Причины и механизм петербургских наводнений

Причины и механизм петербургских наводнений

Сказать-то можно все, а ты,

поди, продемонстрируй…

Д.И. Менделеев

Морские наводнения, как и любые стихийные бедствия, весьма наглядны, «весомы, грубы, зримы» (В.В. Маяковский). Их легко наблюдать, фотографировать (если хотите – с самолета, вертолета, из космоса), измерять, наносить на карту. Следует лишь позаботиться о собственной безопасности…

Фоторепортеры газеты «Смена» запечатлели набережные и улицы, затопленные невской водой в ночь с 29 на 30 ноября 1999 г. при наводнении, 13-м по высоте в истории города.

Приближался момент максимума, когда 30 ноября в 4 часа 35 минут мареограф – автоматический регистратор уровня воды у Горного института – зафиксировал 262 см. Вид, прямо скажем, экзотический, если бы не затопленные подвалы, а кое-где и первые этажи, выброшенные на берег суда, залитые водой улицы, набережные и площади, поваленные деревья, сорванные крыши и вывески, нарушение работы метро и наземного транспорта, не говоря уже о нервах, тревогах, беспокойстве. Можно себе представить, что здесь творилось 7 ноября 1824 г., когда вода была выше на 159 см, а городские территории на один-два метра ниже!

Нашему воображению могут помочь сравнительные графики изменения уровня воды в ходе четырех наводнений: двух катастрофических – 7 ноября 1824 г. и 23 сентября 1924 г. и двух опасных (четвертого и пятого по «ранжиру») – соответственно 15 октября 1955 г. и 29 сентября 1975 г.

Все графики, кроме одного, показывающего ход наводнения 1824 г., – копии записей мареографа. В 1824-м самопишущий прибор в устье Невы еще не был установлен, а наблюдения по футштоку в условиях потопа оказались не вполне надежными, пик был зафиксирован не совсем точно. Тем не менее по данным журнала «Отечественные записки» ^[81] и архива ГФО ^[82] можно приближенно очертить кривую хода уровня воды в «ужасный день».

Четко выраженные, по-своему красивые графики показывают колебательный волновой характер природного явления. Только такой вид и объединяет каждое наводнение в Петербурге. Более того, так же выглядят и катастрофические цунами, и катастрофические половодья на реках, например на Лене. Различия состоят лишь в масштабах времени. Наши наводнения длятся примерно сутки, цунами – несколько часов, речное половодье – несколько недель, а то и месяцев.^[83]

Волновым обликом исчерпывается сходство различных случаев наводнений. Каждый из продемонстрированных потопов отличается от других не только высотой, но и продолжительностью, величиной и скоростью подъема и спада воды, начальными и конечными отметками уровня. Иногда на фоне подъема или спада проявляются вторичные колебания, усложняющие анализ и прогноз явления.

Продолжительность полного цикла составляет от 8 часов до почти 2 суток, иногда подъем воды происходит быстрее спада, иногда – наоборот. Также изменчивы величины подъема– спада и их скорости. Различна и продолжительность затопления выше 160 см, выше 210 см или любой другой отметки. Подобные нерегулярные, неправильные, асимметричные колебания именуются в океанологии непериодическими. Они преобладают в окружающем нас мире, удивительно склонном к переменам. Правильные, строго периодические колебания встречаются в природе гораздо реже.

Есть еще способ изображения наводнений – в виде карты, на которую нанесены границы распространения воды.

На представленной карте показано затопление Ленинграда 23 сентября 1924 г. в трех грубых, но наглядных градациях: «выше колена», «до пояса», «по горло и выше» (из газеты «Ленинградская правда» за 27 сентября 1924 г.).

Измерения уровня воды с помощью реек-футштоков и мареографов производятся не только в Петербурге. Сравнение измерений в различных пунктах позволяет рассмотреть особенности возникновения и развития наводнения. На представленном здесь графике показаны колебания уровня воды на семи гидрометеорологических станциях побережья Балтийского моря и Финского залива 28—29 сентября 1975 г.

