Океанология, 2020, T. 60, № 4, стр. 611-621

ПОГОДНЫЕ УСЛОВИЯ ПЕРИОДА НАБЛЮДЕНИЙ

Рассмотрим изменение погодных условий, влияющих на абразионный процесс, за период исследований (табл. 1–4). Средние температуры воздуха изменялись от 1.6 до 2.9°С (табл. 1). За период 2012–2018 гг. по температурным показателям резко выделяется 2015–2016 гг., это аномальный этап, отличающийся от других периодов наблюдения как высокой среднегодовой температурой воздуха, так и годовым диапазоном температур более 50°С (табл. 1). За последние 10 лет это максимальный годовой диапазон температур, он на 2°С больше среднемноголетнего значения данного показателя за семьдесят лет наблюдений (1947–2017 гг.).

2015–2016 г. разделяет весь период наблюдений (2012–2018 гг.) на две части. В 2012–2015 гг. происходило снижение среднегодовых температур воздуха и среднесуточного градиента температур, при этом отношение абсолютных значений минимальных и максимальных температур постоянно увеличивалось (табл. 1). Если за 2012–2014 гг. годовой диапазон температур не изменялся, то в 2014–2015 гг. он снизился на 5°С. Таким образом, в 2012–2015 гг. происходило небольшое похолодание (за счет снижения летних температур) с уменьшением суточных колебаний температур и выравниванием абсолютных значений зимних и летних температур. В 2016–2018 гг. среднегодовые температуры практически не менялись, но резко увеличился среднесуточный градиент (на 10%) и годовой диапазон (почти на 6°С). Следовательно, 2016–2018 гг. это относительно более теплый этап, чем предыдущий, хотя в течение всего периода наблюдений годовая температура воздуха выше среднемноголетней (среднемноголетняя температура в районе исследований в XXI веке 1.6 ± 0.2°С). Также в этот этап произошло повышение летних и увеличение суточных колебаний температур воздуха.

По изменению ветрового режима в районе исследований за период 2012–2018 гг. (табл. 2–4), выделяются 2014–2015 гг. и 2015–2016 гг. этапы наблюдения. В 2014–2015 гг. наблюдалась максимальная среднегодовая скорость ветра, доля сильных, штормовых и ураганных ветров превысила 50% (доля ветров рассчитывалась от общего времени за этап), но при этом штормовых периодов было мало, а штилевых периодов много, что отразилось в невысоком штормовом коэффициенте (табл. 3). При минимальной, за 2012–2018 гг., доле нагонных ветров (на экспериментальные площадки), их суммарный удельный поток энергии превышает 4 кДж/с (табл. 4).

В 2015–2016 гг. отмечалась минимальная среднегодовая скорость ветра (доля штормовых и ураганных ветров менее 4.5%). В это время преобладали слабые и очень слабые ветры, доля которых превышала 65%, регистрировалось малое количество штормов и большое количество штилей, что отразилось в минимальном (за 2012–2018 гг.) штормовом коэффициенте (табл. 3). При высокой доле нагонных ветров (более 28%), суммарный удельный поток энергии волн не превышал 3.5 кДж/с (табл. 4). Этап 2017–2018 гг. по всем ветровым характеристикам очень близок к 2015–2016 гг., существенное различие отмечается только в количестве штормов (табл. 3).

Несмотря на различное количество штормов, этапы 2015–2016 гг. и 2017–2018 гг. характеризуются минимальными штормовыми коэффициентами (менее 1.8) и минимальным суммарным удельным потоком энергии волн нагонных ветров (менее 4 кДж/с) (табл. 3, 4).

Этап 2012–2013 гг. характеризуется невысокой среднегодовой скоростью ветра, максимальной долей сильных и нагонных (более 34%) ветров, это отразилось в суммарном потоке энергии волн (табл. 4). Количество штилей было минимальным, что даже при небольшом количестве штормов предопределило высокий штормовой коэффициент (табл. 3).

