?Плеская шумною волной…?
Океанологи Санкт-Петербургского университета получили новые сведения о пространственной структуре и механизмах возникновения волн невских наводнений.
Наводнения?— неотъемлемая часть жизни Петербурга. За?всю историю города их?было зарегистрировано 310?— немногим меньше, чем лет самому городу на?Неве. Первое наводнение, и?довольно существенное, было зафиксировано в?год основания Санкт-Петербурга: в?августе 1703 года вода поднялась на?два метра.
Тогда?же начали вести статистику невских наводнений, а?также изучать их?природу. ?Сначала считали, что механизм наводнений в?устье Невы связан с?подпором вод Невы сильным западным ветром. Однако это представление было признано ошибочным, когда появились первые инструментальные измерения уровня вод вдоль побережья Невы, устья Невы и?в?Невской губе?,?— рассказывает Евгений Александрович Захарчук, профессор, заведующий кафедрой океанологии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入, директор Санкт-Петербургского отделения Государственного океанографического института?им. Н.?Н.?Зубова и?руководитель исследования. По-новому взглянуть на?возникновение невских наводнений заставил известный шведский ученый Вагн Вальфрид Экман. Он, как рассказал Евгений Захарчук, разработал теорию ветровых течений. Согласно?ей, из-за сильного юго-западного или западного ветра в?устье Невы происходит нагон воды, ее?уровень поднимается и?происходит наводнение. ?Позднее, когда сеть инструментальных измерений уровня моря расширилась, а?измерения стали регулярными на?всем пространстве Балтийского моря, было замечено, что максимум подъема уровня воды перемещается в?пространстве. Он?формируется в?открытой части Балтийского моря, затем распространяется вдоль берега на?север, заходит в?Финский залив и?идет к?устью Невы, увеличиваясь по?амплитуде. Тогда родилась гипотеза о?волновом механизме генерации наводнений в?устье Невы?,?— говорит профессор. Однако в?тот момент, как отмечает ученый, никаких волн, кроме гравитационных, не?знали. Поэтому исследователи связали волновой механизм генерации наводнений в?устье Невы с?длинной гравитационной волной, которая формируется в?открытой Балтике во?время прохождения над ней глубокого атмосферного циклона. Такая волна распространяется на?север, заходит в?Финский залив и?увеличивается по?амплитуде вследствие уменьшения сечения залива.
Так ученые стали считать, что невские наводнения?— суммарный вклад длинной гравитационной волны, на?которую накладываются штормовой нагон за?счет очень сильного юго-западного или западного ветра, а?также статического эффекта атмосферного давления.
Евгений Александрович Захарчук, профессор, заведующий кафедрой океанологии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入
?В?центре атмосферного циклона давление низкое, что ведет к?повышению уровня моря под ним. Так, при понижении давления на?1?миллибар уровень моря повышается на?1?см?.
По?словам ученого, существовала еще одна гипотеза, заключавшаяся в?том, что волны невских наводнений могут быть связаны с?сейшей (свободная стоячая гравитационная волна, возникающая в?замкнутых или частично замкнутых водоемах. —?прим. ред.). К?такой гипотезе пришли, когда заметили, что при повышении уровня воды в?устье Невы он?понижается на?противоположном берегу Балтийского моря. От?гипотезы отказались, проведя лабораторные исследования и?математическое моделирование. Оценив амплитуды сейш, ученые пришли к?выводу, что они не?могут значительно влиять на?подъемы уровня в?устье Невы. Оказалось, что сейши могут повышать уровень воды примерно на?10?см, в?то?время как подъемы уровня невских наводнений достигают значений от?160?см и?до?четырех с?лишним метров.
Океанологи 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 начали поиск новых механизмов возникновения наводнений в?Санкт-Петербурге в?рамках гранта 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入
2014–2017 годов ?Исследование механизмов современных изменений гидрологических процессов в?открытой Балтике и?Финском заливе на?основе контактных, спутниковых измерений и?численных экспериментов на?гидродинамической модели?, IAS_18.37.140.2014.
Исследование продолжится в?рамках плана работ Росгидромета на?