Видно, что наводнение приходит в устье Невы с запада в виде волны, высота которой возрастает по мере движения. По степени (коэффициенту) возрастания можно определить высоту наводнения в Петербурге, зная высоту на любой из станций. Легко найти и скорость движения волны по расстоянию и времени «добегания» гребня до Петербурга. Расчет основных характеристик наводнения 29 сентября 1975 г. представлен в приведенной здесь таблице.

Поступательное движение гребня волны четко обнаруживается также, если рассмотреть измерения уровня воды на станциях в некоторые фиксированные моменты времени, построив таким способом последовательные профили водной поверхности Трансбалтики от устья Йены до входа в Финский залив и далее до Лиепаи, Клайпеды, Калининграда вплоть до Датских проливов на границе Балтийского и Северного морей.

Профили также имеют волновой вид. По ним можно приближенно определить длину волны наводнения. Она составляет несколько сот километров, что в тысячу и более раз превышает средние глубины Балтийского моря и Финского залива – соответственно 56 и 37 м – и даже их максимальные глубины – 459 и 123 м. Это и есть злополучная «длинная волна», полностью ответственная, по некоторым представлениям, за наводнения в Петербурге.

Понятно, что характеристики каждого конкретного наводнения определяются по мере поступления всех сведений. Затем, после завершения наводнения, они сопоставляются с другими случаями, обобщаются и используются для предсказаний.

Волны на поверхности моря, которые мы наблюдаем в ветреную и штормовую погоду, имеют другое происхождение. Это короткие волны. Они имеют малую длину по сравнению с глубиной (или, по крайней мере, близки к ней) и переносят небольшие по сравнению с длинными волнами объемы воды, которые только захлестывают пляжи или грозно вздымаются у крутых берегов, но не способны затопить, как наводнения, большие пространства суши.

Длинная волна не ограничивается дельтой Невы и Петербургом. Благодаря своей огромной энергии она распространяется вверх по реке примерно на 30—40 км (длина Невы 75 км). Энергия наводнения тратится на затопление дельты и преодоление уклонов местности. На расстоянии 7-10 км от устья, т. е. еще в пределах новостроек восточных районов города, Нева течет в довольно крутых берегах, и подъемы воды здесь уже не представляют опасности. А на другой половине реки – от ее середины до истока из Ладожского озера – происходят спады уровня воды.

И еще одной особенностью отличаются невские наводнения: примерно четверть из них происходит при наличии льда. Тонкий ледяной покров, преобладающий в мягкие зимы, легко взламывается при повышении уровня воды и сильном западном ветре. Но бывает, что наводнения случаются после относительно продолжительного морозного периода. Тогда от возвышения уровня образуются торосы и навалы льда (высотой до 5– 10 м) на берега.

Не одними наводнениями, однако, жива державная Нева. Они скорее редкость – в среднем примерно однажды в год, ну максимум десять опасных подъемов, как в 1983 г. Колебания же уровня воды происходят непрерывно и довольно спокойно, постепенно и плавно. Причем абсолютно преобладают небольшие, заметные лишь терпеливому наблюдателю, отклонения от среднего положения, т. е. от ординара или от нуля Кронштадтского футштока. Из полного ряда ежечасных измерений у Горного института (более миллиона значений с 1878 г., когда был установлен мареограф) колебания от 30 см до -30 см составляют почти 90 %. Пример таких колебаний продемонстрирован на графике.

Сразу видно, как мало они похожи на те, что происходят при наводнениях. При устойчивой летней погоде в конце июля 1980 г., во время Олимпийской парусной регаты в Таллинне, по ежечасным измерениям в течение пяти суток на четырех наиболее показательных пунктах в Финском заливе происходили колебания с амплитудой не более 30 см и периодом около суток. Это собственные колебания залива.

Любой природный объект склонен к колебаниям и обладает своими собственными периодами и амплитудами. В гидрометеорологии собственные колебания водоемов называются «сейшами».