По ветровому режиму этапы 2013–2014 гг. и 2016–2017 гг. во многом схожи. Среднегодовая скорость ветра 6.9 и 7.0 м/с (соответственно), доля слабых и очень слабых ветров более 55%, сильных и штормовых ветров более 40%, но поменялось направление ветров, так, в 2013–2014 гг. доля нагонных ветров превышала 31%, сгонных ветров составляла менее 44%, вдольбереговых ветров была менее 12% (табл. 4). В 2016–2017 гг. доля нагонных ветров менее 26%, сгонных ветров около 45%, а вдольбереговых ветров более 16% (табл. 4). Все эти различия ветровых режимов (2013–2014 гг. и 2016–2017 гг.) отразились в суммарном удельном потоке энергии волн нагонных ветров и количестве зарегистрированных штормов (табл. 3, 4). В целом 2016–2017 гг. – самый штормовой этап наблюдения, более пяти штормов в месяц.

По изменению преобладающих в районе исследования ветров в 2012–2018 гг. можно отметить следующее (табл. 4).

1. Резкое преобладание сгонных юго-западных ветров, доля которых менее 40% регистрировалась только в 2013–2014 гг. (табл. 4).

2. Общее снижение количества нагонных ветров. Особенно ветров южных румбов.

3. В целом, увеличение доли вдольбереговых (нейтральных) ветров. Особенно ветров северо-западного направления.

Таким образом, интенсивность разрушения горных пород можно связать с количеством нагонных ветров, которые определяют удельный поток энергии волн (табл. 4) (для одного полигона это северные и северо-восточные, для второго – южные и юго-восточные ветры). При снижении суммарного потока энергии волн нагонных ветров менее 3.5 кДж/с скорость разрушения горных пород в литоральной зоне уменьшается.

Сравнение данных из табл. 2 и рис. 2 показало, что отдельно взятые средние скорости ветра не могут использоваться для экспертных оценок абразионного процесса. На интенсивность разрушения горных пород основное влияние оказывают сильные (7–12 м/с) и средние (3–7 м/с) ветры. Так при увеличении количества сильных и снижении доли слабых ветров скорость разрушения горных пород увеличивается (но эта закономерность наблюдается не всегда). Только штормовой коэффициент (табл. 3, рис. 2) надежно отражает изменение скорости разрушения горных пород в литоральной зоне.

Рис. 2.

Изменение средней скорости абразионного разрушения горных пород в 2012–2018 гг.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ АБРАЗИОННОГО ПРОЦЕССА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В предыдущий период экспериментальных исследований абразионного процесса в 2004–2012 гг. [1, 3–5] было выявлено, что максимальные скорости разрушения образцов горных пород наблюдаются в первые два (три) года после установки их на экспериментальные площадки. В 2004–2012 гг. среднемноголетняя скорость абразии крупнообломочного материала в литоральной зоне составляла: общая 43 ± 3 мкм г^–1 (n = = 191), угловатого (глыб) 53 ± 4 мкм г^–1 (n = 135), окатанного (валунов) 19 ± 2 мкм г^–1 (n = 56). Интенсивность разрушения горных пород уменьшалась от верхнего к нижнему литоральному горизонту и зависела от температур воздуха и ветрового режима.

За период 2012–2018 гг. средняя скорость абразионного разрушения горных пород на литорали Мурманского побережья не изменилась по сравнению с предыдущим периодом наблюдения и составила: общая 40 ± 3 мкм г^–1 (n = 126), глыб 49 ± 4 мкм г^–1 (n = 83), валунов 22 ± 3 мкм г^–1 (n = 43).

