Бывает ли горизонтальной поверхность воды?
Кандидат географических наук Марк Софер. Фото Натальи Домриной
Вопрос, вынесенный в заголовок, может вызвать удивление: что может быть более плоским, чем водная гладь?
Кто, волны, вас остановил,Кто оковал ваш бег могучий,
Кто в пруд безмолвный и дремучий
Поток мятежный обратил?
А. С. Пушкин
Вопрос, вынесенный в заголовок, может вызвать удивление: разве не потому называют поверхность воды уровнем, что ей свойственно занимать строго горизонтальное положение; говоря же об уровне, имеют в виду какую-либо плоскость, а что может быть более плоским, чем водная гладь? Недаром же так говорится!
Не будем оспаривать традиционные представления, только уточним: словосочетание «водная гладь» справедливо в том случае, когда вода неподвижна. Но этого практически не бывает. У воды иной характер...
Обращаясь к естественным водным объектам, мы редко находим подтверждение сложившимся представлениям об идеальной горизонтальности уровня воды, а вот примеры его негоризонтальности повсеместны — от капли воды до океана. Негоризонтальность видна даже на микроуровне. Например, в мензурке или тонкой трубочке уровень воды всегда имеет явную вогнутую форму, соответствующую самому высокому коэффициенту поверхностного натяжения среди жидкостей (за исключением ртути). По этой же причине капля воды не распластывается на вощёной бумаге, а в невесомости вообще остаётся в форме шара.
Нарушение горизонтальности водной поверхности заметно и на макроуровне. Вдали от океанов и морей поверхность их представляется нам строго горизонтальной. Но если морские просторы перед вашими глазами, пройдитесь взглядом вдоль горизонта — вы увидите не прямую линию, а дугу... И в планетарных масштабах океанов и морей их водная поверхность действительно сферична, она повторяет очертания земного шара, а её кривизна определяется законами физики.
Планетарная кривизна — это, конечно, ещё не водная «гладь» океана, она периодически нарушается прохождением длинных волн приливов и отливов, связанных с положением Луны и Солнца. Во время приливов уклон направлен в сторону суши, во время отливов — в обратную сторону.
Высота приливной волны различна в разных местах Земли и зависит от формы берегов. Высочайшие на Земле приливы (15,6—18 м) зафиксированы в бухте Фанди (Атлантическое побережье Канады). На европейском континенте самые высокие приливы (до 13,5 м) наблюдаются на западном берегу Франции, в Бретани. В России подобные приливы случаются в Пенжинской губе Охотского моря — до 12,9 м. Это место самых высоких приливов на всём Тихом океане.
Кроме приливно-отливных перекосов уровня океана его горизонтальность постоянно искажается сгонно-нагонными ветровыми течениями, штормовыми волнами, а у берегов — всплесками прибоев. Самое мощное на Земле тёплое течение Гольфстрим выглядит «выпуклой» рекой, возвышаясь над поверхностью Атлантического океана на 1—2 м.
Так что «гладь океана» — всего лишь романтически-образное выражение, на что обращал внимание прекрасный знаток географии океанов писатель Жюль Верн. Его знаменитый капитан Немо многократно опровергал идеализацию «океанской глади»: «Лёгкая зыбь пробегала по водной глади… Лёгкий ветерок чуть рябил водную гладь… Ничего подозрительного, если не считать большой волны, поднятой на водной глади…» А вот и главный вывод: «Застывшая водная гладь, к его удивлению, вопреки ожиданиям совсем не оказалась ровной, словно зеркало».
Так что водная «гладь» — большая редкость. Пушкину даже «ласковое» Чёрное море увиделось в другом настроении:
Шуми, шуми, послушное ветрило.
Волнуйся подо мной, угрюмый океан.
А какие эмоции одолевают нас при виде грозной поверхности океана на картинах И. К. Айвазовского! Океан у нашего великого мариниста никогда не бывает спокойным.
Но может быть, в поисках «зеркальности» воды стоит обратиться к меньшим по площади водоёмам? Не найдём ли там примеры идеально ровной водной плоскости?
Нет, вопреки расхожим представлениям, уровень воды на поверхности крупных озёр тоже не бывает строго горизонтальным. Он имеет «перекосы» в виде длинных, на глаз малозаметных, волн — так называемых сейш. Они возникают под воздействием внешних сил: изменения атмосферного давления, направления и скорости ветра, сейсмических толчков, обрушения берегов.
Сейши характеризуются большим периодом (от нескольких минут до десятков часов) и заметной амплитудой (от миллиметров до нескольких метров). Так, на Женевском озере (Швейцария) амплитуда сейш достигает 2 м с периодом более одного часа. А в достаточно изолированном и мелководном Азовском море наблюдались сейши с периодом до 23 часов и амплитудой 10—25 см.
