«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 СПбГУ, 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 СПбГУ

«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 СПбГУ начали поиск новых механизмов возникновения наводнений в Санкт-Петербурге в рамках гранта СПбГУ 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 2020–2024 годы.

Другие волны

Ученые СПбГУ 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 1960-х годах. «Их волнообразующий механизм отличается от механизма гравитационных. В последних он связан с силой гравитации, а у топографических — с совместным эффектом вращения Земли и изменения донной топографии. Таким образом, если есть градиент глубины моря и вращение Земли, то образуется топографическая волна. Мы сравнили фактически наблюдаемые характеристики волн невских наводнений с теоретическим дисперсионным соотношением топографических волн в замкнутом бассейне, которое было выведено почетным профессором нашего Университета Виктором Робертовичем Фуксом», — говорит океанолог. Оказалось, что волны невских наводнений во многих случаях идентифицируются как топографические волны.

Это еще не все. Ученые СПбГУ 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 СПбГУ 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 СПбГУ 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».