Максимальные средние скорости разрушения образцов горных пород наблюдались в первые два года (2012–2014 гг.), аналогично предшествующему (2004–2012 гг.) этапу исследований. При этом до 2016 г. происходило постепенное снижение скорости абразии горных пород (рис. 2). Так, средняя скорость абразии составляла: в 2012–2013 гг. – 69 ± 6 мкм г^–1, в 2013–2014 гг. – 48 ± ± 8 мкм г^–1, в 2014–2015 гг. – 33 ± 4 мкм г^–1, в 2015–2016 гг. – 17 ± 3 мкм г^–1. В 2016–2017 гг. произошла активизация абразионного разрушения горных пород, средняя скорость увеличилась в три раза и составила 53 ± 6 мкм г^–1 (скорость разрушения валунов увеличилась в 10 раз), в 2017–2018 гг. скорость абразии снизилась до 28 ± ± 4 мкм г^–1.

Вряд ли период 2012–2014 гг. следует рассматривать как этап интенсивного разрушения горных пород, так как более интенсивное разрушение только что внесенных в прибойную зону образцов наблюдалось всегда и на всех горизонтах литорали [5]. Но и игнорировать этот факт нельзя, так как погодные условия этого периода (табл. 1–4): высокий среднесуточный градиент температур воздуха (более 3.7°С), высокая доля средних и сильных ветров (более 40%), высокий штормовой коэффициент (больше 2), высокая доля нагонных ветров (более 30%), предопределивших высокий удельный поток энергии (более 4.5 кДж/с), способствовали интенсивному разрушению горных пород.

В 2015–2016 гг. наблюдалось резкое снижение абразионного разрушения горных пород (глыб до 26 ± 6 мкм г^–1, разрушение валунов практически прекратилось и составило в среднем 3 ± 3 мкм г^–1). Это, несомненно, было вызвано изменением погодных характеристик (табл. 1–4). Так, резко возросла среднегодовая температура воздуха (на 1.3°С), снизился среднесуточный градиент температур (менее 3.5°С), увеличился годовой диапазон температур (более 50°С). Уменьшилась среднегодовая скорость ветра (менее 6.5 м/с), снизилась доля средних и сильных ветров (менее 33%), при этом доля слабых ветров увеличилась (более 48%). Резко снизилось количество северных и северо-восточных ветров (менее 13%), предопределивших небольшой удельный поток энергии (менее 3.5 кДж/с). Количество штормов уменьшилось, штилей увеличилось, что отразилось в низком штормовом коэффициенте (табл. 3).

В 2016–2017 гг. произошла активизация абразионного процесса, средняя скорость разрушения глыб увеличилась в 2.5 раза и составила 63 ± ± 7 мкм г^–1, валунов – в 11 раз и составила 34 ± ± 7 мкм г^–1. Это также можно связать с погодными условиями (табл. 1–4). Увеличилась среднегодовая скорость ветра (до 7 м/с), доля средних и сильных ветров превысила 40%, количество слабых ветров снизилось на 7%, возросла доля северных и северо-восточных ветров, суммарный удельный поток энергии волн нагонных ветров увеличился (до 4 кДж/с), несмотря на уменьшение доли южных и юго-восточных ветров (на 8%). Увеличилось количество штормов, что отражает высокий штормовой коэффициент (табл. 3). Из температурных показателей можно отметить снижение среднегодовой температуры воздуха и годового диапазона температур.

В 2017–2018 гг. наблюдалось снижение интенсивности разрушения горных пород. Скорость разрушения глыб снизилась в 2 раза, в среднем составив 31 ± 6 мкм г^–1, валунов до 21 ± 6 мкм г^–1 (в 1.5 раза). Из погодных условий в этот этап отмечается (табл. 1–4): снижение среднегодовой скорости ветра, уменьшение количества средних и сильных ветров (менее 35%), увеличение доли слабых ветров (почти на 6%), снижение количества штормов и увеличение штилевых периодов, что отражает низкий штормовой коэффициент (табл. 3). Хотя доля нагонных ветров не изменилась, суммарный удельный поток энергии волн нагонных ветров снизился (меньше 3.8 кДж/с). Также наблюдалось снижение среднегодовых температур воздуха и среднесуточного градиента температур.