Нечто подобное происходит в Финском заливе, где глубокий циклон с сильнейшими западными ветрами создаёт «перекос» уровней и длинная волна, распластываясь, накатывает в устье Невы, вызывая знаменитые наводнения в Санкт-Петербурге. Пушкин, не имея никаких систематических наблюдений, коротко и точно описал причину обратного течения Невы, то есть изменения её уклона:
Но силой ветров от залива
Переграждённая Нева
Обратно шла, гневна, бурлива,
И затопляла острова…
Простейшую модель сейши легко пронаблюдать в тазу с водой. Качнув его один раз, можно увидеть, как возникшие волны, многократно отражаясь от бортов, перекатываются по поверхности. Они сталкиваются, хаотично накладываются друг на друга, создавая сложную волновую систему.
Но самые значительные искажения горизонтальности уровня воды происходят на наиболее подвижных водных объектах — реках.
Очевидно, что любой поток воды не может быть строго горизонтальным именно потому, что он течёт, а значит, имеет уклон, ведь, согласитесь, без уклона вода течь не будет. И, рассматривая продольный профиль реки, мы всегда видим направленность уклона как дна реки, так и её поверхности.
Но если русло реки достаточно стабильно, то уровень воды в нём меняется постоянно. Неслучайно измерение его на водомерных постах производится как минимум дважды в сутки, во время половодья и паводков — каждый час. Именно в эти периоды реки особенно агрессивны, тем более когда они угрожающе «прыгают в высоту» (опять-таки лишь образное выражение, подразумевающее наивысший подъём уровня и выход речной воды за пределы собственного русла).
Понятно, что необходимо знать, насколько высоко река может подняться. Большинство городов возникло в то время, когда не было никаких сведений о возможных колебаниях уровня воды в реках, и теперь многие из них жестоко страдают от периодически повторяющихся катастрофических наводнений. Общеизвестны наводнения на реках Китая, Индии, США, некоторых европейских стран. Наводнения происходят в Петербурге, Архангельске, Красноярске, Благовещенске, Крымске и в других городах и населённых пунктах России. Учитывая печальный опыт затопления старых городов, проектирование и строительство новых проводится с обязательным учётом наивысших уровней воды. Но как определить величину таких подъёмов? Для этого нужно знать закономерности водного режима рек и озёр, иметь длительный ряд наблюдений за ними. По хронологическому графику суточных изменений уровня воды (он называется гидрографом) можно судить о характере вод-ного питания, сроках наступления и величине экстремальных ситуаций.
Высота подъёма уровня воды на реках во время половодья или паводков зависит от многих причин: на одних реках — это величина снегозапасов и интенсивность их таяния, на других — количество осадков и продолжительность ливней, на третьих — условия замерзания и вскрытия ото льда, дружность ледохода, на четвёртых — направление ветровых и приливных нагонов воды. Но сильнее всего влияют размер площади водосбора и характер русла реки. Очевидно, чем сильнее стеснено берегами русло, тем больше реке хочется вырваться за его пределы и тем выше ей приходится подниматься. И наоборот: в широких заболоченных поймах, где ничто не мешает реке разойтись вширь, подъём воды незначительный. Особенно успокаивающе действуют на реки… озёра и болота. Чем их больше в речном бассейне, тем меньше колебания уровня воды.
Каковы же реальные подъёмы уровня воды на реках и озёрах? И не являются ли плодом художественного воображения рассказы о многометровых скачках уровня реки, о водяных валах, о скрывшихся под водой посёлках, о затоплении обширных пространств, соизмеримых с площадью некоторых государств?
Как показывают многолетние гидрологические наблюдения, такие события не только имели и имеют место, но они поддаются определённой классификации.
Самые высокие подъёмы уровня воды отмечаются на равнинных реках, текущих в чётко выраженных берегах при отсутствии поймы. В этих условиях даже на малых реках колебания уровней достигают 2—4 м, а на средних и крупных — вода способна подниматься до высоты многоэтажных домов. О «прекрасном голубом Дунае» слышали все, но не все знают, что за две тысячи километров от его устья, в Австрии, амплитуда колебаний уровня дунайской воды достигает почти 15 м, в Будапеште отмечены прыжки уровня более 10 м. Однако в Европе рекорд по «прыжкам в высоту» держит… Ока. В районе Калуги амплитуда колебаний уровня воды за более чем 120-летний период наблюдений достигла 19 м! На этом фоне подъёмы воды на Дону покажутся умеренными — «всего» 12—14 м, а на верхней Волге (до создания регулирующих водохранилищ) вода выше 10 м не поднималась.
