Понятие об уровенной поверхности. Под именем уровенной поверхности в природе понимают всегда поверхность, которая в каждой своей точке нормальна к направлению равнодействующей всех сил, влияющих на положение уровенной поверхности в данном месте. В геодезии такая поверхность называется иногда горизонтальной, а в частном случае, благодаря значительности величины земного радиуса, часть ее для небольших пространств может быть принята совпадающей с плоскостью, касательной к земному шару в средней точке данного пространства. Вообразить уровенную поверхность можно в любой точке, но в природе такая поверхность может образоваться только при условии, что частицы вещества, ее составляющие, обладают достаточной подвижностью, чтобы поверхность, образованная ими, могла быстро принимать положение, нормальное к равнодействующей сил, действующих на нее, а именно силы притяжения земли и центробежной силы. Свободная поверхность воды вполне удовлетворяет этим требованиям, и, если бы земля состояла из ряда концентрических слоев, причем в каждом слое плотность везде была бы одинакова, то и уровенная поверхность океанов такого тела имела бы совершенно правильную математическую форму сфероида. На самом деле плотности распределены, по крайней мере в ближайшем к поверхности слое земной коры, не вполне равномерно, поэтому и свободная поверхность океанов и морей не принимает формы правильного эллипсоида вращения, а несколько отступает от нее. Такая поверхность в геодезии называется геоид тескою, а тело, ею ограничиваемое, — гзоидом. Прежде предполагали, что поверхность геоида, т. е. уровенная поверхность океанов, на их середине значительно отступает от поверхности сфероида и именно лежит ниже его, а на материках — выше его. Однако исследования последнего времени привели к заключению, что отступления уровенной поверхности океанов (т. е. геоидической) от сфероиода невелики, вероятно, не превосходят ±100 м, что сравнительно с радиусом земного шара (около 6 370 000 м) очень немного. Но, кроме силы тяжести и центробежной силы, на положение уровенной поверхности океанов и морей влияют еще и другие причины, хотя и в гораздо меньшей степени. А именно: ветры, течения, приливы соленость и температура морской воды, обуславливающие ее разную плотность. Все эти причины, складываясь между собой, изменяют немного в каждом месте океана то положение уровенной поверхности, которое в геодезии называется поверхностью геоида.

Колебания уровня. Если наблюдать по футштоку положение уровня в каком-либо месте на берегу океана или моря, то нетрудно заметить, что оно постоянно изменяется. Подобные наблюдения, произведенные в разных местах, показали, что везде существуют периодические колебания уровня с годовым периодом, обуславливаемые главным образом климатологическими причинами; колебаниями в давлении атмосферы, температуре воды, в стоке вод с материка и в направлении господствующих ветров в разное время года; последнее в том же месте, т. е. при определенном очертании береговой линии, иногда будет повышать уровень, иногда, наоборот, понижать его. Так, например, в Кронштадте уровень всегда стоит выше осенью, нежели зимой и весной, что объясняется и увеличением стока, и господствующими западными ветрами, и, наконец, существованием ледяного покрова на Финском заливе зимой и ранней весной, уменьшающего влияние ветров на положение уровня.То же самое наблюдается, например, и в Черном море, как это видно на том же графике , где колебания уровня за год даны в среднем из 20-летних наблюдений для трех портов, расположенных на двух крайних точках моря и посередине между ними: Одесса, Поти и Севастополь. Самый высокий уровень приходится на лето (июнь), а самый низкий —на осень (октябрь—ноябрь) во всех трех портах, что указывает на влияние общей причины на колебание уровня, потому что оно имеет одинаковый характер во всем море. Такой общей причиной являются атмосферные осадки. Как в бассейнах рек, впадающих в море с севера и северо-запада, так и на самом море преобладают летние осадки, сток которых и повышает уровень. Кроме того, на уровень должно оказывать влияние количество воды, ушедшей из Черного моря на юг через Босфор верхним течением в этом проливе. Указанным путем может отекать только определенное количество воды, и, следовательно, избыток