Население Гавайских островов было предупреждено об ожидающемся появлении цунами. Однако мало кто поверил, что могут оказаться опасными волны, пробежавшие в океане более 8 тыс. км. За недоверие к прогнозу многим пришлось поплатиться жизнью - волны чилийского цунами произвели большие разрушения на островах Гаваи и Оаху. Продолжая свой бег по северной части Тихого океана, волны совершили путь в 17 тыс. км и опустошили побережье японских островов, где население также отнеслось с недоверием к полученному предупреждению. У о. Хонсю волны имели от 2 до 6 м высоты, на островах Рюкю - 4 м, у о. Окинава - 3,5 м. Чилийское цунами достигло и наших Курильских островов. Предупрежденное население Петропавловска, Рыбачьего, Южно-Курильска и других населенных пунктов ушло на возвышенные места. Волны, пробежавшие 16 тыс. км, имели высоту от 2 до 4,7 м. Они причинили значительные разрушения, но человеческих жертв не было.
Чилийское цунами достигло и берегов Новой Зеландии и Новой Каледонии; здесь на сушу хлынули 5-метровые волны; в Сиднейском порту было повреждено много судов. Но самое удивительное в распространении этих "странных" волн, как часто называют цунами, было то, что они, покрыв расстояние 17 тыс. км до Петропавловска и 12 тыс. км до Австралии и донеся до этих пунктов такую колоссальную энергию, обошли в то же время с двух сторон - с севера и с юга - широкую экваториальную полосу. Между 10-15º ю. ш. и 30º с. ш. волны у западных берегов океана не превышали 0,5 м. По всей вероятности это объясняется рельефом тихоокеанского дна. У тихоокеанских волн цунами есть и еще одна странность. От берегов Америки к берегам Азии они приходят с огромным запасом энергии, тогда как, возникнув в районе Японских и Курильских островов, у берегов Америки они появляются настолько ослабленными, что не представляют опасности. Весьма вероятно, что тормозом в этом случае служат планетарные волны длинных периодов, распространяющиеся в океане с востока на запад; существование их показал английский океанолог М. С. Лонгет-Хиггинс. Они же гасят распространение на восток и способствуют распространению на запад штормовых волн, вышедших из зоны урагана.
За 64 года нашего столетия зарегистрировано 127 случаев сильных цунами, а по сведениям, собранным И. Д. Понявиным из летописей, хроник и прочих записей начиная с 425 г. до н. э. и до конца XIX в., известно около 300 цунами в разных морях и частях света. В действительности их было, вероятно, за это время несколько тысяч, но память о них утрачена. Больше всех стран страдала от цунами Япония. С 684 г. н. э. и до половины XX в. сохранились сведения о 84 случаях цунами; из них в 36 случаях волны достигали высоты от 7,5 до 30 м. За 64 года XX в. в Японии было 32 случая цунами разной величины.
Огромные одиночные волны типа цунами вызываются иногда и менее значительными причинами, чем извержения подводных вулканов и землетрясения. В 1934 г. в Норвегии с высоты 500 м в море упали скалы общим весом в 3 млн. т, при этом волна высотой в 37 м выбросила на берег много судов более чем на 100 м от береговой черты и уничтожила целое прибрежное селение. Исключительные по высоте волны наблюдались в заливе Литуя на Аляске. Этот залив давно приобрел дурную славу своим бурным сулоем. Первыми его жертвами были две шлюпки с экипажем экспедиции Лаперуза, который в память погибших в заливе поставил на о. Сенотаф крест. Сейчас в заливе установлен проблесковый маяк. Катера гидрографических судов, снабжающие продовольствием обслуживающий персонал маяка, каждый раз с опасностью для жизни преодолевают беспорядочную толчею огромных волн при входе в залив. Рыбачьи суда, по неведению ищущие в заливе спасения от шторма, большей частью разбиваются о скалы и гибнут. В этом заливе в 1958 г. во время землетрясения на Аляске с высокого пика Криллон, возвышающегося над заливом, соскользнула часть ледника, увлекая за собой оторванные от горы скалы и камня. Вызванная этим оползнем волна не превышала сначала 30 м, но, приблизившись к южному берегу залива, выросла настолько, что повалила и частью смыла хвойный лес до высоты 150 м над уровнем моря. У берегов о. Сенотаф она достигла 50-метровой высоты. Судя по остаткам ранее поваленных деревьев, такие обвалы и волны повторялись в заливе не один раз.
До сего времени в известной степени остаются загадкой невидимые, так называемые внутренние волны. Они возникают на границе двух слоев морской воды, обладающих разной плотностью. Причины, порождающие внутренние волны, известны лишь предположительно. По всей вероятности, их возбуждают частично поверхностные волны, но главным образом - приливо-отливные течения, и резкие изменения атмосферного давления.