Достаточно высокую планку преодолевают наши северные реки. Мощные водные потоки, ограниченные крутыми и прочными берегами, способны подниматься на высоту 10—12 м. Особенно велики амплитуды колебаний уровней на Печоре. Почти на всём её протяжении разница между минимальными и максимальными уровнями достигает 12 м. Столь же «прыгуч» и приток Печоры — река Уса. Другой северный гигант — Северная Двина — почти не уступает своей соседке. В районе Усть-Пинеги многолетние колебания уровня превысили 12 м. Достаточно «прыгуча» и река Сухона, особенно в нижнем течении. Десятиметровые подъёмы уровня её воды не раз испытал на себе Великий Устюг.
Однако, несмотря на знаменитые российские «разливы рек её, подобные морям», чемпионов по «прыжкам вверх» следует искать в Азии. Наибольший подъём уровня воды в нашей стране — до 32 м — наблюдался на реке Тунгуске. К счастью, никаких хозяйственных объектов в этом створе нет. А среди мировых рек-гигантов самый высокий «прыжок» совершает река Янцзы в Китае. В теснине у города Ичан он достигает 50 м. Какой же мощью нужно обладать, чтобы взять такую высоту!
Реки, имеющие поймы, не могут даже приблизиться к подобным результатам. Обычно амплитуда колебаний уровней воды в них не превышает в верхнем течении 1,5—2 м, в среднем — 15—20 м. По этой причине и Волга в низовьях, и Урал на всём протяжении не поднимаются выше 10 м.
Ещё ниже результаты у рек, протекающих в пределах равнинных заболоченных территорий — в Западной Сибири, в Полесье. Здесь на крупных реках — Оби, Припяти — амплитуда колебаний уровня едва достигает 8—10 м, на малых реках — 1—1,5 м.
Самые низкие результаты показывают озёрные и горные реки. Многолетние колебания уровня воды даже на полноводных реках не превышают 4—6 м. К их числу относятся Ангара, Волхов, Нева. Так, за всю историю наблюдений у Новой Ладоги амплитуда колебаний уровня воды в Волхове составила 3,3 м. Ещё меньше она для Невы, сток которой почти полностью регулируется Ладогой.
В связи с этим возникает вопрос: способны ли подниматься озёра? В отличие от рек, большая ёмкость озёр не позволяет им так быстро и легко поддаваться капризам погоды — дружному снеготаянию, интенсивному ливню, нагонным ветрам и т. п. Поэтому амплитуда их уровней гораздо меньше, особенно у солидных озёр. Уровень Ладожского озера, например, за период наблюдений более 140 лет колебался в пределах 1,5—2,5 м, на Байкале вековые колебания уровня не превысили 2,2 м.
На территории России наиболее «подъёмно» озеро Ильмень, амплитуда его уровней за весь период наблюдений превышает 7 м. (Как тут не вспомнить легенду о граде Китеже, ушедшем под воду?) Это объясняется тем, что площадь водной поверхности Ильменя примерно в 90 раз меньше площади питающего его бассейна. Поэтому озеро так бурно реагирует на малейшие изменения водности своей огромной вотчины. Примерно так же ведёт себя его северный сосед на Вологодчине — озеро Кубенское, наивысшие подъёмы уровня там достигают 5—6 м. Все остальные озёра севера и северо-запада России поднимаются в пределах 2—3 м.
И всё же в мире существует уникальный пример практически абсолютной горизонтальности воды — это бессточное Большое Солёное озеро на северо-западе США. Высохший до корки слой соли повторяет уровень воды и обеспечивает настолько ровную поверхность, что на ней проводятся испытания и гонки сверхскоростных машин.
Но если «перекосы» уровней характерны даже для озёр, то на реках они ещё более заметны. Нет сомнений в продольном уклоне водного потока. Но очевидно ли наличие поперечного? Здравый смысл подсказывает: если бы он был, вода бы двигалась поперёк реки — между берегами. Такое допущение может показаться абсурдным — ведь это не должно происходить!
Тем не менее поперечный уклон воды в русле существует. В этом легко убедиться, наблюдая за жизнью большой равнинной реки.
Обратите внимание на поведение водного потока в различные сезоны года. Присмотритесь к реке весной, в половодье, во время ледохода. Свободно плывущие льдины приближаются, иногда даже прижимаются к берегам, а в случае ледяного затора часто «наползают» на них. Это говорит о том, что существует уклон, направленный из середины реки к берегам. Если же проследить за рекой по окончании половодья, в межень, то нетрудно будет заметить, что все свободно плывущие предметы (брёвна, ветки, различный мусор) придерживаются середины реки, чётко выявляя стрежень водного потока. Того самого, на который «выплывали расписные острогрудые челны». Следовательно, существует уклон, направленный от берегов к середине реки. Опытные водные туристы могут подтвердить наличие не только продольных, но и поперечных течений в русле реки, особенно там, где меняется направление стрежня.