Если в целом в 2012–2018 гг. происходило уменьшение скорости абразионного разрушения горных пород от верхнего к нижнему литоральному горизонту, то в 2014–2015 гг. наблюдалась обратная последовательность (рис. 3). По погодным условиям 2014–2015 гг. (табл. 1–4) сильно отличается от других этапов. Зафиксированы минимальные значения среднегодовой температуры воздуха и среднесуточного градиента температур, максимальная среднегодовая скорость ветра, при самой высокой доле штормовых и ураганных ветров (более 14%) и самом низком количестве очень слабых ветров. Хотя доля нагонных ветров не превышала 25%, суммарный удельный поток энергии был более 4 кДж/с.

Рис. 3.

Изменение средней скорости абразионного разрушения горных пород на разных горизонтах литоральной зоны в 2012–2018 гг.

В целом в литоральной зоне скорость абразионного процесса в 2012–2018 гг. не зависела от изменения температуры и солености воды, но на верхнем литоральном горизонте обнаружилась связь между скоростью разрушения валунов и изменением солености воды (коэффициент корреляции (r) 0.945 (n = 6)). Возможно, большая соленость воды способствуют более частому таянью и замерзанию воды в трещинах и кавернах горных пород на верхнем горизонте литорали (то есть усиливают морозное выветривание). За пятнадцать лет наблюдения абразионного процесса для среднего и нижнего литоральных горизонтов отмечается слабая зависимость скорости разрушения валунов от изменения океанографических характеристик водной массы. Так, с понижением температуры и увеличением солености воды скорость разрушения валунов увеличивается (r = = ‒0.516 и 0.607 (n = 15) соответственно).

ВЕРХНИЙ ЛИТОРАЛЬНЫЙ ГОРИЗОНТ

В 2012–2018 гг. на верхнем горизонте скорость разрушения горных пород в среднем составляла: общая – 46 ± 6 мкм г^–1 (n = 42), глыб – 58 ± 8 мкм г^–1 (n = 28), валунов – 22 ± 4 мкм г^–1 (n = 14), здесь наблюдалась самая высокая скорость абразии (до 0.2 мм г^–1). Выявлено изменение скорости разрушения горных пород по этапам наблюдения, так, в 2012–2015 гг. и 2017–2018 гг. происходило ее снижение, а в 2015–2017 гг. увеличение (рис. 4). При этом средняя скорость абразии за 2015–2016 гг. и 2017–2018 гг. одинаковая (28 ± 7 и 30 ± 10 мкм г^–1 соответственно).

Рис. 4.

Изменение средней скорости абразии горных пород на верхнем горизонте литорали в 2012–2018 гг.

Верхний горизонт литорали наименее подвержен воздействию волн, здесь максимально проявляются субаэральные процессы денудации. Следовательно, с большой долей вероятности, можно предположить, что на интенсивность разрушения горных пород большее влияние оказывают температуры воздуха, чем воздействие ветрового режима. Действительно, изменение среднесуточного градиента температур аналогично изменению скорости разрушения горных пород в верхней литоральной зоне за 2012–2018 гг.

По влиянию погодных факторов показательным является 2014–2015 гг. (период минимальной скорости разрушения горных пород на верхнем литоральном горизонте). Это самый холодный период, с минимальным среднесуточным градиентом температур и минимальным диапазоном годовых температур воздуха (табл. 1). В это же время регистрировалась максимальная среднегодовая скорость ветра, с большой долей сильных и штормовых ветров и самой низкой долей ветров силой менее 3 м/с, а суммарный удельный поток энергии волн нагонных ветров превышал 4 кДж/с (табл. 2, 4). Следовательно, интенсивное ветровое волнение не оказало влияние на скорость разрушения горных пород, а снижение температурных показателей замедлило абразионный процесс.