Высота внутренних волн нередко в десятки раз превышает высоту поверхностных волн, но на поверхности моря они совершенно не заметны.
Как объяснить такую разницу в высоте поверхностных и внутренних волн? Вспомним закон Архимеда: всякое тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Волна на поверхности моря как бы погружается в воздух. При этом она теряет в весе столько, сколько весит вытесненный ею воздух. Но плотность, а следовательно, и вес вытесненного воздуха ничтожно малы и практически не меняют веса выпуклой части волны. Поэтому сила тяжести не позволяет поверхностным волнам подняться больше чем на 18-20 м. Гребень же внутренней волны проникает в лежащий над ней слой воды, плотность которого лишь немногим меньше плотности нижнего слоя, в котором образовалась волна. Таким образом, внутренняя волна теряет очень значительную часть своего веса и, освобождаясь от влияния силы тяжести, достигает порой высоты 100-200 м.
Благодаря внутренним волнам на одной и той же глубине в течение сравнительно короткого времени температура и соленость могут изменяться в очень больших пределах. Само собой разумеется, что такие изменения гидрологической "погоды" не могут не оказывать влияния на организмы, живущие в толще воды. Однако это влияние, равно как сам механизм распространения внутренних волн, еще мало изучены.
Как многое в природе, волны и полезны и вредны. Положительная роль волн в океане заключается в том, что они перемешивают воду и способствуют проникновению в толщу воды тепла и растворенного кислорода. В зоне прибоя, на стыке трех стихий - воды, воздуха и суши и особенно на твердом скалистом дне, где волны кажутся самыми грозными, на первый взгляд не может существовать жизнь. В действительности это не так. В море много растительных и животных организмов, которые не только приспособились к жизни в таких беспокойных местах, но и сами ищут их, так как волны и создаваемые ими течения непрерывно подносят к ним обильную пищу. Фауна и флора прибойной зоны сформировались в процессе длительного приспособления. Коралловые полипы, морские желуди, некоторые моллюски и водоросли так прочно прикрепляются к скалам, что никакой прибой не в силах их оторвать.
По отношению к человеку волны пока играют только отрицательную роль. Они затрудняют и делают опасными мореплавание, разрушают берега и портовые сооружения. До настоящего времени все попытки использовать энергию волн не выходили за пределы экспериментов. Если будут найдены способы концентрировать рассеянную энергию волн, человечество овладеет новым неиссякаемым источником энергии.
Миф о среднем уровне
Ненадежные отсчеты. - Затруднения геодезистов. - Сколько средних уровней?
Геодезисты, производящие нивелировку на суше, определяют высоту над "средним уровнем моря". Океанографы, изучающие колебания уровня моря, сравнивают их с отметками на берегу. Но, увы, уровень моря даже "средний многолетний" - величина далеко не постоянная и к тому же не везде одинаковая, а морские берега в одних местах поднимаются, в других опускаются.
Примером современного опускания суши могут служить берега Дании и Голландии. В 1696 г. в датском г. Аггере в 650 м от берега стояла церковь. В 1858 г. остатки этой церкви окончательно поглотило море. Море за это время наступало на сушу с горизонтальной скоростью 4,5 м в год. Сейчас на западном побережье Дании завершается возведение плотины, которая должна преградить дальнейшее наступление моря.
Такой же опасности подвергаются низменные берега Голландии. Героические страницы истории нидерландского народа - это не только борьба за освобождение от испанского владычества, но и не менее героическая борьба с наступающим морем. Строго говоря, здесь не столько наступает море, сколько отступает перед ним опускающаяся суша. Это видно хотя бы из того, что средний уровень полных вод на о. Нордштранд в Северном море с 1362 по 1962 г. поднялся на 1,8 м. Первый репер (отметка высоты над уровнем моря) был сделан в Голландии на большом, специально установленном камне в 1682 г. Начиная с XVII и до середины XX в., опускание почвы на побережье Голландии происходило в среднем со скоростью 0,47 ел в год. Сейчас голландцы не только обороняют страну от наступления моря, но и отвоевывают землю от моря, строя грандиозные плотины.
Есть, однако, такие места, где суша поднимается над морем. Так называемый Фенно-скандинавский щит после освобождения от тяжелых льдов ледникового периода продолжает подниматься и в наше время. Берег Скандинавского полуострова в Ботническом заливе поднимается со скоростью 1,2 см в год.