Чем же объясняется возникновение разнонаправленных по сезонам поперечных уклонов? Гидрологи полагают, что их причиной являются существенные изменения расхода воды в русле. Для большинства рек объём воды в половодье или в паводок может возрастать в десятки раз. Поэтому, когда русло переполняется водой, наибольшая пропускная способность приходится на срединную часть реки, где влияние трения о берега и дно относительно невелико и незначительно сказывается на скорости потока. В результате большего напора уровень воды здесь становится выше, чем у берегов. И тогда говорят: «река вздулась». Иногда это заметно даже на глаз; на крупных и полноводных реках превышение срединного уровня над прибрежным достигает 1 м. В этих случаях при ширине реки 1,5—2 км поперечный уклон превышает 0,001, что немало даже для продольного уклона естественных водотоков. Из-за такого перепада уровней в реке возникает движение воды от середины русла к берегам, которое и увлекает за собой льдины.
В конце половодья водность и глубина реки уменьшаются и возрастает тормозящее влияние дна и берегов. Это приводит к тому, что уровень воды у берегов оказывается выше, чем посередине реки, в русле возникает движение воды в направлении от берегов к центру. Очевидно, что плывущие по реке предметы будут стремиться к её середине, так что по их местонахождению в потоке можно определить и фазы водного режима — подъём или спад. Определение, конечно, будет поверхностным, ведь мы не видим, что происходит в глубине русла. Река умело прячет «концы в воду», и можно только догадываться, что помимо продольной скорости в реках существуют поперечные циркуляционные течения.
Причина данного явления была вскрыта лишь в середине прошлого века. Экспериментальными работами М. А. Великанова (1958), Н. И. Маккавеева и других (1961) установлено, что поверхность реки может изменять свою форму, образовывать различные уклоны под влиянием увеличения или уменьшения её расхода, наличия центробежной силы на поворотах, силы вращения Земли, ветра и так далее.
Наиболее сложные случаи движения возникают на изгибах русла, где наряду с силой тяжести на скорость течения влияет центробежная сила, которая «прижимает» поток к вогнутому (подмываемому) берегу и несколько приподнимает уровень воды. В результате избытка гидростатического давления в придонных слоях вода «отжимается» и направляется в сторону выпуклого берега.
Таким образом, возникают два поперечных течения: одно — «поверхностное», ударяющее в вогнутый берег, другое — «придонное», направленное в противоположную сторону. В каждой излучине направление циркуляции своё. На правых поворотах — струи воды движутся по часовой стрелке, на левых — в обратном направлении. Так создаётся круговая циркуляция в потоке.
Смешиваясь с основным продольным потоком, разно направленные течения на поверхности и у дна создают спиралевидное («винтовое») движение воды. Некоторые реки так и текут — «по спирали» от излучины до излучины вниз по течению.
Ещё сложнее движение речного потока в «критические» сезонные периоды. При весеннем половодье выпуклая форма водной поверхности создаёт два расходящихся к берегам уклона и соответствующие им течения. При этом, достигая дна, они меняют направление и, сталкиваясь на середине, устремляются к поверхности. В летнюю межень движение воды происходит иначе: поверхностные потоки направлены к середине реки, сталкиваются и уходят на глубину, где и расходятся в сторону берегов. Таким образом, в эти периоды речной поток состоит из двух параллельно движущихся, но противоположно закрученных спиралевидных течений.
Наблюдения показывают, что наиболее устойчивы уровни в реках и озёрах в летнюю и зимнюю межень. Это те периоды, когда приток воды ограничен и может даже прекратиться, а сами уровни минимальны. Причём часто поверхность воды теряет естественную открытость, покрываясь летом теплолюбивой вод-ной растительностью (ряской, водорослями), а зимой — льдом. И то и другое сдерживает волновые колебания уровня воды.
Такие водоёмы очень поэтичны и любимы художниками. Вспомните заросший пруд на картине В. М. Васнецова «Алёнушка» или покрытые кувшинками пруды на пейзажах Клода Моне...
Что касается выравнивающего влияния ледового покрова, то и тут можно только восхищаться наблюдательностью Пушкина, нашедшего точное и изящное сравнение:
Опрятней модного паркета
Блистает речка, льдом одета.
Спору нет, «застывшие» речки и пруды производят иногда впечатление водного зеркала. И, действительно, реальная горизонтальность существует, но лишь на очень немногих водных объектах, чаще всего небольших, замкнутых, изолированных от внешних воздействий, да и то на короткий период и на определённом отрезке длины. Таким образом, на вопрос, поставленный в заголовке, приходится чаще всего отвечать отрицательно. А если и положительно, то с большими оговорками…
Статьи по теме
- Законы, по которым вода «съедает» землю
- Как реки взрослеют, стареют и омолаживаются
- Облака: от созерцания к познанию
Читайте в любое время