СРЕДНИЙ ЛИТОРАЛЬНЫЙ ГОРИЗОНТ

На среднем горизонте литорали средняя скорость абразионного разрушения горных пород в 2012–2018 гг. составила: общая 38 ± 4 мкм г^–1 (n = 48), глыб 47 ± 6 мкм г^–1 (n = 32), валунов 19 ± 5 мкм г^–1 (n = 16). Изменение интенсивности абразионного разрушения горных пород на этом горизонте литорали отличается от аналогичных изменений на верхнем литоральном горизонте (рис. 5).

Рис. 5.

Изменение средней скорости абразии горных пород на среднем горизонте литорали в 2012–2018 гг.

Максимальная скорость абразионного разрушения горных пород наблюдалась в 2013–2014 гг., т.е. на второй год эксперимента. В дальнейшем изменение скорости разрушения горных пород синхронно изменению скорости абразии по всей литоральной зоне. Минимальная скорость абразии зафиксирована в 2015–2016 и 2017–2018 гг. (17 ± 5 и 18 ± 6 мкм г^–1 соответственно). Оба этих этапа характеризуются низкой среднегодовой скоростью ветра (менее 6.5 м/с), с высокой долей слабых ветров (более 46%), предопределившей большое число штилевых периодов. Небольшое количество сильных и штормовых ветров (менее 35%) отразилось в штормовом коэффициенте (табл. 3). Доля нагонных ветров менее 29% определила небольшой удельный поток энергии менее 3.8 кДж/с (табл. 4). Температурный режим этих двух этапов сильно различается, так, 2015–2016 гг. был теплым с небольшим среднесуточным градиентом температур воздуха, 2017–2018 гг. холодным с большим среднесуточным градиентом температур воздуха, но оба периода характеризуются большим годовым диапазоном температур воздуха (табл. 1).

Этапы с высокой скоростью абразионного разрушения горных пород на среднем горизонте литорали (2013–2014 гг. и 2016–2017 гг.) во многом схожи. Среднегодовая температура воздуха 1.8 и 1.9°С (соответственно), среднесуточный градиент температур 3.7 и 3.6°С (соответственно). При некоторых различиях в абсолютных значениях минимальной и максимальной температур воздуха их отношение за эти периоды одинаковое (0.79, табл. 1). Среднегодовая скорость ветра 6.9, 7.0 м/с (соответственно), доля сильных и штормовых ветров более 40%, штормовой коэффициент более 2. Существенные различия отмечаются только в количестве нагонных ветров: в 2013–2014 гг. их было более 31%, а в 2016–2017 гг. – менее 26%, что отразилось в удельном потоке энергии волн нагонных ветров 4.58 и 4.01 кДж/с (соответственно, табл. 4).

НИЖНИЙ ЛИТОРАЛЬНЫЙ ГОРИЗОНТ

На нижнем горизонте литорали средняя скорость абразионного разрушения горных пород в 2012–2018 гг. составила: общая 33 ± 5 мкм г^–1 (n = = 33), глыб 39 ± 7 мкм г^–1 (n = 21), валунов 22 ± ± 6 мкм г^–1 (n = 12). Изменение интенсивности абразионного разрушения горных пород на нижнем горизонте литорали сильно отличается от аналогичных изменений на других литоральных горизонтах (рис. 6).

Рис. 6.

Изменение средней скорости абразии горных пород на нижнем горизонте литорали в 2012–2018 гг.

