ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 137-148
= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
ПОЛЮСНЫЙ ПРИЛИВ В БАЛТИЙСКОМ МОРЕ
© 2014 г. И. П. Медведев, А. Б. Рабинович, Е. А. Куликов
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: medvedev@ocean.ru Поступила в редакцию 05.04.2013 г.
Полюсный прилив, возбуждаемый чандлеровскими колебаниями оси вращения Земли с периодом около 14 месяцев, в Балтийском море носит аномально высокий характер. Для описания особенностей полюсного прилива в этом море использовались длительные ежечасные (23 станции) и среднемесячные (64 станции) записи колебаний уровня моря. Максимальная длительность записей составила 123 года (ежечасные) и 211 лет (среднемесячные). По результатам спектрального анализа были подсчитаны интегральные амплитуды полюсного прилива вдоль всего побережья Балтийского моря и построена карта, описывающая пространственную изменчивость полюсного прилива. Результаты анализа показали, что амплитуды полюсного прилива в Балтийском море в несколько раз выше, чем следует из статической теории; при этом наблюдается явное возрастание амплитуды прилива на северо-восток, т.е. от Датских проливов (1.5—2 см) к Финскому и Ботническому заливам (4.5—7 см). Выяснилось, что максимальных амплитуд полюсный прилив достигает в Финском заливе, а не в Ботническом, как считалось ранее. Отмечены значительные флуктуации амплитуды и периода полюсного прилива в XIX и XX вв.
DOI: 10.7868/S0030157414020178
1. ВВЕДЕНИЕ
Поверхность уровня океана претерпевает постоянные изменения под действием различных долгопериодных астрономических факторов [7]. Леонард Эйлер еще в 1765 г. предположил, что Земля, вращаясь вокруг своей оси, должна испытывать слабые "покачивания": свободные нутации, период которых, по расчетам Эйлера, должен быть около 10 месяцев [2]. В конце XIX в. американский ученый Сет Чандлер, на основе астрономических широтных наблюдений, выявил эйле-ровые нутации оси вращения Земли и показал, что их фактический период больше, чем это было предсказано Эйлером, и составляет около 14 месяцев [8]. Эти нутации получили название чанд-леровских колебаний (Chandler Wobble).
Эйлер также предположил, что под влиянием свободных нутаций должен колебаться и уровень океана. Соответствующую волну, которая во многом аналогична долгопериодным приливным колебаниям, Дж. Дарвин назвал полюсным приливом [9]. По словам И.В. Максимова, полюсный прилив в океане представляет собой "одно из самых интересных глобальных геофизических явлений" [2]. В начале XX в. была разработана статическая теория полюсного прилива, которая описала зависимость высоты колебаний уровня океана от широты и амплитуды колебаний полюса вращения Земли [16]. Амплитуда статического полюсного прилива может быть представлена как
АН = — (1 + k - h), (1)
g
где g — ускорение свободного падения, к ~ 0.30 и h ~ 0.61 — числа Лява (см., например, [5]), AU — изменение потенциала центробежной силы Земли:
AU = -1/2 ю2а 2Д0 sin 20, (2)
ю — угловая скорость вращения Земли, a — средний радиус Земли, 0 — дополнение до широты (colatitude), а A0 — модуль радиус-вектора движения полюса Земли относительно среднего положения. Как следует из выражения (2), амплитуда полюсного прилива достигает максимума в районе 45° с.ш. и ю.ш., а по направлению к полюсам и экватору эта амплитуда уменьшается.
Реальные движения полюса вращения Земли носят достаточно сложный характер и испытывают заметные многолетние изменения [2, 4]. Это означает, что чандлеровские колебания могут рассматриваться как амплитудно-модулированный процесс; при этом временной масштаб изменчивости A0 составляет 10—15 лет [4], а сама величина A0 меняется от 0.05 до 0.40'' (дуговой секунды). Если взять характерное значение A0 = 0.22'', что примерно соответствует амплитуде нутаций Земли, равной 6.8 м, то, согласно (1), максимальное значение амплитуды полюсного прилива (на широте 45°) составит A Hmax = 0.8 см [2, 12]. Учитывая, что точность большинства существующих береговых мареографов — ±1 см, можно сказать, что возможности выделения полюсного прилива находятся на
границе разрешения. Однако, как показывает анализ данных долговременных измерений колебаний уровня моря, фактически наблюдаемый полюсный прилив в некоторых районах Мирового океана существенно сильнее, чем это следует из статической теории (см., например, [2, 11, 17]). С этой точки зрения особый интерес представляет Балтийское море. По данным проведенных ранее исследований, наибольшие амплитуды полюсного прилива наблюдаются в Ботническом заливе Балтийского моря — до 4.5—5 см [3, 12, 13, 15]. Ботнический залив располагается между 60 и 66° с.ш.; теоретическое значение статического прилива для этих широт — 0.6—0.7 см. Таким образом, наблюденные значения превышают теоретические примерно в 6—8 раз. Механизм формирования аномально высокого полюсного прилива в Ботническом заливе Балтийского моря до сих пор остается неясным [2, 14, 19]. Более того, неясно, является ли эта аномалия отличительной особенностью именно Ботнического залива или она проявляется и в других районах Балтийского моря, в частности, в Финском заливе.
