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

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

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

Уровень моря

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

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

Нейтральная точка


Уроеен




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.

ПЛЯЖ И СОРТИРОВКА МАТЕРИАЛА

В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ ПРИБОЙНОГО ПОТОКА

Скопление наносов в зоне действия прибойного потока называ­ется пляжем. Обычно, в соответствии с вышеописанными законо­мерностями, пляж бывает сложен более крупными наносами, чем

подводный береговой склон. Для формирования пляжа имеют зна­чение, во-первых, отмеченное ра­нее убывание скоростей прибой­ного потока по мере его продви­жения вверх по склону и, во-вто­рых, соотношение скоростей пря­мого и обратного потоков. Вслед­ствие того, что максимальные скорости прямого потока достига­ются им в начале движения, имен­но здесь, близ зоны разбивания волн, накапливается самый крупный обломочный материал. Далее вверх по пляжу отмечается

Рис. 102. Пляж неполного профиля (Л) и береговой вал (Б) — пляж пол­ного профиля (по В. В. Лонгинову):

/ — коренные породы; 2 — отложения

пляжа

зако­номерное убывание крупности наносов.

По морфологическим призна­кам можно выделить пляжи пол­ного и неполного профиля. Пляж полного профиля образуется в случае, если впереди формирующегося накопления наносов имеется достаточно свободного пространства. Тогда пляж приобретает вид берегового вала, чаще всего с отлогим и широким морским склоном и коротким и более крутым склоном, обращенным к берегу. Если пляж формируется у подножья уступа, то образуется прислонен­ный пляж, или пляж неполного профиля с одним склоном, обра­щенным в сторону моря (рис. 102).

Пляж —элементарная аккумулятивная форма, знание законо­мерностей образования и динамики которой позволяет разобраться в динамике и происхождении более сложных береговых аккумуля­тивных образований. Некоторые закономерности динамики пляжа при косом подходе волн к берегу будут рассмотрены ниже.

ПОДВОДНЫЕ ВАЛЫ И БЕРЕГОВЫЕ БАРЫ

При поперечном перемещении наносов возникают различные подводные и береговые аккумулятивные формы. В частности, при поперечном перемещении наносов может сформироваться пляж. Нередко о том, что данный пляж или другая аккумулятивная форма

Рис. 103. Схема образования подвод­ных валов. Штрихпунктирной линией доказаны кривые расхода энергии волн (по В. П. Зенковичу)

С процессом поперечного перемещения наносов связано, как полагают, образование подводных валов. Это аккумулятивные фор­мы, сложенные обычно песчаным материалом и протягивающиеся вдоль берега параллельно друг другу (2—3, реже 5—6 валов). Вы­сота таких валов от 1 до 4 м при длине от нескольких сотен метров до нескольких километров (рис. 103).

Происхождение подводных валов связывают с частичным раз­рушением волн, так называемым забуруниванием, которое проис­ходит на глубине, близкой к двойной высоте волны. При неполном разрушении волна теряет часть энергии, и переносимый ею матери­ал отлагается на дне в виде подводного вала. В отличие от прибоя при частичном разрушении волны волновое движение не прекраща­ется, а лишь происходит перестройка волны в волну с меньшими параметрами. На отмелых берегах зона частичного разрешения волн может быть довольно широкой, и здесь целесообразно наряду с динамическими зонами действия волновых колебаний и зоной действия прибойного потока выделять зону забурунивания.

Множественность подводных валов связана, по-видимому, с тем, что волны разной балльности испытывают забурунивание на разных глубинах. Подводные валы как бы маркируют те зоны подводного склона, над которыми происходит разрушение частичное волн опреде­ленной балльности. Известны также гораз­до более крупные аккуму­лятивные формы, проис­хождение которых связано с поперечным перемеще­нием. Они называются береговыми барами (в ан­глийской литературе — Barrier beach, barrier is­lands). Береговые бары сложены материалом дон­ного происхождения (не­редко ракушеч­ным или коралловым пес­ком). Они протягиваются на десятки, а то и сотни километров вдоль изре­занных низменных мор­ских берегов и обычно от­деляют от моря прибреж­ную акваторию, называе­мую лагуной (рис. 104). Подножья многих баров располагаются на глубине 10—20 м, а над водой они воздымаются на 5—7. а то и на несколько десят­ков метров. Столь значи­тельная высота бара до­стигается за счет дюн, не­редко увенчивающих эти формы. Если не считать эти навеянные образова­ния, то в среднем относи­тельная высота баров над их подножьем составляет 15—30 м или 4—5 м над уровнем моря. Бары очень широко распространены; общая протя­женность берегов, окаймленных барами, составляет до 10 /₀ от всей протяженности береговой линии Мирового океана. Типичными при­мерами берегового бара могут служить Арабатская стрелка на западном побережье Азовского моря, очень крупные береговые бары Мексиканского и Гвинейского заливов, Атлантического по­бережья США.

Причины образования баров еще во многом неясны. Несомненно, лишь то, что они образовались за счет донного перемещения нано­сов. Можно предполагать, что их формирование связано с повышением уровня океана в послеледниковое время и выработкой под­водного профиля, с перестройкой профиля затопленных равнин субаэральной аккумуляции. Повсеместное распространение баров определенно указывает на планетарные причины их формирования.

