География на ладони. Краткий курс по устройству планеты - читать онлайн

Под этим термином подразумевается «строение» реки, или то, как она меняется по форме на протяжении всей своей длины, начиная от истока до устья. Реки обычно подразделяются на три части: верховье, среднее течение и нижнее течение. Начинаться они могут с родника, болота или протечек и ручейков, текущих по крутым склонам гор, подпитываемых дождями. По мере продвижения от истока до устья, большинство рек кардинально меняют свой облик и характер в силу взаимосвязи следующих трех факторов:

• «скорости», с которой высота русла или ложа реки снижается по мере продвижения к устью (градиент);

• соотношения между поверхностью трения русла и берегов реки, с одной стороны, и площадью поперечного сечения русла (морфология русла);

• мелкомасштабных особенностей речного русла и их влияния на характер течения воды, ее круговоротов и завихрений (неровности поверхности русла).

Очевидно, что воздействие воды на поверхность земли – это только одна часть дела. Другая состоит в том, что подлежащие горные породы представляют собой альбом, на который вода наносит свои рисунки.

В каких местах течение реки самое быстрое?

Возможно, вам кажется логичным, что река течет быстрее всего у своего истока, в ее верхнем течении, и что именно здесь она демонстрирует крутой градиент? Иными словами, вам может показаться, что именно так и всё и происходит, и действительно, большинство водопадов находятся в верхнем течении реки и именно в этой части реки текут довольно быстро. Но ответ все же не так прост, как может показаться. На протяжении значительного отрезка течения реки, наибольшие ее скорости обнаруживаются в тех ее участках, где влияние градиента достаточно сильно, чтобы сломить сопротивление темных сил трения подлежащих поверхностей. В конечном итоге, именно в нижнем течении реки ее русло оказывается наиболее эффективным, так что средняя скорость течения реки достигает здесь своего максимума.

Формирование ландшафта

Реки представляются хорошей иллюстрацией важности «событий с высокой магнитудой и низкой частотой» в формировании ландшафта. В течение большей части года река способна с легкостью перемещать массу воды, не оставляя энергии, достаточной для эрозии[4]. Наверное, 4 или 5 раз в году, величина стока воды в реке достигает уровня, достаточного для того, чтобы заполнить все ее русло (известна как «руслонаполняющий расход воды»). Приблизительно в этот момент энергия реки достигает наибольшего уровня, с которым она может справиться, при данной форме ее русла. Но если уровень воды еще больше повышается, река выходит из берегов, меняя свою форму и продольный профиль, а также увеличивая или же сокращая интенсивность эрозии русла. Однако это происходит только в тех случаях, когда река уже больше не может транспортировать свой сток, в условиях сохранения текущего профиля русла. Поэтому только тогда, когда река находится в состоянии обладания наивысшей энергией, которой она способна управлять, она приступает к выполнению какой-либо новой работы.

Как реки делают свою работу

Мы все когда-то учили мнемоническое обозначения процессов флювиальной эрозии[5] (и надо отметить, береговой эрозии в том числе) – КТРГ (CASH, англ.):

Корразия (corrasion) – механическое разрушение или размывание. Происходит тогда, когда горные породы трутся о ложе и берега реки, меняя форму ее русла. Правильнее было бы этот процесс назвать «абразией», однако, такое название может создать проблему для сочинителей мнемонических обозначений.

Трение, истирание (attrition) – обломки горной породы трутся друг о друга, формируя более округлые и более мелкие частицы.

Растворение (solution) – частицы пород растворяются в воде, становясь частью реки. В районах распространения известняка со слегка кислотной водой это способствует возникновению одного из самых странных явлений на нашей планете. Дождевая вода, вступая в реакцию с углекислым газом при прохождении ее через воздушную среду, образует слабую угольную кислоту. Поэтому, даже при отсутствии каких-либо других загрязнителей воздуха, дождевая вода всегда будет несколько более кислой.

Гидравлическое воздействие (hydraulic action) – воздействие воды на ложе или донную поверхность реки и ее берега, могут привести к тому, что воздух будет заперт в ловушку, так что его давление приведет к ослаблению берега и вызовет его истирание.

Как реки перемещают грузы

Под «грузами» здесь, конечно же, подразумевается любой материал, – гравий, галька, обломки горных пород, – который переносится вместе с естественным потоком воды в реке. Поскольку вода движется, она обладает кинетической энергией. Река использует эту энергию для выполнения следующих видов работы:

Течение (flowing) – в буквальном смысле этого слова, т. е. перемещения водяной массы и ничего больше. Но, помимо растворения некоторых веществ на этом пути, река выполняет еще кое-что.

Транспортировка (transporting) – при условии достаточности энергии, вода будет переносить с собой материалы, направляя их вниз по течению.

Эродирование (eroding) – вне зависимости от того, частицы каких веществ растворены в воде, эрозивный потенциал реки будет весьма незначительным, при условии, что река не находится в высокоэнергетическом состоянии. Таким состоянием река обладает лишь на отдельных ее участках, где течение достаточно быстрое – таких, например, как пороги. А также в определенное время года, когда уровень стока достигает максимальных величин.

Методы транспортировки

В зависимости от размеров частиц и скорости воды, при транспортировке материалов река использует следующие процессы:

Растворение – как можно предполагать, растворимый материал растворяется в реке и переносится водой – легкий груз для начала.

