Береговые морские процессы и формы рельефа

Прежде чем приступить к характеристике береговых морских процессов и создаваемых ими форм рельефа, остановимся на определении некоторых понятий.

Береговая линия (линия уреза) — линия, по которой горизонтальная водная поверхность моря (или озера) пересекается с сушей. Так как уровень водоемов не остается постоянным, береговая линия представляет собой условное понятие, применяемое относительно — некоторого среднего многолетнего положения уровня водоема.

Берег — полоса суши, примыкающая к береговой линии, рельеф которой формируется морем при данном среднем уровне водоема.

Подводный береговой склон — прибрежная полоса морского дна, в пределах которой волны способны проводить активную работу (размывать дно, перемещать наносы).

Береговая зона включает в себя берег и подводный береговой склон.

В зависимости от характера (морфологии) берега различают берега: высокие (например, берег Кольского полуострова) и низкие (северный берег Каспийского моря); расчлененные (берег Черного моря между Крымским полуостровом и устьем Дуная) и выровненные (берег Черного моря между Геленджиком и Сочи); приглубые, имеющие значительные уклоны подводного берегового склона с преимущественным развитием абразионных (разрушительных) процессов (берег Черного моря к югу от Новороссийска), отмелые, характеризующиеся малыми углами наклона подводного берегового склона, с преобладанием процессов аккумуляции материала (берега Северного Каспия).

В береговой зоне действует комплекс сил, определяющих ее морфологический облик. Это приливы и отливы и связанные с ними течения; в неприливных морях с отмелыми берегами — сгонно-нагонные явления и вызываемые ими течения; цунами — морские гравитационные волны большой длины, возникающие при подводных землетрясениях; постоянные морские течения; деятельность организмов; деятельность рек, формирующих особый тип берегов (потамогенные берега). Однако главным действующим фактором, определяющим морфологию и динамику берега, являются волны и связанные с ними волновые течения.

Волны. Ветер, воздействуя на водную поверхность, вызывает колебательные движения воды в ее поверхностной толще. 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. Так как волновые движения с глубиной затухают, разделение морских волн на эти категории проводят по признаку: глубина моря больше или меньше глубины проникновения волновых движений. На глубине, равной половине длины волны или больше ее, волновые колебания, а следовательно, и воздействие их на дно водоема, затухают.

В морской волне различают высоту h, длину L, период Т, скорость распространения v и такие элементы, как гребень и ложбина волны, передний и задний склоны, фронт и луч волны (рис. 19.1). Время, в течение которого частица воды описывает полную орбиту, называется периодом, а величина, получаемая при делении длины волны на ее период, — скоростью распространения.

Рис. 19.1. Элементы волны:

h — высота; L — длина; 1 — гребень волны; 2 — ложбина; 3 — задний склон волны; 4 — передний склон волны. Стрелки указывают направление ветра.

Рис. 19.2. Характер орбит волновых частиц в волне мелководья (по Н. Е. Кондратьеву).

Параметры волн зависят от силы ветра и его продолжительности, от характера подводного берегового склона, от длины разгона волн. Подобно энергии потока, полная энергия волн может быть выражена формулой: Е = l/8pgh2L, где Е — энергия волны, р — плотность воды, g — ускорение силы тяжести, h — высота волны, L — длина волны. Учитывая, что png изменяются в незначительных пределах, можно сказать, что энергия волны пропорциональна длине и квадрату высоты волны.

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 энергии волнами при прохождении 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, сплюснутые снизу (см. рис. 19.2). 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 волны. Он становится вертикальным и даже нависающим. Происходит обрушение гребня волны, в результате волновое движение воды сменяется принципиально новым видом движения — прибойным потоком, или накатом. Само разрушение волны называется прибоем.

Прибойный поток формируется из массы воды, образующейся при разрушении волны. Он взбегает вверх по береговому склону, причем направление потока примерно совпадает с направлением волны, вызвавшей его, но все же заметно отклоняется от первоначального под действием силы тяжести (рис. 19.3). Скорость прибойного потока уменьшается по мере его удаления от места зарождения, т. е. от места разбивания волны. Замедление потока связано с затратой энергии на преодоление силы тяжести, на преодоление трения о поверхность, по которой он взбегает, на перемещение и обработку наносов, а также с потерей части массы воды на просачивание в грунт.

Рис. 19.3. Траектории прибойного потока на пляже при косом подходе волн к берегу. Крестиками отмечена вершина заплеска.

Точка, где скорость прибойного потока снижается до нулевого значения, называется вершиной затеска. Отсюда еще не растраченная 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 волны, т. е. той изобате, на которой начинается деформация волн, а верхняя определяется линией затеска, образуемой совокупностью вершин заплеска прибоя. По имеющимся данным о длине океанических волн, достигающей 350 м, нижняя граница подводного берегового склона в океанах прослеживается на глубинах до 150 м, в морях — до 50 м.

Для понимания волновых процессов на берегах морей необходимо иметь 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, наблюдается 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. 19.4). Результатом этого является «срезание» (абразия) мысов, аккумуляция материала в вогнутостях (заливах) и, в итоге, выравнивание берега, а по существу, выравнивание энергии волн, подходящих к берегу.

Следует отметить, что фактические орбиты, по которым движутся частицы воды при волнении, несколько разомкнуты в связи с пульсационным (неравномерным) воздействием 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. Перекос уровня вызывает образование компенсационных течений.

Рис. 19.4. Схема рефракции волн у ровного (А) и бухтового (Б) берегов.

• (по В. П. Зенковичу):
  • 1 — фронты волн; 2 — лучи волн;
  • 3 — основание подводного склона

При подходе волн под прямым углом к берегу с отлогим подводным склоном первое разрушение волн происходит еще на значительном расстоянии от него. Масса воды, скапливающаяся у берега, подпруживается «живой стеной» прибоя до тех пор, пока она не найдет выхода на каком-либо участке, где эта «стена» несколько ниже. Тогда массы воды прорываются от берега в сторону моря, образуя разрывное течение (рис. 19.5). Разрывные течения в силу своего «бурного» характера развивают скорость до нескольких метров в секунду и способны выносить из прибрежной полосы во внешнюю зону подводного берегового склона большое количество взмученных наносов. Это одна из причин утечки наносов из прибрежной полосы береговой зоны.

При подходе волн к отмелому берегу под острым углом отток излишков воды происходит вдоль берега. В результате образуется вдольбереговое волновое течение (рис. 19.5, Б). Оно также имеет значительные скорости и наряду с собственно волновыми движениями является важным средством перемещения наносов вдоль берега.

При подходе волн к приглубому берегу отток излишков воды от берега осуществляется донным течением, направленным от берега в сторону моря, — донное противотечение (рис. 19.5, А). Оно также способствует уносу обломочного материала из прибрежной полосы во внешнюю береговую зону.

Из сказанного очевидно, что волновые движения и обусловленные ими волновые течения приводят к перемещению наносов перпендикулярно к берегу — это называется поперечным перемещением наносов, или вдоль берега — вдольбереговое перемещение наносов. Оба эти фактора приводят к образованию специфических форм рельефа в пределах береговой зоны.

Рис. 19.5. Волновые течения:

А —донное противотечение; Б — вдольбереговое течение:

В — разрывное течение; 1 — направление распространения волн; 2 — направление течений.