Известны также попеременные опускания и подъемы прибрежной суши. Например, берега Средиземного моря опускались и поднимались местами на несколько метров даже в историческое время. Об этом говорят колонны храма Сераписа близ Неаполя; морские пластинчатожаберные моллюски (Pholas) проточили в них ходы до высоты человеческого роста. Это значит, что со времени постройки храма в I в. н. э. суша опускалась настолько, что часть колонн была погружена в море и, вероятно, долгое время, так как иначе моллюски не успели бы проделать такую большую работу. Позднее храм со своими колоннами снова вышел из волн моря. По данным 120 наблюдательных станций, за последние 60 лет уровень всего Средиземного моря поднялся на 9 см.
Альпинисты говорят: "Мы штурмовали пик высотой над уровнем моря столько-то метров". Не только геодезисты, альпинисты, но и люди, совсем не связанные с подобными измерениями, привыкли к понятию высоты над уровнем моря. Она им представляется незыблемой. Но, увы, это далеко не так. Уровень океана непрерывно меняется. Его колеблют приливы, вызванные астрономическими причинами, ветровые волны, возбуждаемые ветром, и изменчивые, как сам ветер, ветровые нагоны и сгоны воды у берегов, изменения атмосферного давления, отклоняющая сила вращения Земли, наконец, прогрев и охлаждение океанской воды. Кроме того, по исследованиям советских ученых И. В. Максимова, Н. Р. Смирнова и Г. Г. Хизанашвили, уровень океана изменяется вследствие эпизодических изменений скорости вращения Земли и перемещения оси ее вращения.
Если нагреть на 10º только верхние 100 м океанской воды, уровень океана поднимется на 1 см. Нагрев на 1º всей толщи океанской воды поднимает его уровень на 60 см. Таким образом, вследствие летнего прогрева и зимнего охлаждения уровень океана в средних и высоких широтах подвержен заметным сезонным колебаниям. По наблюдениям японского ученого Миязаки, средний уровень моря у западного берега Японии поднимается летом и понижается зимой и весной. Амплитуда его годовых колебаний - от 20 до 40 см. Уровень Атлантического океана в северном полушарии начинает повышаться летом и достигает максимума к зиме, в южном полушарии наблюдается обратный его ход.
Советский океанограф А. И. Дуванин различает два типа колебаний уровня Мирового океана: зональный, как следствие переноса теплых вод от экватора к полюсам, и муссонный, как результат продолжительных сгонов и нагонов, возбуждаемых муссонными ветрами, которые дуют с моря на сушу летом и в обратном направлении зимой.
Заметный наклон уровня океана наблюдается в зонах, охваченных океанскими течениями. Он образуется как в направлении течения, так и поперек его. Поперечный наклон на дистанции 100-200 миль достигает 10-15 см и меняется вместе с изменениями скорости течения. Причина поперечного наклона поверхности течения - отклоняющая сила вращения Земли.
Море заметно реагирует и на изменение атмосферного давления. В таких случаях оно действует как "перевернутый барометр": больше давление - ниже уровень моря, меньше давление - уровень моря выше. Один миллиметр барометрического давления (точнее - один миллибар) соответствует одному сантиметру высоты уровня моря.
Изменения атмосферного давления могут быть кратковременными и сезонными. По исследованиям финского океанолога Е. Лисицыной и американского - Дж. Патулло, колебания уровня, вызванные переменами атмосферного давления, носят изостатический характер. Это значит, что суммарное давление воздуха и воды на дно в данном участке моря стремится оставаться постоянным. Нагретый и разреженный воздух вызывает подъем уровня, холодный и плотный - понижение.
Случается, что геодезисты ведут нивелировку вдоль берега моря или по суше от одного моря к другому. Придя в конечный пункт, они обнаруживают неувязку и начинают искать ошибку. Но напрасно они ломают голову - ошибки может и не быть. Причина неувязки в том, что уровенная поверхность моря далека от эквипотенциальной. Например, под действием преобладающих ветров между центральной частью Балтийского моря и Ботническим заливом средняя разница в уровне, по данным Е. Лисицыной, - около 30 см. Между северной и южной частью Ботнического залива на дистанции 65 км уровень изменяется на 9,5 см. Между сторонами Ламанша разница в уровне - 8 см (Криз и Картрайт). Уклон поверхности моря от Ламанша до Балтики, по подсчетам Боудена, - 35 см. Уровень Тихого океана и Карибского моря по концам Панамского канала, длина которого всего 80 км, разнится на 18 см. Вообще уровень Тихого океана всегда несколько выше уровня Атлантического. Даже, если продвигаться вдоль атлантического побережья Северной Америки с юга на север, обнаруживается постепенный подъем уровня на 35 см.