В первом приближении образование берегового бара можно представить в следующем виде. Субгоризонтальные поверхности за­топленных аккумулятивных равнин оказываются слишком отлоги­ми, неудовлетворяющими условиям динамического равновесия в волновом поле. Волны, вырабатывая соответствующий профиль подводного склона, выносят в сторону берета большие массы рых­лого материала. В некоторой зоне формирующегося подводного берегового склона количество перемещенного материала с больших глубин оказывается столь значительным, что дальше весь он уже не может перемещаться. Излишки перемещаемых наносов выпада­ют из движения, создавая накопление

в виде подводного берегового склона наносов, которые, от­лагаясь на ее морской стороне, способствуют разрастанию бара в ширину.

Одновременно с ростом подводного бара в ширину за счет на­брасывания наносов на гребень и общего перемещения на меньшие глубины бар растет и в высоту, но до определенных пределов. Этот предел обусловливается глубиной, на которой разрушаются волны и которая близка или равна двойной высоте волны. Следовательно, при стабильном положении уровня моря отсутствуют условия для превращения подводного бара в надводную аккумулятивную форму. В связи с этим, а также на основе данных о том, что высота баров может достигать 7 м над уровнем моря, можно прийти к выводу, что образование береговых баров (или островных, под которыми разумеются цепочки аккумулятивных островов — участков гребня подводного бара, вышедших на поверхность) связано с изменениями уровня Мирового океана в новейшее время.

При подходе волн под косым углом к берегу возникает продоль­ное, или вдольбереговое, перемещение наносов. Принципиальная схема этого процесса такова (рис. 105). Представим себе участок подводного склона с однородным уклоном, сложенный наносами одинаковой крупности. Волны подходят к берегу под косым углом. При прохождении гребня волны над частицей наноса последняя должна смещаться вверх по склону по направлению распростране­ния волн. Но из-за наклона дна в действительности частица пере­местится по равнодействующей волнового импульса и силы тяже­сти. При прохождении ложбины волны частица должна сместиться в противоположном направлении, но теперь уже по равнодействую­щей обратного волнового импульса и силы тяжести. Так, от одного» волнового колебания к другому частица совершит путь по зигзагообразной траектории,

/ — направление уклона дна; 2 — на­правление действия «прямой волновой скорости»; 3 — направление действия-«обратной волновой скорости»; 4 — на­правление распространения волны. ABCDE — траектория движения обло­мочной частицы

При косом подходе волн частицы наносов будут совершать вдольбереговое перемещение « в зоне пляжа. Прибойный поток, взбегая на пляж, первоначально сохраняет направление движения породившей его волны, но по мере приближения к вершине заплеска все больше отклоняется от этого направления под действием силы тяжести. Обратный поток сбегает по направлению наибольшего уклона. Таким образом, прибойный поток описывает на пляже асимметричную траекторию, напоминающую параболу, а вместе-с ним по такой же траектории по пляжу вдоль береговой линии пе­ремещается обломочная частица, подхваченная потоком. Новый прибойный поток заставит переместиться ее вдоль берега еще даль­ше и т. д., и в итоге за какой-то отрезок времени она пройдет опре­деленный путь вдоль берега.

Величина пути частицы, как и величина продольного перемеще­ния по подводному склону, за определенный отрезок времени или» скорость продольного перемещения зависит от величины угла под­хода волны к берегу. Если угол подхода равен 90°, скорость про­дольного перемещения равна нулю. Казалось бы, чем меньше угол подхода, тем скорость продольного перемещения должна быть больше. Однако на самом деле это не так, поскольку при малом угле подхода волна должна будет пройти большее расстояние над мелководьем, а это приведет к большей потере энергии и потере наносодвижущей способности. Оптимальная величина угла подхо­да— угол в 45° или близкий к этой величине. В работах, посвященных исследованию вдольберегового перемещения наносов, опти­мальный угол обозначается буквой φ.

До сих пор мы говорили о перемещении элементарной частицы. Но совершенно очевидно, что охарактеризованные закономерности присущи перемещению множества частиц и что при благоприятных условиях на пляже и на подводном береговом склоне происходит массовое перемещение наносов. Массовое перемещение наносов вдоль берега в одном направлении за длительный отрезок времени, например за год, получило название потока наносов.

Поток наносов характеризуется мощностью, емкостью и насы­щенностью. Для понимания процессов размыва и аккумуляции важ­но также учитывать интенсивность поступления материала, питаю­щего поток наносов. Источники поступления могут быть различны­ми: материал, образующийся в результате разрушения волнами какого-либо участка берега, материал, поступающий с верхней час­ти берегового уступа за счет склоновых процессов, биогенный мате­риал и т. д.

Мощность потока — это то количество наносов, которое реально перемещается вдоль берега за год. Емкостью называется то коли­чество наносов, которое волны способны перемещать. Если мощ­ность равна емкости, то это значит, что вся энергия волн или при­боя затрачивается только на транспорт. Тогда говорят, что поток наносов насыщен. Ни размыва берега, ни отложения наносов при этом не происходит.

Следовательно, насыщенностью потока следует называть отно­шение мощности к емкости. Если это отношение меньше 1, поток ненасыщен. Какая-то доля волновой энергии свободна от работы по переносу материала и будет преобразована в работу по размыву берега.

Если емкость потока падает или она меньше, чем поступление наносов на данный участок, можно говорить о превышении интенсивности поступления наносов над емкостью потока наносов. В ре­зультате часть материала прекращает движение и отлагается, об­разуется аккумулятивная форма.