Гранит в Калининградской области не родится: под ногами здесь песок и глина. А на берегу под мысом Таран лежат окатанные валуны размером с человека — гранитные, гнейсовые, чужие этим местам. Привёз их лёд.
В последнее оледенение всю Балтику покрывал мощный ледниковый щит, и он, как медленный конвейер, тащил вмёрзшие в него обломки скал за сотни километров — из Скандинавии. Когда лёд растаял, камни остались лежать там, где их бросило1. Высокий обрыв мыса Таран — это срез прошлого: в его слоях видна история осадков, а у подножия валуны выходят на поверхность по мере того, как море подтачивает берег.
Высокий обрыв мыса Таран: в слоях — древние отложения с ледниковыми валунами. Волны бьют в подножие, обрыв отступает, и камни выходят на пляж.
А отступает берег быстро — местами на метры в год. И не понемногу каждый день, а рывками: то волны точат подножие, то целый пласт срывается оползнем. Разберём обе силы.
Ледниковые валуны (эрратические) — обломки, перенесённые ледником далеко от места их образования; на юго-восточной Балтике многие принесены из Фенноскандии в последнее оледенение (Wikipedia, «Glacial erratic»). ↩
Каждая волна, ударяя в подножие обрыва, выбивает песок и подмывает глину. Сила удара решается энергией волны. На единицу площади она равна
$$ E = \frac{1}{8}\,\rho g H^2 $$
где $\rho$ — плотность воды, $g$ — ускорение свободного падения, $H$ — высота волны1. Главное здесь — квадрат высоты: волна вдвое выше несёт не вдвое, а вчетверо больше энергии. Поэтому ленивая летняя зыбь почти не трогает берег, а один осенний шторм с высокими нагонными волнами отъедает столько, сколько спокойное море не возьмёт за месяцы. Берег перекраивают не будни, а штормовые нагоны.
Где работает тот же закон?
Квадратичная цена высоты волны — основа всей морской инженерии. По ней рассчитывают волноломы и набережные, оценивают разрушительность штормов и цунами, прикидывают мощность волновых электростанций: всюду, где волна совершает работу, в формуле стоит $H^2$.
Средняя плотность энергии морской волны (на единицу площади) в линейной теории $E = \tfrac{1}{8}\rho g H^2$, где $H$ — высота волны; энергия растёт как квадрат высоты (Wikipedia, «Wave power»). ↩
Иногда обрыв сходит не песчинками, а сразу — огромным блоком, оползнем. И виновата здесь не волна, а вода внутри грунта.
Прочность склона держится на том, как сильно зёрна прижаты друг к другу. Это давление между зёрнами называют эффективным напряжением, и вода в порах его подтачивает:
$$ \sigma' = \sigma - u $$
где $\sigma$ — полное давление вышележащей толщи, $u$ — давление воды в порах, а $\sigma'$ — то, что реально держит зёрна вместе1. Чем выше поровое давление $u$, тем меньше остаётся $\sigma'$ — тем слабее сцепление и тем ближе склон к срыву.
А поднимает $u$ сама геология мыса. Песок воду пропускает: дождь и талый снег уходят сквозь него вниз. Но под песком лежит ледниковая глина — она водоупорна. Над её слоем вода застаивается, поровое давление растёт, $\sigma'$ падает — и в какой-то момент насыщенный пласт песка съезжает по скользкой глиняной подошве, как лыжа по склону.
Песок водопроницаем, ледниковая глина — нет: над ней застаивается вода, поровое давление u растёт, эффективное напряжение σ′ падает, и пласт сползает по глиняной подошве.
Как это измеряют и прогнозируют?
Высоту обрыва и скорость его отступления снимают повторной съёмкой — раньше теодолитом, теперь дроном и лазерным сканером, сравнивая профили год от года. Поровое давление в склоне меряют пьезометрами — скважинами с датчиком воды. По этим данным и предсказывают, какой участок ближе всего к обрушению.
Открытый вопрос
Шторма усиливаются, а зимы теплеют — дождей вместо снега больше, и грунт чаще оказывается водонасыщенным. Обе силы, что точат мыс Таран — волна снаружи и вода внутри, — растут одновременно. Какая из них окажется решающей для берега в ближайшие десятилетия?
Принцип эффективного напряжения Карла Терцаги: прочность грунта определяется $\sigma' = \sigma - u$ (полное напряжение минус поровое давление воды) (Wikipedia, «Effective stress»). ↩
