ТОП 10 лучших статей российской прессы за Nov. 21, 2017
Бывает ли горизонтальной поверхность воды?
Автор: Марк Софер. Наука и Жизнь
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 объ-
ектам, 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 коэф-
фициенту 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 по-
верхности заметно и на макроуровне. Вдали
от океанов и морей поверхность их представ-
ляется нам строго горизонтальной. Но если
морские просторы перед вашими глазами,
пройдитесь взглядом вдоль горизонта — вы
увидите не прямую линию, а дугу... И в плане-
тарных масштабах океанов и морей их водная
поверхность действительно сферична, она
повторяет очертания земного шара, а её кри-
визна 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 на-
правлен 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 кон-
тиненте самые высокие приливы (до 13,5 м)
наблюдаются на западном берегу Франции, в
Бретани. В России подобные приливы случа-
ются в Пенжинской губе Охотского моря — до
12,9 м. Это место самых высоких приливов на
всём Тихом океане.
Кроме приливно-отливных перекосов уров-
ня океана его горизонтальность постоянно
искажается сгонно-нагонными ветровыми
течениями, штормовыми волнами, а у бере-
гов — всплесками прибоев. Самое мощное на
Земле тёплое течение Гольфстрим выглядит
«выпуклой» рекой, возвышаясь над поверх-
ностью Атлантического океана на 1—2 м.
Так что «гладь океана» — всего лишь роман-
тически-образное выражение, на что обращал
внимание прекрасный знаток географии
океанов писатель Жюль Верн. Его знамени-
тый 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 увиде-
лось 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 иде-
ально 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 перио-
дом (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 сильнейши-
ми 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 про-
наблюдать в тазу с водой. Качнув его один
раз, можно увидеть, как возникшие волны,
многократно отражаясь от бортов, перека-
тываются по поверхности. Они сталкивают-
ся, хаотично накладываются друг на друга,
создавая сложную волновую систему.
Но самые значительные искажения гори-
зонтальности уровня воды происходят на
наиболее подвижных водных объектах — ре-
ках.
Очевидно, что любой поток воды не может
быть строго горизонтальным именно потому,
что он течёт, а значит, имеет уклон, ведь, со-
гласитесь, 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 — каж-
дый час. Именно в эти периоды реки особенно
агрессивны, тем более когда они угрожающе
«прыгают в высоту» (опять-таки лишь образ-
ное выражение, подразумевающее наивыс-
ший 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 повторяю-
щихся катастрофических наводнений. Обще-
известны наводнения на реках Китая, Индии,
США, некоторых европейских стран. Наводне-
ния 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 суточ-
ных 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 величи-
на снегозапасов и интенсивность их таяния,
на других — количество осадков и продол-
жительность ливней, на третьих — условия
замерзания и вскрытия ото льда, дружность
ледохода, на четвёртых — направление вет-
ровых 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 ко-
лебания 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 водя-
ных валах, о скрывшихся под водой посёлках,
о затоплении обширных пространств, соизме-
римых с площадью некоторых государств?
Как показывают многолетние гидрологи-
ческие наблюдения, такие события не только
имели и имеют место, но они поддаются оп-
ределённой классификации.
Самые высокие подъёмы уровня воды отме-
чаются 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 круп-
ных — 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 наблю-
дений достигла 19 м! На этом фоне подъёмы
воды на Дону покажутся умеренными — «все-
го» 12—14 м, а на верхней Волге (до создания
регулирующих водохранилищ) вода выше 10 м
не поднималась.
Достаточно высокую планку преодолева-
ют наши северные реки. Мощные водные
потоки, ограниченные крутыми и прочными
берегами, способны подниматься на высоту
10—12 м. Особенно велики амплитуды коле-
баний 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 россий-
ские «разливы рек её, подобные морям»,
чемпионов по «прыжкам вверх» следует искать
в Азии. Наибольший подъём уровня воды в на-
шей 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» совер-
шает река Янцзы в Китае. В теснине у города
Ичан он достигает 50 м. Какой же мощью нуж-
но обладать, чтобы взять такую высоту!
Реки, имеющие поймы, не могут даже при-
близиться 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 под-
нимаются выше 10 м.
