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]