Долговременные ряды наблюдений за колебаниями уровня Балтийского моря, которые стали доступны в последнее время, позволяют детально изучить пространственную изменчивость полюсного прилива в акватории моря и открывают возможности для исследования природы его аномальных особенностей в этом море. В работе [6] для анализа приливов Балтийского моря были использованы многолетние ряды ежечасных наблюдений за колебаниями уровня моря, полученные с помощью 35 мареографов, включая 15 мареографов в Финском заливе. Именно эти материалы, дополненные ежечасными наблюдениями на еще нескольких станциях, а также данными среднемесячных измерений уровня моря, послужили основой настоящего исследования структуры и особенностей полюсного прилива в Балтийском море.
2. НАБЛЮДЕНИЯ
Из 35 мареографных станций, описанных в работах [1, 6], мы выбрали 23 станции, имеющие наиболее длинные и качественные ряды ежечасных наблюдений. Период измерений на большинстве станций (таблица) составил 15—17 лет, на станции Горный институт (на входе в Невскую губу, см. рис. 1) — 31 год. Дополнительно были проанализированы данные станций Гетеборг и Стокгольм (Швеция), взятые с портала Центра уровня моря Гавайского университета (UHSLC) (http://uhslc.soest.hawaii.edu). Период наблюдений на станции Стокгольм составил 123 года, а в Гетеборге — 40 лет1.
Для более подробного описания и исследования полюсного прилива в Балтийском море были собраны и проанализированы среднемесячные
данные наблюдений колебаний уровня в различных пунктах Балтийского моря, взятые из архива Постоянной службы среднего уровня моря (Permanent Service for Mean Sea Level, PSMSL) — Ливерпуль, Англия. Всего были отобраны данные по 61 станции в Балтийском море, а также в Датских проливах и в проливе Каттегат, соединяющих Балтийское море с Северным (рис. 1, таблица). Также для сравнения были рассмотрены три станции в Северном море (Делфзейл, Куксхафен, Эс-бьерг). Все измерения были приведены к единому отсчету времени (Гринвичскому), уровень моря — к нулю Балтийской системы высот (0 БС). Длительность среднемесячных рядов наблюдений значительно превышает длительность ежечасных рядов наблюдений. Так, для 22 станций удалось сформировать ряды наблюдений длиной свыше 100 лет, а на станции Стокгольм общая длительность наблюдений составила 211 лет (таблица). Уровенные данные были тщательно проверены на наличие ошибок и сбоев, пропуски в записях заполнялись интерполированными значениями.
Как хорошо видно из рис. 1, совместное использование станций с ежечасными и среднемесячными значениями дало возможность охватить наблюдениями всю акваторию Балтийского моря, включая его основные заливы. Так, на Финский залив приходится 13 станций, а на Ботнический — 22 станции.
3. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛЮСНОГО ПРИЛИВА В БАЛТИЙСКОМ МОРЕ
Полюсный прилив, в отличие от обычного астрономического прилива, не является строго детерминированным гармоническим процессом. Как указывают Манк и Макдональд [4], период полюсного прилива не остается постоянным во времени, а изменяется в пределах ±4%. При этом период и амплитуда чандлеровского движения пропорциональны; увеличение периода коррелирует с малой амплитудой движения. В целом, полюсный прилив можно рассматривать как узкополосный стохастический сигнал в заданном диапазоне частот.
Для исследования полюсного прилива в Балтийском море применялся спектральный анализ с использованием быстрого преобразования Фурье [10]. С целью достижения высокого спектрального разрешения (Af~ 0.06687 цикл/год) ширина спектрального окна для большинства станций с ежечасными значениями уровня задавалась N = 131072 ч (для станции Горный институт — N = 262144 ч, Af ~ ~ 0.03344 цикл/год, для станции Стокгольм — N = = 999944 ч и Af ~ 0.008766 цикл/год). В результате были получены спектры с максимально возможным спектральным разрешением.
Станции, период наблюдений, дискретность наблюдений и интегральная амплитуда (А)
№ Название станции Широта с.ш. Долгота в.д. Государство Период наблюдений Длительность (ч, мес.) А, см
1 Таллинн 59.45 24.80 Эстония 1978-1995 1 ч 6.0
2 Нарва 59.45 28.05 Эстония 1977-1991 1 ч 7.0
3 Шепелево 60.00 29.10 Россия 1992-2006 1 ч 4.4
4 Ломоносов 59.90 29.80 Россия 1992-2006 1 ч 4.8
5 Кронштадт 60.00 29.80 Россия 1992-2006 1835-2005 1 ч 1 мес. 4.7 3.9
6 Горный институт 59.93 30.28 Россия 1977-2007 1 ч 3.9
7 Приморск 60.35 28.62 Россия 1921-1939 1 мес. 4.3
8 Выборг 60.70 28.73 Россия 1992-2006 1889-1944 1 ч 1 мес. 4.8 3.5
9 Хамина 60.57 27.18 Финляндия 1992-2008 1928-2010 1 ч 1 мес. 4.7 4.6
10 Содерскар 60.12 25.42 Финляндия 1866-1936 1 мес. 3.0
11 Хельсинки 60.15 24.97 Финляндия 1992-2008 1879-2010 1 ч 1 мес. 4.4 3.9
12 Ханко 59.82 22.98 Финляндия 1992-2008 1 ч 4.0
13 Руссаро 59.77 22.95 Финляндия 1866-1936 1 мес. 3.0
14 Юнгфрузунд 59.95 22.37 Финляндия 1858-1934 1 мес. 3.0
15 Турку 60.43 22.10 Финляндия 1922-2010 1 мес. 4.1
16 Утё 59.78 21.37 Финляндия 1866-1936 1 мес. 2.9
17 Фёг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.