ПОНЯТИЕ «БЕРЕГ». ВОЛНЫ И ВОЛНОВЫЕ ТЕЧЕНИЯ

Берег — граница суши и моря. Хотя на картах эта граница изобра­жается линией, в действительности следует говорить о береговой зоне, т. е. о более или менее широкой полосе, в пределах которой: осуществляется взаимодействие суши и моря.

Береговая зона состоит из собственно берега — ее надводной: части — и из подводного берегового склона. Границы береговой зоны будут определены ниже, после рассмотрения основных дейст­вующих сил, преобразующих береговую зону. Таковыми являются, прежде всего, морское волнение, волновые течения и приливо-от­ливные явления. Кроме того, в формировании морских берегов принимают участие некоторые организмы, а также реки. Важным условием развития берега являются также тектонические движения земной коры и геологическое строение прибрежной суши и подвод­ного берегового склона.

Волны.Ветер, воздействуя на водную поверхность, обусловли­вает возникновение колебательных движений в поверхностной толще воды. Особенность этих движений заключается в том, что

Рис. 96. Элементы волны:

h — высота; L — длина; / — гребень; 2 — ложбина; 3 — задний склон; 4 — передний склон волны. На рисунке показан харак­тер орбитального движения поверхностных водных частиц, участвующих в Волнении

части­цы воды начинают совершать орбитальные движения в плоскости, перпендикулярной поверхности моря, причем движение по этим орбитам совершается в направлении действия ветра.

Различают волны глубокого моря и волны мелководья. Посколь­ку волновые движения затухают по мере удаления от поверхности моря на глубину, то разделение морских волн на эти категории ос­новывается на том, является ли глубина моря больше или меньше глубины проникновения волновых движений.

Волны, действующие на акваториях, где глубина моря меньше, чем глубина проникновения волновых движений, относят к волнам мелководья. Принято считать, что практически на глубине, равной половине длины волны (см. ниже), волновые колебания в толще воды затухают.

В морской волне различают следующие параметры: высоту (h), длину (L), период (Т), скорость распространения (V), а также та­кие элементы, как гребень и ложбина волны, передний и задний склоны, фронт и луч волны. Что означают названные параметры и элементы, видно из данных рис. 96. Следует лишь пояснить, что пе­риодом называется время, в течение которого частица воды описы­вает полную орбиту, а скоростью распространения — величина, по­лучаемая при делении длины волны на ее период. Волны мелководья в отличие от волн открытого моря воздей­ствуют на дно (на подводный береговой склон) и сами испытывают его воздействие. Вследствие этого они расходуют энергию на пре­образование рельефа дна, на перенос залегающих на дне обломоч­ных частиц. Волны открытого моря расходуют энергию только на преодоление внутреннего трения и на взаимодействие с атмосферой. Чем больше затрачивается энергия волнами при прохождении их над подводным береговым склоном, тем меньше ее доносится до бе­реговой линии. В результате взаимодействия с дном при прохожде­нии над мелководьем волны меняют свой профиль, становятся асимметричными: передний склон становится круче, а задний выполаживается. Внешней асимметрии отвечает возникающая у волн мелководья асимметрия орбит, по которым движутся водные части­цы. Орбиты из круглых становятся эллиптическими, причем сами эллипсы неправильные, они сплюснуты снизу (рис. 97). Соответст­венно утрачивается равенство орбитальных скоростей. Скорости движения, направленные в сторону берега (т.е. при прохождении верхней части орбиты), становятся больше скоростей Обратного движения (по нижней части орбиты). Такое соотношение ско­ростей имеет принципиальное значение для понимания процес­сов перемещения наносов и формирования рельефа в береговой зоне.

Увеличение крутизны переднего склона волны достигает крити­ческого значения над глубиной, равной высоте волн. Он стано­вится вертикальным и даже нависающим, и для формирования сле­дующей волны впереди ее физически не хватает воды. Происходит обрушение гребня волны, в результате

Направление ветра

Рис. 97. Характер орбит-волновых частиц в волне мелководья (по Н. Е. Кондратьеву)

Рис. 98. Траектория прибойного потока на пляже при косом подходе волн кбе­регу. Крестиками отмечена вершина заплеска

чего волновое движение во­ды сменяется принципиально новым видом движения — прибойным потоком. Само разрушение волны называется прибоем.

Прибойный поток, или накат, формируется из массы воды, об­разующейся при разрушении волны. Он взбегает вверх по берего­вому склону, причем направление потока примерно совпадает с на­правлением волны, породившей его, но все же заметно отклоняется от первоначального под действием силы тяжести (рис. 98). Скорость прибойного потока уменьшается по мере его удаления от места за­рождения, т. е. от места разбивания волны. Замедление потока связано с тем, что ему приходится затрачивать энергию на преодо­ление силы тяжести, на преодоление трения о поверхность, по которой он взбегает, на перемещение и обработку наносов. Кроме то­го, часть массы воды теряется за счет просачивания в грунт.

Точка, где скорость прибойного потока снижается до нулевого значения, называется вершиной заплеска. Отсюда еще оставшаяся не растраченной на инфильтрацию масса воды стекает вниз по склону по направлению наибольшего уклона. Эта «ветвь» прибой­ного потока получила название обратного прибойного потока или отката-

Следовательно, верхняя и нижняя границы береговой зоны оп­ределяются границами волнового воздействия на берег, а именно: нижняя граница располагается на глубине, равной половине длины

суша

Рис. 99. Схема рефракции волн у ровного (А) и бухтового (Б) берегов:

/ — фронты волн; 2 — лучи волн; 3 — основание подводного склона

волны, т. е. той изобате, на которой начинается деформация волн, а верхняя — линией заплеска, образуемой совокупностью вершин заплеска прибоя.

