряду с изучением и освоением Северного морского пути, про­ водились океанографические исследования и во всех других морях, омывающих Советский Союз, возглавлявшиеся и организуемые крупнейшими советскими учеными: Ю. М. Шокальским, Н. М. Книповичем, К. М. Дерюгиным, В. В. Шулейкиным, В. Ю. Визе, Н. Н. Зубовым и другими.

Проведению этих исследований способствовало создание, на­ ряду с Плавморнином, преобразованном в 1933 г. во Всесоюзный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО), других научно-исследовательских морских учреждений и институтов: Института по изучению Севера (ныне Арктический и антарктический научно-исследовательский инсти­ тут— ААНИИ), Морского отдела Государственного гидрологиче­ ского института (ныне Государственный океанографический инсти­ тут— ГОИН), Морской гидрофизической лаборатории Академии наук СССР (ныне Морской гидрофизический институт АН УССР), Лаборатории океанологии АН СССР (ныне Институт океанологии АН СССР).

8

Особый размах океанографические исследования всего Миро­ вого океана получили после второй мировой войны. Большое зна­ чение в этом сыграли исследования, проведенные во время Между­ народного геофизического года (МГГ, 1957—1958 гг.) и во время Международного года геофизического сотрудничества (МГС, 1959— 1962 гг.) и положившие начало прочному международному сотруд­ ничеству в изучении Мирового океана. Достаточно сказать, что во время проведения МГГ и МГС в работах участвовало более 70 судов от 17 стран мира.

В этот и последующий периоды не только был собран огромный материал, существенно дополнивший наши знания о Мировом океане, но и произведен ряд открытий, таких, как обнаружение экваториальных глубинных противотечений — Кромвелла в Тихом океане и Ломоносова—в Атлантическом, Антило-Гвинейского про­ тивотечения, наибольших глубин в Тихом океане, мощных приливоотливных течений в открытых районах океанов и др.

Проведенные исследования существенно продвинули вперед ре­ шение вопросов теории течений, волнения, колебаний уровня от­ крытых районов океана, уточнения характера и закономерностей взаимодействия океана и атмосферы, турбулентности, гидрооптики, гидробиологии и др.

Наибольший вклад внесен учеными Советского Союза, кото­ рый располагает самым мощным флотом океанографических судов. Международное сотрудничество по изучению Мирового океана в настоящее время не только не ослабло, а напротив, возросло по сравнению с МГГ и МГС. Так, например, в 1961—1964 гг. была проведена международная индоокеанская экспедиция, а экспедиция по исследованию мощных и постоянных течений — Гольфстрим и Куросио продолжает работы и в настоящее время. На 1974 г. за­ планировано проведение международной экспедиции в тропической зоне Атлантики по изучению взаимодействия океан—атмосфера. Достигнуто соглашение о создании международной глобальной системы изучения Мирового океана, включающей автономные стан­ ции и искусственные спутники — ОГСОД (объединенная глобаль­ ная система океанографических данных), принципиально согласо­ ван вопрос о программе океанографических исследований на бли­ жайшие пятнадцать лет.

Такое координирование исследований, естественно, невозможно без создания соответствующих координирующих международных центров. К ним относятся Межправительственная океанографиче­ ская комиссия (МОК), созданная при ЮНЕСКО, и научный коми­ тет океанографических исследований при Международном совете научных союзов. Параллельно проведена большая работа и по созданию международных центров сбора данных. В настоящее время создано три международных центра по сбору и обобщению гидрометеорологической информации: в Нью-Йорке, Москве и Мельбурне. Они являются пока региональными. У нас в Союзе такие центры созданы при Главном Управлении Гидрометслужбы

СССР и при Главном Управлении навигации и океанографии

9