Ещё ниже результаты у рек, протекающих в
пределах равнинных заболоченных террито-
рий — 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 колеба-
ния 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 коле-
баний 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: способ-
ны ли подниматься озёра? В отличие от рек,
большая ёмкость озёр не позволяет им так
быстро и легко поддаваться капризам пого-
ды — дружному снеготаянию, интенсивному
ливню, нагонным ветрам и т. п. Поэтому ам-
плитуда 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 пре-
высили 2,2 м.
На территории России наиболее «подъём-
но» 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 питаю-
щего его бассейна. Поэтому озеро так бурно
реагирует на малейшие изменения водности
своей огромной вотчины. Примерно так же
ведёт себя его северный сосед на Вологод-
чине — озеро Кубенское, наивысшие подъёмы
уровня там достигают 5—6 м. Все остальные
озёра севера и северо-запада России под-
нимаются в пределах 2—3 м.
И всё же в мире существует уникальный
пример практически абсолютной горизон-
тальности воды — это бессточное Большое
Солёное озеро на северо-западе США. Вы-
сохший до корки слой соли повторяет уровень
воды и обеспечивает настолько ровную по-
верхность, 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 по-
перечного? 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, на-
блюдая за жизнью большой равнинной реки.
Обратите внимание на поведение водного
потока в различные сезоны года. Присмо-
тритесь к реке весной, в половодье, во вре-
мя 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 нетруд-
но будет заметить, что все свободно плывущие
предметы (брёвна, ветки, различный мусор)
придерживаются середины реки, чётко выяв-
ляя 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 попереч-
ных течений в русле реки, особенно там, где
меняется направление стрежня.
Чем же объясняется возникновение раз-
нонаправленных по сезонам поперечных ук-
лонов? Гидрологи полагают, что их причиной
являются существенные изменения расхода
воды в русле. Для большинства рек объём
воды в половодье или в паводок может воз-
растать в десятки раз. Поэтому, когда русло
переполняется водой, наибольшая пропус-
кная 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 стано-
вится выше, чем у берегов. И тогда говорят:
«река вздулась». Иногда это заметно даже на
глаз; на крупных и полноводных реках превы-
шение 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 ес-
тественных 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 вли-
яние дна и берегов. Это приводит к тому, что
уровень воды у берегов оказывается выше,
чем посередине реки, в русле возникает дви-
жение 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 по-
перечные циркуляционные течения.
Причина данного явления была вскрыта
лишь в середине прошлого века. Эксперимен-
тальными 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 воз-
никают на изгибах русла, где наряду с силой
тяжести на скорость течения влияет центро-
бежная сила, которая «прижимает» поток к во-
гнутому (подмываемому) берегу и несколько
приподнимает уровень воды. В результате
избытка гидростатического давления в при-
донных слоях вода «отжимается» и направля-
ется в сторону выпуклого берега.
Таким образом, возникают два поперечных
течения: одно — «поверхностное», ударяющее
в вогнутый берег, другое — «придонное», на-
правленное в противоположную сторону. В
каждой излучине направление циркуляции
своё. На правых поворотах — струи воды
движутся по часовой стрелке, на левых — в об-
ратном 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 ве-
сеннем половодье выпуклая форма водной
поверхности создаёт два расходящихся к
берегам уклона и соответствующие им те-
чения. При этом, достигая дна, они меняют
направление и, сталкиваясь на середине,
устремляются к поверхности. В летнюю ме-
жень движение воды происходит иначе: по-
верхностные 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 откры-
тость, 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 про-
изводят иногда впечатление водного зеркала.
И, действительно, реальная горизонтальность
существует, но лишь на очень немногих вод-
ных объектах, чаще всего небольших, замкну-
тых, 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 поло-
жительно, то с большими оговорками…
Коментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи.
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2024/189933/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2024/189146/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2024/188445/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2024/187703/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2024/186967/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2024/186345/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2024/185430/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2024/184815/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2024/184209/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/183434/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/182641/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/181878/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/181194/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/180325/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/179597/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/178623/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/178025/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/177077/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/176431/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)
![](/media/covers/nauka-i-zhizn/2023/175622/205-282/cover.png)
![](/static/images/icon_pdf.jpg)
![](/static/images/icon_online.jpg)