научная статья по теме РАДИАЦИОННЫЕ ПРИЛИВЫ У ЮГО-ВОСТОЧНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РАДИАЦИОННЫЕ ПРИЛИВЫ У ЮГО-ВОСТОЧНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ БАЛТИЙСКОГО МОРЯ»

ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 357-365

= ФИЗИКА МОРЯ

УДК 551.465

РАДИАЦИОННЫЕ ПРИЛИВЫ У ЮГО-ВОСТОЧНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ

БАЛТИЙСКОГО МОРЯ

© 2015 г. А. Б. Рабинович1, И. П. Медведев1, 2

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет

e-mail: A.B.Rabinovich@gmail.com Поступила в редакцию 20.05.2014 г., после доработки 26.06.2014 г.

Приливы в Балтийском море невелики, но хорошо заметны в спектрах колебаний уровня моря. Многолетние ряды ежечасных измерений позволили детально изучить особенности приливных колебаний и выявить некоторые неожиданные эффекты. Так, выяснилось, что две близлежащие станции, расположенные на юго-восточном побережье Балтийского моря, Балтийск — в проливе, соединяющем Вислинский залив с Балтийским морем, и Открытое — на побережье Куршского залива, имеют принципиально разный характер приливных движений. По 13-летним рядам синхронных наблюдений на этих станциях были построены спектры колебаний уровня моря с высоким разрешением, которые показали, что в Балтийске наблюдается "классический" приливной спектр, с острыми пиками, соответствующими главным приливным гармоникам: M2, S2, N2, Kb Oi и Pi. В отличие от Балтийска, в Открытом основной приливной пик отвечает частоте Si; гармоники Ki, Pi и S2 также имеют значимые пики, в то время как остальные гармоники (включая M2 и Oi) не проявляются. Последующий анализ показал, что приливы в Балтийске формируются под воздействием обычных гравитационных приливных сил, а в Открытом — возбуждаются радиационным воздействием Солнца, прежде всего — влиянием бризовых ветров, вызывающих сгонно-нагонные колебания в Куршском заливе. Более того, выяснилось, что наблюдаемые пики с частотами Ki и Pi на станции Открытое связаны не с гравитационными силами, а с сезонной модуляцией радиационной приливной гармоники Si. Анализ "летнего" и "зимнего" спектров колебаний уровня моря на станции Открытое показал, что радиационные приливные пики (Si и S2) ярко выражены летом и отсутствуют в зимний период. Результаты анализа подтверждают гипотезу, что данные движения формируются бризовыми ветрами, возникающими в результате температурных контрастов в системе море—суша, которые существенны в теплое ("безледное") время года и незначительны в холодное, когда ледовый покров нивелирует эти контрасты.

DOI: 10.7868/S0030157415030144

1. ВВЕДЕНИЕ

Приливные колебания в Балтийском море невелики, но хорошо известны и служат предметом исследования уже свыше 140 лет (см., например, [12, 16]). Вследствие регулярности и детерминированности приливных движений, острые приливные пики хорошо выделяются в спектрах колебаний уровня моря практически для всей акватории моря [5]. Длинные ряды ежечасных наблюдений, которые стали доступны в последнее время, позволили исследовать приливы в этом море с гораздо большей детальностью и точностью, чем это было возможно ранее, и построить спектры с высоким разрешением для приливных диапазонов частот [5]. В результате удалось выявить ряд новых и интересных эффектов, в частности, присутствие "радиационных приливов" в некоторых районах Балтийского моря.

Радиационные приливы [17] обусловлены не гравитационными силами, а радиационным воздействием Солнца на уровень моря. Соответственно, периоды радиационных гармоник свя-

заны не с лунной, а с солнечной цикличностью [18]. Так, радиационными гармониками являются годовая гармоника 8а, полугодовая 88а, суточная 81 и частично полусуточная 82 (по данным работ [20, 22], типичная величина радиационной гармоники 82 составляет около 16% от гравитационной 82). Манк и Картрайт [17] ввели понятие радиационного потенциала:

-Л* р

= S— cos а = S Л) cos а ^ Z,"Pn( cos а)

n = 0

(i)

-п<а<п (днем); 2 2 V 7

п п „ „ 3п f ч = 0 - < а < — (ночью), 22

характеризующего количество тепла, получаемого единичной площадкой на поверхности Земли в единицу времени. Здесь Б = 1380 Вт/м2 — солнеч-

со

ная постоянная, — текущее, а — среднее расстояния от центра Земли до Солнца, р— текущее расстояние от точки наблюдения на поверхности Земли до Солнца, а — зенитный угол Солнца (а = 0, когда Солнце находится строго в зените), = а / — солнечный параллакс, а = = 6371 км — средний радиус Земли, Рп — полиномы Лежандра порядка п: Р0(ц) = 1, Р1(ц) = ц,

Р2 (Ц) = 1 ( 3 Ц2 - 1) и т.д.