Наблюдались квазипериодические изменения скорости абразионного разрушения горных пород на нижнем горизонте литорали (рис. 6). Каждый этап (год) с повышенной скоростью абразии сменялся этапом с резким ослаблением абразионного разрушения образцов, вплоть до полного отсутствия каких-либо изменений (в весе, линейных размерах). Максимальная скорость абразионного разрушения горных пород зафиксирована в 2012–2013 гг., т.е. в первый год эксперимента. Подобная скорость отмечена впервые, она более чем в 2 раза превышает максимальные скорости, наблюдавшиеся до и после этого этапа, на нижнем горизонте литорали. С большой долей вероятности, высокая скорость разрушения горных пород была обусловлена суммированием двух факторов. Во-первых, это первый год после постановки образцов на экспериментальные площадки, и как отмечалось ранее, интенсивное разрушение только что внесенных в прибойную зону образцов отмечается всегда и на всех горизонтах литорали [5]. Во-вторых, погодными условиями, и в первую очередь ветровым режимом. В 2012–2013 гг. наблюдалось: минимальное количество штилей, предопределивших высокий штормовой коэффициент, даже при небольшом количестве штормов (табл. 3), большая доля сильных и штормовых ветров (больше было только в 2014–2015 гг., табл. 2), максимальная за период наблюдения доля нагонных ветров (более 34%) с высоким удельным потоком энергии (табл. 4). В этот период отмечался максимальный среднесуточный градиент температур (табл. 1).

Минимальная скорость разрушения горных пород (у валунов изменений не было выявлено) на нижнем литоральном горизонте (7 ± 2 мкм г^–1 (n = 6)) наблюдалась в 2015–2016 гг. и напрямую связана с погодными условиями. Температурные и ветровые характеристики 2015–2016 гг. приводились нами ранее, при описании других горизонтов литорали, поэтому здесь отметим главное:

1. Максимальная температура воздуха и очень небольшой среднесуточный градиент температур,

2. Минимальное количество штормов и низкий штормовой коэффициент,

3. Минимальная среднегодовая скорость ветра при доле штормовых и ураганных ветров менее 4.5%,

4. Малый удельный поток энергии волн нагонных ветров.

В 2014–2015 гг. и 2016–2017 гг. происходит усиление абразии горных пород (38 ± 13 мкм г^–1 и 41 ± 7 мкм г^–1 соответственно). Так как погодные условия приводились ранее, выделим главные особенности этих этапов. Во-первых, это два самых ветреных этапа наблюдения, с удельным потоком энергии волн нагонных ветров более 4 кДж/с (табл. 4). Во-вторых, 2014–2015 гг. характеризуется максимальной среднегодовой скоростью ветра и максимальным количеством ветров со скоростью более 7 м/с (табл. 2). В-третьих, в 2016–2017 гг. наблюдалось максимальное количество штормов и самый большой штормовой коэффициент (табл. 3). Таким образом, резкое увеличение скорости разрушения горных пород в 2014–2015 гг. и 2016–2017 гг. напрямую связано с ветровым режимом. Так как абразионный процесс на нижнем горизонте литорали почти не осложнен субаэральными процессами денудации [5], можно сделать предположение, что в 2014–2015 гг. и 2016–2017 гг. произошла активизация собственно абразионного процесса разрушения горных пород. При этом возможно, что в 2014–2015 гг. (холодный год) интенсивность субаэральных процессов денудации на побережье снизилась.

ВЕРХНЯЯ СУБЛИТОРАЛЬНАЯ ЗОНА

Впервые в 2017–2018 гг. удалось получить данные о скорости разрушения горных пород в верхней сублиторальной зоне. Средняя скорость разрушения составила 29 ± 13 мкм г^–1, глыбы микроклинового гранита – 54 мкм г^–1, валунов микроклинового гранита – 17 ± 2 мкм г^–1, что выше скорости разрушения горных пород в сопредельной литоральной зоне (рис. 7).

Рис. 7.

Изменение скорости абразии горных пород в литоральной и верхней сублиторальной зоне в 2017–2018 гг., о-в Жилой.

Хотя полученные скорости разрушения горных пород в верхней сублиторальной зоне не отличаются от среднемноголетней скорости абразии в литоральной зоне губы, необходимо отметить, что образцы горных пород находились на экспериментальной площадке первый год, следовательно, выявленная скорость разрушения может быть несколько завышена. Несмотря на это, с большой долей вероятности, можно утверждать, что в верхней сублиторальной зоне происходит разрушение горных пород, возможно, не менее интенсивно, чем в литоральной зоне.