Их основное наглядное свойство – почти одновременное наступление максимумов и минимумов по всему водоему, синхронность колебаний. Особенно четко проявляются сейши на островах, в данном случае на Гогланде. В Ленинграде и Таллинне заметны, кроме того, мелкие вторичные колебания – тоже сейши – с периодами 2– 6 часов, что является следствием расположения этих пунктов в небольших по размерам Невской губе и Таллиннской бухте, которые также имеют свой период собственных колебаний и где влияющих факторов больше, чем в открытой части Финского залива. Видно также, что в июле 1980 г. сейши происходили на фоне общего понижения уровня воды. Существуют, следовательно, и колебания длительного периода, требующие продолжительных измерений.

Кроме экстремальных повышений уровня воды (наводнений) и повседневных «бытовых» колебаний (сейшей) в устье Невы, в Финском заливе и во всей Балтике происходят и экстремальные понижения уровня воды – сгоны. Они, как и наводнения, неблагоприятны, хотя и не в такой степени. Сгоны ведут себя спокойнее, происходят медленнее и длятся дольше, чем наводнения.

Сильные сгоны продолжаются, как и наводнения, примерно сутки. Но пониженные уровни могут сохраняться десять – двадцать суток, как, например, в ноябре 1959 г. или в марте 1960-го. В отличие от наводнений, сгоны бывают в любое время года. Необычно и непривлекательно из-за загрязненного дна выглядят тогда небольшие городские реки и каналы при сгонах, а от пологих берегов Невской губы вода отступает на километр и более. Наибольшие помехи сгоны создают судоходству: в 1996 г., например, суперсовременный крейсер «Петр Великий» несколько суток не мог выйти в море из-за понижения уровня воды в устье Невы почти на метр ниже обычного. От сгонов нарушается водоснабжение, хуже ловится рыба, отменяются парусные соревнования.

Наинизший уровень у Горного института наблюдался 2 ноября 1910 г.: 124 см ниже нуля Кронштадтского футштока.

Вспомним абсолютный наблюдаемый максимум – 421 см в 1824 г. – и получаем размах колебаний уровня воды в Петербурге около 5,5 м – наибольший по всему Балтийскому морю. Изучение стонов до сих пор все же не привлекает такого внимания, как наводнения.^[84]

Наконец, Балтийское море и его заливы подвержены периодическим приливо-отливным колебаниям уровня, которые связаны с астрономическими причинами: притяжением Луны и Солнца. Но эти колебания совсем невелики из-за почти полной замкнутости Балтики. Амплитуда приливов и их период близки к этим же параметрам сейшей, что затрудняет разделение этих колебаний. Важно, что сейши, сгоны и приливы относятся, как и наводнения, к длинным волнам.

От рассмотрения особенностей и характера наводнений и вообще колебаний уровня воды в устье Невы естественно обратиться к их причинам.

Можно ответить просто и однозначно: причиной наводнений является плохая погода. И ответ этот будет близок к истине. Но пытливый читатель тотчас же заметит: выше говорилось, что устойчивая погода – не важно, хорошая или плохая – держится у нас примерно неделю. То есть смены погоды происходят раз пятьдесят в году. А наводнения – в среднем – по одному в год.

Следовательно, плохая погода лишь отчасти объясняет причину наводнений. Действительно, в хорошую устойчивую погоду их не бывает. Есть, правда, в описаниях некоторых случаев утверждения, будто подъемы воды происходили при слабом ветре и довольно приятной погоде. Но при более подробном рассмотрении таких случаев всегда оказывается, что погода изменялась к худшему, если не в Петербурге, то на Финском заливе, или что за сутки– двое до подъема воды у Горного института на Балтике бушевал шторм.

Обвинив плохую погоду, необходимо уточнить, что она была вызвана циклоном – атмосферным вихрем. Чтобы случилось наводнение, циклон должен быть не простым, спокойным и малоподвижным, как его изображают на экране телевизора, а, по терминологии синоптиков, глубоким, со значительными перепадами давления воздуха в центре вихря и на его периферии. Кроме того, циклон должен быть активным, т. е. перемещаться достаточно быстро. И не как попало, а примерно по оси Балтийского моря и Финского залива.