Дальнейшее разложение "дневного" значения радиационного потенциала (1) по сферическим гармоникам позволяет получить следующее выражение [17, 18]:

= < R

1P1 (cos а) + — P2 (cos а) + ... .2 16 2

- 2 <а< 2 (ДНСМ)'

(2)

При выводе выражения (2) был отброшен постоянный член разложения радиационного потенциала ~ яа2 £, ответственный за общий прогрев Земли, но не вызывающий приливных колебаний, а также малые члены разложения, пропорциональные солнечному параллаксу ~ 1/23455. Заметим, что в отличие от выражения для гравитационного потенциала (см. [4, 17, 18]), в выражении для радиационного приливного потенциала (2) присутствует гармоника Р1 (появляющаяся из-за "непрозрачности" Земли для солнечной радиации), и именно эта гармоника вносит основной вклад в формирование сезонных и суточных радиационных приливов (см. рис. 8 в работе [17]). Полусуточные ради-ациационные приливы формируются вторым членом разложения (2), а более высокие гармоники (Р3, Р4 и т.д.) играют пренебрежимо малую роль. Два астрономических параметра в выражении (2), — расстояния от центра Земли до Солнца и а — зенитный угол Солнца, зависят от времени; их расчет (см. [9]) позволяет прогнозировать значение радиационного потенциала для любой точки поверхности Земли и любого момента времени и учитывать, в частности, изменения длины светового дня и склонения Солнца.

Следует отметить, что из-за асимметрии (день/ночь) радиационного излучения Солнца (1) в колебаниях уровня моря могут проявляться высокочастотные радиационные гармоники Б3, 84, Б5, 86, 87 и др. [2, 3]. Подобный характер носят спектры колебаний уровня на станциях Нарва (Эстония) и Даугава (Латвия) на восточном — юго-восточном побережье Балтийского моря [5].

В отличие от обычных приливов, которые формируются непосредственно под влиянием гравита-

ционных сил, радиационные приливы имеют более сложный механизм генерации. Фактически, радиационные приливы образуются под влиянием различных периодических факторов, связанных с излучением Солнца, наиболее важными среди которых являются: (1) колебания температуры воздуха и вызванные ими колебания температуры поверхности моря; (2) атмосферные приливы; (3) бризовый ветер. Преобладание того или иного фактора зависит от конкретных физико-географических условий района наблюдений [20]. Как указывается в работе [5], главным фактором, вызвавшим появление радиационных гармоник на некоторых станциях балтийского побережья, видимо, являются бризо-вые ветра; именно этот фактор сильнее всего зависит от конкретного района наблюдений, в то время как изменчивость температуры воздуха/воды и атмосферные приливы не обладают подобной выбо-рочностью (т.е эти два фактора должны были аналогичным образом воздействовать на все станции). Важно иметь в виду, что хотя амплитуды суточных и полусуточных радиационных приливных колебаний уровня моря сравнительно невелики, течения, обусловленные бризовыми ветрами, могут в поверхностном слое и в узких протоках достигать значительных величин — до 1—2 узлов и выше [21].

Результаты анализа длительных рядов наблюдений в Балтийском море показали, что наиболее ярко радиационные приливы проявляются на юго-восточном побережье. При этом при анализе данных мареографных наблюдений на станциях Калининградской области (Российская Федерация) нами был обнаружен неожиданный эффект, связанный с радиационными приливами, который и является темой настоящей статьи.

2. НАБЛЮДЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ПРИЛИВОВ

На рис. 1 показано положение двух мареографных станций: Балтийск и Открытое. Станция Балтийск расположена в Балтийском проливе, соединяющем Вислинский (Калининградский) залив с Балтийским морем. Станция Окрытое расположена в южной части Куршского залива, известного также как "Куроньянская лагуна" (Curonian Lagoon). Этот залив представляет собой мелководную лагуну, отделенную от Балтийского моря Куршской косой и сообщающуюся с морем через узкий Клай-педский пролив (~390 м); площадь акватории залива — около 1584 км2, средняя глубина — 3.8 м, максимальная — 5.8 м [6, 10]. Т.е. станция Открытое расположена во внутренней части обширной мелководной лагуны, а станция Балтийск — практически на внешнем (морском) берегу (рис. 1).

В нашем распоряжении имелись 13-летние синхронные ряды ежечасных наблюдений уровня моря на этих двух станциях за 1992—2004 гг. Исследова-

Рис. 1. Схема расположения станций Балтийск и Открытое у юго-восточного побережья Балтийского моря.

ния долгопериодных колебаний уровня моря, в частности, тектонических, климатических и сезонных, в этом районе проводились неоднократно (см., например, [6, 10, 11]). Однако сравнительно высокочастотные колебания, с периодами от часов до дней, ранее практически не исследовались.

Длительные ряды наблюдений позволили детально исследовать спектральные особенности колебаний уровня моря на этих двух станциях. Для расчета спектров использовалось быстрое преобразование Фурье (БПФ). Общая длина рядов составляла 105432 ч; согласно рекомендации [13], при расчете спектров использовалось окно Кайзера-Бесселя длиной N = 212 = 4096 ч с половинным перекрытием. В результате обеспечивалось число степеней свободы V = 100, а частотное разрешение спектра было А/= 0.00586 цикл/сут. На рис. 2 приведены спектры колебаний уровня моря в Балтийске и Открытом. Из рисунка хорошо видно, что спектр естественного длинноволнового шума подчиняется известному закону ю-2 [7], при этом для двух станций спектры шума вплоть до периодов ~9 ч практически идентичны. На периодах меньше 9 ч начинается расхождение спектров, что связано с влиянием собственных колебаний Куршского залива. Глав-

ный пик широкого "горба" соответствует частоте 7.63 цикл/сут (период Т = 3.15 ч). Простая оценка периода фундаментал

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.

Показать целиком