Образование взвеси – мелкие частицы, такие как тина, ил или пылеватый материал, находятся в виде взвеси на поверхности текущей воды и в этом состоянии переносятся водой.

Скачкообразное движение – в силу увеличения энергии реки, материал переносится вдоль по течению, с последовательным чередованием процессов образования временных взвесей и процессов отложения осадков.

Волочение – в тех случаях, когда валун слишком крупный, чтобы его можно было перенести, или течение воды слишком медленное, чтобы увлечь его, он транспортируется с помощью волочения – происходит простое перекатывание или скольжение груза по дну реки.

В действительности, материал переносится вниз по течению самыми различными способами.

Груз, который переносится с помощью волочения, например, может начать набирать скорость, столкнуться с материалом, лежащим на дне русла реки, и на короткий момент может оказаться приподнятым, превратившись во взвесь.

И, конечно же, есть шанс, что на протяжении большей части года с большей частью груза в большинстве рек ничего не будет происходить.

Кривая Хельстрёма

Для географов кривая Хельстрёма является одним из самых удивительных и информативных графиков, свидетельствующий о том, что взаимосвязь между размерами частиц и скоростью воды не такая простая, как может показаться на первый взгляд.

Эта кривая была впервые предложена шведским географом в середине ХХ века, и была создана в результате исследований, проведенных на базе искусственной реки (канала). Хельстрём вносил небольшие изменения в скорость водного потока и отмечал влияния этих изменений на донные отложения различных размеров.

На графике показаны две кривые. Верхняя отражает скорость водного потока, необходимую для того, чтобы подхватить частицы определенного размера, нижняя кривая соответствует минимальной скорости, необходимой для поддержания частиц в подвешенном состоянии в воде, то есть в виде взвеси. Отсюда следует, что частицы начнут осаждаться, если скорость течения воды в реке замедлится до уровня ниже скорости осаждения, и будут снова захватываться водным потоком, если скорость течения воды в реке сравняется со скоростью эрозии или скоростью захвата. Кажется очевидным, почему для того, чтобы крупный обломок породы был подобран или подхвачен водным потоком, необходимо, чтобы скорость этого потока была достаточно высокой. Также ясно, что, если течение воды вокруг обломка породы замедлится или сменится менее турбулентным и более медленным потоком, обломок опустится на дно. Но почему водному потоку требуется так много энергии для того, чтобы захватить мельчайшие частицы глины? В конце концов, кусочек породы меньший по размеру, чем песчинка, весит не так уж много.

Ответ и сложен, и прост одновременно. Простая часть ответа состоит в том, что мельчайшие частицы материала на дне реки склеиваются так плотно друг к другу, что воде очень сложно проникнуть между ними и поднять их со дна. Сложная часть ответа заключается в том, что глина имеет слоистую текстуру, так как она состоит из мицелл или микрокристаллов. Глинистые частицы заряжены отрицательно и возможно именно этот заряд способствует удерживанию частиц на дне реки, так что для их захвата со дна требуется дальнейшее увеличение скорости водного потока. Будучи подхваченными, ультра-мелкие частицы материала теоретически никогда не должны осаждаться, так как их масса столь незначительна, что для поддержания их во взвешенном состоянии требуется совсем небольшое количество энергии.

Именно материал такого размера придает ледниковым рекам их дымчатый вид и делает воды Амазонки в том месте, где она начинается, «полосатыми»: в месте слияния темных вод Риу-Негру и Солимойнс. Конечно же, тончайшие частицы не могут оставаться во взвешенном состоянии бесконечно долго, и они рано или поздно должны будут осаждаться. Именно этот материал помогает формированию рельефа и очертаний суши в устье реки.

Уравнение Мэннинга

Эта формула была предложена во 2-ой половине XIX столетия ирландским инженером Робертом Мэннингом, который пытался усовершенствовать метод определения скорости реки. С учетом того, что инженерные проекты тогда становились все более масштабными и все более смелыми, появление метода вычисления скорости речного потока имело огромное значение. В уравнении Мэннинга были воедино собраны все три фактора, влияющие на скорость течения реки:

Скорость = [площадь поперченного сечения / периметр смоченной поверхности] ^2/3 × градиент ^1/2 / n Мэннинга.

Или

Эта теоретическая модель вобрала в себя все переменные, так или иначе оказывающие влияние на скорость течения реки. Площадь поперечного сечения русла и смоченный периметр[6] указывают на эффективность формы русла, градиент соответствует силе, действующей по всей длине речного профиля, а «n» Мэннинга является показателем степени влияния размера переносимого рекой материала (неровности дна). Эта величина может быть вычислена путем выборочного обследования размеров донного материала, и в целом, чем крупнее донные наносы, тем выше значение этой величины. Таким образом, в холодных верховьях Сноудонии могут наблюдаться значения равные 0,10, тогда как у устья[7] рек они могут быть равны 0,02. Это отчасти объясняет, почему самые быстрые речные потоки встречаются не в верхнем течении рек. Вблизи истоков градиенты очень высоки, а донные наносы очень крупные, к тому же возникновение ряби и завихрений также способствуют здесь снижению средней скорости реки.