Статистика утверждает: 48 % наводнений в Петербурге случились при движении циклонов с юго-запада, 41 % – с запада и только 6 % и 5 % соответственно, при северо-западной и южной траекториях.^[85]

Циклон на синоптической карте изображается замкнутыми линиями равного атмосферного давления – изобарами. Обычно он имеет форму эллипса, в котором большая ось длиннее малой почти вдвое, расстояние от центра до последней замкнутой изобары – порядка 1000 км. При наводнениях давление в центре бывает 730—750 мм, по краям – 770—780 мм; в высоту циклон может распространяться на 15—20 км; средняя скорость движения – 50 км в час, но может достигать 80-100 км в час.

Горизонтальное движение воздуха – против часовой стрелки, вертикальное – восходящее, от земной поверхности к верхним слоям атмосферы. Циклоны чередуются с антициклонами, в которых, грубо говоря, все наоборот и которые наводнений не вызывают. Такое чередование и создает в умеренных широтах повседневную погоду. Эти атмосферные образования так и называются – погодообразующими факторами. Они обладают характерными периодами действия, в течение которых происходят изменения погодных условий и всех метеорологических параметров, в том числе и ответственных за возникновение, развитие и прекращение наводнения.

Но кроме метеорологической есть еще одна причина петербургских наводнений. Она не столь очевидна, как циклоны и погода. Она постоянна и как бы сама собой разумеется, из-за чего о ней порой забывают. Это причина гидрографическая, связанная с глубинами Балтийского моря и его заливов и характером его берегов. Две гидрографические характеристики важны для наводнений: небольшая глубина и очень пологое побережье. Наиболее четко эти характеристики проявляются на подходах к Петербургу, в Невской губе. Здесь глубины не превышают 5 м, а широкий пляж окаймлен обширным мелководьем, что хорошо знакомо любому отдыхающему. У берегов, круто обрывающихся в море и столь же резко повышающихся в сторону суши, как, например, на черноморском побережье Кавказа, наводнений не бывает. Здесь даже самый жестокий шторм вызывает лишь грозный прибой. Только сочетание метеорологического и гидрографического факторов приводит к морским наводнениям, или – напомним другие термины – штормовым нагонам или метеорологическим приливам.

Итак, в устье Невы, где расположен Петербург, существуют необходимые и достаточные условия для морских наводнений – циклоны и мелководье. По результатам многих исследований сложилась общая схема механизма возникновения и развития наводнений.

Метеорологи различают три стадии развития циклона. Первая – молодой циклон, когда на синоптической карте обнаруживается область пониженного атмосферного давления с тенденцией дальнейшего понижения (углубления). Эта область очерчивается одной-двумя изобарами (см. с. 116, схему а). Такой циклон на юге Балтики заслуживает внимания, хотя у нас в это время может стоять прекрасная погода.

Если циклон склоняется к движению на северо-восток или восток примерно по оси Трансбалтики, если поступают сообщения о последовательном повышении уровня воды в Клайпеде, Лиепае, Вентспилсе, Ристне (1000-500 км от устья Невы), если давление в Петербурге начинает падать, температура воздуха расти, ветер постепенно переходит от восточного к южному, т. е. вращается по часовой стрелке, если увеличивается облачность, а вода в Неве начинает повышаться, – ситуация становится угрожающей.

Она переходит в опасную, когда примерно через двенадцать часов центр циклона с минимальным давлением 730—750 мм оказывается на юге Ботнического залива, когда перепады – градиенты – давления от центра к периферии достигают 20 мм, когда западные и юго-западные ветры над всей Балтикой достигают скорости 20—25 м в секунду, когда у входа в Финский залив – в Ристне и Таллинне – вода прошла через пик высотой 50– 100 см. Циклон достиг второй стадии – зрелости (см. схему б).