Другие волны
Ученые 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 предположили, что могут работать и?другие механизмы невских наводнений. ?Зная среднюю глубину Финского залива, мы?можем вычислить теоретическую скорость гравитационной волны. Мы?увидели, что фактическая скорость распространения максимума волны невских наводнений может быть в?два-три раза меньше. Причем эта разница сохраняется при наводнениях разной силы,?— рассказывает Евгений Захарчук. —?Мы?стали думать, почему так, и?предположили, что волны невских наводнений могут быть связаны не?только с?длинными гравитационными, но?и?с?топографическими волнами?. По?словам профессора, это совершенно другой класс волн. Помимо гравитационных, в?природе существуют еще градиентно-вихревые волны, и?топографические относятся к?этому классу. Они были открыты и?описаны в?
Это еще не?все. Ученые 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 первыми доказали, что волны наводнений в?Санкт-Петербурге могут быть прогрессивно-стоячими. До?сих пор считалось, что волны, заставляющие выводить Неву из?берегов, поступательные, или, другими словами, прогрессивные. Как рассказал Евгений Захарчук, в?прогрессивной волне фаза монотонно изменяется в?пространстве. Стоячие волны образуются в?замкнутых или частично ограниченных бассейнах. Специфической особенностью стоячих волн является одновременность фазы колебания во?всех точках бассейна со?скачкообразным ее?изменением на?180 градусов в?узловой зоне, где колебания уровня равны нулю.
На?частотах генерации волн невских наводнений велико влияние вращения Земли, поэтому волны наводнений трансформируются в?прогрессивно-стоячие волны, в?которых узловая линия атрофируется в?узловую точку, вокруг которой вращаются максимумы колебаний.
?С?помощью численного гидродинамического моделирования мы?продемонстрировали, что во?время особо опасного наводнения в?2005 году волна наводнений представляла собой именно прогрессивно-стоячую волну с?узловой областью (амфидромией), в?центре которой колебания уровня отсутствовали, а?на?периферии (в?пучностях) были максимальными,?— поясняет океанолог. —?Этот узел, как мы?показали с?помощью моделирования, был расположен в?Готландской впадине в?центральной части Балтийского моря?.
Войти в?резонанс
Кроме того, ученые давно обратили внимание на?то, что невские наводнения бывают не?каждый год. В?течение нескольких лет подряд может быть не?зафиксировано ни?одного опасного подъема уровня воды, а?в?какой-то год?— сразу несколько. Рекордсменом считается 1983 год?— тогда в?течение осени и?зимы случилось 10?наводнений. Чем это можно объяснить? Ведь циклоны проходят над Балтикой каждый год, а?наводнения отмечаются реже. ?Ученые предположили, что механизм невских наводнений может быть связан с?резонансом между анемобарическими силами в?глубоком атмосферном циклоне (силами касательного трения ветра и?силами градиента атмосферного давления) и?собственными колебаниями Балтийского моря?,?— говорит Евгений Захарчук. Балтийское море, как и?любой бассейн, имеет собственные колебания воды (или моды), характеристики которых связаны с?глубиной моря, пространственными масштабами бассейна, изрезанностью береговой линии и?другими параметрами. ?Собственные колебания Балтийского моря изучались. В?частности, немецкие ученые Вебер и?Краус в?1979 году на?основе математического моделирования выяснили, что основная мода собственных колебаний Балтийского моря имеет период около 27?часов. К?этой величине близки периоды невских наводнений, которые составляют около суток,?— говорит Евгений Захарчук. —?Поэтому у?океанологов родилась гипотеза резонанса между анемобарическими силами в?глубоком циклоне и?собственными колебаниями Балтийского моря с?периодом в?27?часов. В?результате такого резонанса происходит резкое увеличение амплитуды колебаний воды, что приводит к?наводнению?.
Период в?41?час
Однако исследователи 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 заметили, что период особо опасного наводнения в?2005 году был заметно больше, чем основная мода собственных колебаний (не?27?часов, а?41?час). Для поиска причин были проведены численные эксперименты на?гидродинамической модели, разработанной в?Институте вычислительной математики РАН. ?С?помощью численных экспериментов мы?оценили собственные колебания Балтийского моря и?выяснили, что кроме основной моды собственных колебаний в?27?часов существуют и?другие моды?— более низкочастотные. В?частности, есть мода с?периодом в?41?час. По?амплитуде эта мода в?два раза меньше основной моды собственных колебаний, но?с?ней тоже возможен резонанс анемобарических сил в?циклоне. Именно это и?произошло в?2005?году?,?— поясняет Евгений Захарчук.
Результаты исследований ученых 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 позволяют дополнить знания об?изменчивости гидрометеорологических процессов, происходящих во?время формирования опасных подъемов уровня моря в?Финском заливе.
Подробнее читайте в?журнале ?Санкт-Петербургский университет?.