Не останавливаясь на значительных колебаниях уровня Мирового океана, происходивших в минувшие геологические периоды (о них говорится в очерке "Борьба моря с сушей"), мы лишь отметим, что постепенное повышение уровня океана, которое наблюдается на протяжении ХX в., равняется в среднем 1,2 мм в год. Вызвано оно, видимо, общим потеплением климата нашей планеты и постепенным освобождением значительных масс воды, скованных до этого времени ледниками.
Итак, ни океанологи не могут полагаться на отметки геодезистов на суше, ни геодезисты - на показания мареографов, установленных у берегов в море. Уровенная поверхность океана далека от идеальной эквипотенциальной поверхности. К точному ее определению можно прийти путем совместных усилий геодезистов и океанологов, да и то не ранее того, как будет накоплен по крайней мере столетний материал одновременных наблюдений за вертикальными движениями земной коры и колебаниями уровня моря в сотнях, даже тысячах пунктов. А пока "среднего уровня" океана нет! Или, что одно и то же, их много - в каждом пункте берега свой!
Философов и географов седой древности, которым приходилось пользоваться лишь умозрительными методами решения геофизических проблем, тоже весьма интересовала проблема уровня океана, хотя и в другом аспекте. Наиболее конкретные высказывания на этот счет мы находим у Плиния Старшего, который, между прочим, незадолго до своей гибели при наблюдении извержения Везувия, довольно самонадеянно писал: "В океане в настоящее время нет ничего такого, чего мы не могли бы объяснить". Так вот, если отбросить споры латинистов о правильности перевода некоторых рассуждений Плиния об океане, можно сказать, что он рассматривал его с двух точек зрения - океан на плоской Земле и океан на сферической Земле. Если Земля круглая, рассуждал Плиний, то почему воды океана на обратной ее стороне не стекают в пустоту; а если она плоская, то по какой причине океанские воды не заливают сушу, если каждому стоящему на берегу совершенно ясно видна горообразная выпуклость океана, за которой на горизонте скрываются корабли. В обоих случаях он объяснял это так: вода всегда стремится к центру суши, который расположен где-то ниже ее поверхности.
Проблема уровня океана казалась неразрешимой два тысячелетия назад и, как мы видим, остается неразрешенной до наших дней. Впрочем, не исключена возможность, что особенности уровенной поверхности океана будут определены в недалеком будущем путем геофизических измерений, произведенных с помощью искусственных спутников Земли.
Свет и цвет под водой
Сине-зеленый пейзаж. - Подводный туман. - Загадка ярких красок. - Живые фонарики под водой. - Волшебная мельница. - Голубой танец планктона
Полдень. Безоблачное небо. Ослепительный солнечный свет заливает песчаный пляж и переливается яркими бликами на зеленоватой поверхности моря, колеблемого небольшими волнами. В маске с аквалангом за плечами водолаз медленно погружается в море. Но вот вода сомкнулась над его головой. Вокруг водолаза раскрылось ярко освещенное подводное царство. Парят разноцветные медузы и сифонофоры, мечутся стайки пестро окрашенных рыбок. Все так же светло и ярко, как на берегу. Только все предметы кажутся на одну треть больше и ближе, чем на самом деле. Это игра преломленных лучей. Мимо проплывает рыба, хочется дотянуться до нее рукой, а в действительности до рыбы по крайней мере 1,5-2 м.
Водолаз погружается глубже. До глубины 5 м освещение почти не меняется, но затем понемногу бело-желтые тона начинают уступать синевато-зеленым. На глубине 10 м все вокруг уже окрашено в однообразный синевато-зеленый цвет. На глубине 20 м даже на фотопластинку действуют только сине-зеленые лучи.
Водная среда намного плотнее воздуха. Она "прозрачна" для звука, но мало прозрачна для света. Световая энергия, проникающая в воду, рассеивается и частью преобразуется в тепловую энергию. В прозрачной воде открытого океана яркость освещения убывает с глубиной в среднем в десять раз на каждые 50 м.
Солнечный луч, как известно, состоит из лучей видимого и невидимого спектра. К невидимой части спектра относятся ультрафиолетовые и тепловые инфракрасные лучи. Морская вода обладает избирательной способностью к поглощению световых лучей. До глубины 0,5 м поглощаются только инфракрасные лучи, благодаря чему освещение в полуметровом верхнем слое остается белым. На глубине 5 м к нормальному солнечному освещению слегка примешиваются синевато-зеленоватые тона. Дальше происходит энергичное поглощение красных и желтых лучей. Синевато-зеленоватые тона становятся преобладающими.
На глубине 50 м сине-зеленые тона сгущаются, приобретая цвет поверхности моря. До глубины 50 м проникают ультрафиолетовые лучи, между прочим, очень важные для фиксации кальция организмами. Яркие разнообразные окраски морских организмов доступны для фотоаппарата только до глубины 5 м, на глубине 20 м они исчезают.