В Питере ветер продолжает вращение от южного к западному, усиливаясь с каждым часом, давление продолжает падать, температура воздуха растет, хлещет дождь, вода повышается со скоростью до метра в час. Прошел теплый фронт, мы находимся в теплом секторе циклона. Объявлено штормовое предупреждение, начали действовать городской штаб по чрезвычайным ситуациям и различные комиссии. Главное – избежать жертв и сократить ущерб. Еще шесть– девять часов противостояния стихии и… На картах синоптиков через Петербург прошел холодный фронт, циклон ушел на Карелию и Белое море, давление в его центре растет, он перешел в третью стадию – «заполнения» (см. схему в; здесь же показаны колебания уровня в различных пунктах (г) и отдельно в устье Невы, где показаны также изменения метеоэлементов (д)). У нас также давление пошло вверх, похолодало, небо довольно быстро очищается от облаков. Ветер, как ему и полагается в «тылу» циклона, перешел к северо-западному, оставаясь сильным штормовым, стал еще и порывистым, но уже не нагонным. Происходит спад уровня воды. Нева входит в берега, постепенно успокаиваясь. Погода вскоре может совершенно наладиться: тихо, безоблачно, хотя и прохладно, а порой и просто холодно. Циклы атмосферного вихря и петербургского наводнения завершились примерно за сутки. Циклон преодолел расстояние 1500—2000 км, т. е. двигался со средней скоростью 60—70 км в час. Впрочем, средние оценки в столь активном явлении не слишком показательны. Отклонения от изложенной схемы тоже могут быть существенными. Например, 28—29 сентября 1975 г. он двигался неравномерно, как бы рывками. Такое движение вызывает вторичные колебания уровня воды на фоне общего подъема и спада. Иногда циклон начинает заполняться над Балтикой, «зависать». Или может отклониться от опасной траектории, например «нырнуть» с севера Ботнического залива, или двигаться совсем медленно. Наводнение тогда может оказаться не слишком опасным, затяжным, или вовсе не состояться, хотя угроза будет явной. Ведь поведение циклона зависит от нескольких факторов – температуры и давления в средних и верхних слоях атмосферы, распределения этих параметров по высоте, состояния морской поверхности и взаимодействия с ней воздушных потоков. И все эти факторы сложно, нелинейно, системно взаимодействуют друг с другом.

Циклон возбуждает интенсивное движение вод в море. На первой стадии преобладает статическое повышение водной поверхности по закону «обратного» барометра: примерно на 1 см при падении атмосферного давления на 1 мм.

Возникает «вспученность» – так называемая длинная волна, гребень которой растет по мере движения циклона, понижения давления в нем, расширения области штормовых ветров. К гребню длинной волны стекается вода из окрестных районов моря и заливов, где происходит сгон, предваряющий подъем. Это динамическое возмущение уровня моря значительно превышает статическое.

Влияние гидрографии водоема в данной схеме штормового нагона вроде бы осталось в тени. Но ведь все происходит в естественных границах Трансбалтики, в пределах очертаний ее берегов, то пологих и прямолинейных, то изрезанных шхерами и мелкими бухтами. Наводнение развивается над сложным, даже причудливым рельефом ее дна – с отмелями, островами, впадинами.

Существенно также, что Балтийское море с Финским заливом (Трансбалтика) похожи на канал с шириной в пять-семь раз меньшей их общей длины, что этот канал имеет переменное сечение, резко сужаясь у входов из моря в залив и в восточной части самого залива.

Размеры бассейна оказываются близкими к размерам циклона, а его скорость – к скорости перемещения гребня «длинной волны». Создаются условия резонанса, когда, по законам механики, колебания резко усиливаются.

Предложенной схеме лучше всего отвечают катастрофические и близкие к ним особо опасные наводнения, подобные случаям 1955, 1975, 1999 гг. Они отличаются прохождением глубокого активного циклона примерно по оси Трансбалтики, преобладающим вкладом длинной волны, дополнительными воздействиями ветра и сейшей. Менее опасные наводнения формируются относительно равноценным влиянием волны, ветра и сейшей. Особенно показателен в этом отношении самый недавний случай – 15 ноября 2001 г. Циклон шел не по самой опасной траектории, он «нырнул» с севера и ушел на юго-восток. Соответственно «длинная волна» была выражена нечетко. Зато ветровое воздействие оказалось сильным, оно сложилось с собственными колебаниями Финского залива. Наводнение получилось, по терминологии синоптиков, сейшево-ветровым, с небыстрым подъемом воды и совсем медленным, «изнуряющим» спадом. Его сравнение с предыдущим случаем – 30 ноября 1999 г. – особенно наглядно демонстрирует разнообразие наводнений.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.