Для понимания волновых процессов на берегах морей необходи­мо иметь также представление о рефракции. Рефракцией называ­ется разворот фронта волны по мере подхода ее к берегу, причем этот процесс осуществляется таким образом, что фронт волны стре­мится принять положение, параллельное берегу. У ровного берега при полном осуществлении рефракции так и получается, а у изре­занного в силу того, что каждый отрезок фронта стремится к тому, чтобы быть параллельным соответствующему отрезку берега, получается как бы сжатие фронта у мысов и его растягивание в бухтах. В результате возникает концентрация волновой энергии у мысов и рассеяние в вогнутостях берегового контура (рис. 99).

Волновые течения.Фактические орбиты, по которым движутся частицы воды, при волнении несколько разомкнуты, что обусловли­вается пульсационным характером воздействия ветра на водную по­верхность. Благодаря разомкнутости орбит происходит не только перемещение формы волны, но и фактическое перемещение массы воды в направлении распространения волнения, т. е. в сторону берега. Это создает повышение уровня моря у берегов по сравнению с положением уровня в открытом море. Перевес уровня вызывает образование компенсационных течений, которые получили название волновых течений.

При подходе волн под прямым углом к берегу, имеющему отло­гий подводный склон, первое разрушение волн происходит еще на значительном расстоянии от него. Массы воды, скапливающейся

у берега, подпруживаются «живой стеной» прибоя до тех пор, пока

они не найдут выхода на каком-либо участке, где эта «стена» не­сколько ниже, чем в других мес­тах. Тогда массы воды прорыва­ются от берега в сторону моря. Такое явление получило название разрывного течения (рис. 100). Разрывные течения в силу своего бурного характера развивают ско­рость до нескольких метров в се­кунду и способны выносить из прибрежной полосы во внешнюю зону большое количество взмучен­ных наносов. Они становятся, та­ким образом, причиной утечки наносов из прибрежной полосы береговой зоны.

При подходе волн к берегу с пологим подводным склоном (т. е. к отмелому берегу) под острым углом отток излишков воды про­исходит в направлении, парал­лельном берегу в "сторону тупого угла, т. е. в сторону угла, допол­няющего угол подхода до 180°. В результате образуется течение, называемое вдольбереговым вол­новым течением. Оно также име­ет значительные скорости и наря­ду с собственно волновыми дви­жениями является важным сред­ством перемещения наносов вдоль берега.

При подходе волн к берегу с крутым подводным склоном (так называемому приглубому берегу) перекос уровня разрешается возникновением донного течения, направленного от берега в сторо­ну моря. Этот вид течения называется донным противотечением. Оно также способствует уносу обломочного материала из прибреж­ной полосы во внешнюю зону береговой зоны.

ПОПЕРЕЧНОЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ НАНОСОВ

Массы обломочного материала в береговой зоне, перемещаемого волнами и прибойным потоком, называются морскими наносами. Представим себе пологий подводный склон, сложенный частицами наносов одинаковой крупности и имеющий на всем своем протя­жении одинаковый уклон. Волны подходят к берегу под прямым углом. На глубине, равной половине длины волны, начнется дефор­мация волн и будет проявляться их воздействие на частицы наносов,; лежащие на дне (рис. 101). Однако при слабой деформации перевес

Рис. 101. Профиль динамического равновесия подводного берегового склона, сложенного наносами одинаковой крупности

«прямых скоростей» над «обратными скоростями» будет еще незна­чителен, но, поскольку частица находится на наклонном дне, к уси­лию обратного волнового импульса прибавится действие силы тя­жести. В результате частица несколько сместится вниз по склону. Чем ближе к берегу, тем сильнее асимметрия скоростей волновых движений, и в некоторой точке прямые скорости будут уже настоль­ко значительными, что они полностью уравновесят суммарное воз­действие обратных скоростей и силы тяжести. В результате в этой точке частица будет совершать только колебательные движения то вверх, то вниз по склону, не перемещаясь ни к берегу, ни от него. Такая точка называется нейтральной, а совокупность нейтральных точек на подводном склоне — нейтральной линией для наносов данной крупности.

Выше нейтральной точки перевес прямых скоростей над обрат­ными будет уже не только компенсировать совместное действие обратных скоростей и силы тяжести, но и превосходить его. В ре­зультате здесь образуется зона перемещения материала вверх по склону. В целом, таким образом, ниже нейтральной линии устанав­ливается зона выноса материала, который будет отлагаться в ниж­ней части подводного берегового склона, а выше нейтральной ли­нии— зона выноса материала вверх по склону, который будет на­капливаться у берега. Положение нейтральной линии, в свою очередь, не остается постоянным, так как углубление обеих зон будет обусловливать изменение углов наклона дна и глубин над склоном и, следовательно, смещение нейтральной линии. В конечном счете обе зоны выноса сомкнутся, а профиль берега в целом, включая подводный береговой склон и собственно берег, приобретет вид за­кономерно вогнутой кривой. Такой профиль может быть назван профилем динамического равновесия, поскольку в каждой его точке будет достигнуто такое соотношение уклонов дна, при котором эти уклоны будут компенсировать преобладание прямых скоростей над обратными. Частицы наносов будут находиться в движении подоб­ном тому, которое наблюдается в зоне нейтральной линии, но сме­щение их вниз или вверх по склону прекратится.

Динамическое равновесие не может быть достигнуто в природ­ных условиях вследствие непостоянства и разнообразия действую­щих факторов. Приведенная схема только позволяет уяснить общие тенденции перемещения частиц наносов по профилю, т. е. при под­ходе волн под прямым углом к береговой линии.