притока воды в море должен повышать его уровень. В тех местах, где существуют ветры с правильным годовым периодом, как, например, в Индийском океане муссоны, там и колебания уровня у берегов ясно следуют за периодическими сменами ветров. Например, в Адене уровень стоит высоко при NE муссоне и низко при SW, как это видно на графике В океанах и морях, имеющих приливы, уровень обнаруживает еще колебания с суши. Колебание уровня в Адене, точным и полусуточным периодом; о характере этих колебаний подробно будет сказано в главе о приливах. Если взять среднее из отсчетов- по футштоку за весь год, то мы получим отсчет, соответствующий среднему годовому уровню в данном месте. Сравнивая такие средние уровни из года в год в том же месте, заметили, что они не одинаковы, т. е., следовательно, могут существовать колебания уровня с периодами больше годового. Отсутствие достаточно продолжительных рядов хороших наблюдений не дало пока еще возможности вывести периоды таких колебаний или доказать, что наблюдаемые многолетние колебания вовсе не имеют периодического характера. Примером многолетних колебаний могут служить колебания уровня в портах Черного моря: Одесса, Севастополь, Поти и для Балтийского в Кронштадте, изображенные на следующем графике за годы с 1891 по 1911 г. На чертеже видно, что уровень во всех трех портах Черного моря в своих колебаниях из года в год очень близко следует друг за другом, повторяя общий вид кривой с некоторыми незначительными отступлениями, объясняемыми местными причинами (ветер, очертание берега, давление атмосферы). На графике видно, что в 90-х годах уровень стоял выше, нежели в последние годы; одинаковость характера колебаний на всех трех станциях подтверждает, что колебания уровня Черного моря зависят не от местных причин, а от одной общей. Колебания уровня в Кронштадте происходят иначе потому, что условия, влияющие на них в Балтийском море, иначе складываются в те же годы, нежели в Черном море. Наконец, во многих местах на берегах заметили уже давно существование изменений в положении уровня, совершающихся иногда в течение целых столетий в том же самом смысле, т. е. уровень или все повышается, или все понижается. Они происходят не от колебаний самого уровня моря, а от изменений в положении материка, к которому прикреплен футшток. Таким образом, изменение уровня тут только кажущееся. Исследования показали, что подобные изменения в положении суши могут происходить и в том, и в другом смысле, т. е. и вверх, и вниз, и на значительную величину, причем эти колебания суши охватывают иногда обширные пространства. Например, оказалось, что все юго-западное побережье Финляндии и побережье северной Швеции в Ботническом заливе медленно повышается — около 55 см в столетие. Здесь уместно указать, что все вышеизложенные выводы относительно колебаний уровня основаны на наблюдениях по футштоку, который, очевидно, должен быть в течение всего ряда наблюдений неподвижен. Чтобы обеспечить эту неподвижность при всяких обстоятельствах (порча футштока, исправление его и т. п.), нуль футштока с помощью нивелировки связывают с какой-либо чертой или точкой на берегу, установленой на фундаменте здания или на скале так,, чтобы была обеспечена неподвижность этой основной марки.
Средний уровень и его значение для науки. Из вышеизложенного видно, что уровень океанов и морей, хотя и в небольших пределах, но постоянно находится в колебании. С другой стороны, суша тоже не находится в покое и, несмотря на всю кажущуюся для нас свою незыблемость, перемещается в вертикальном направлении. Между тем практические и научные задачи требуют определения размеров возвышений на суше и глубин морей. Следовательно, необходимо было избрать какую-нибудь точку общим нулем для всех этих высот и глубин. Совершенно естественно, что с давних пор таким нулем служил уровень океана и морей; сперва измерения высот и глубин производились просто от произвольного уровня океана или моря в данный момент, а затем, по мере увеличения точности определений глубин и высот, появилась надобность точнее определять положение того уровня, к которому, как к общему нулю, относились все эти измерения. Таким основным нулем считается средний уровень океана или моря в данном месте. Чтобы получить положение такого среднего уровня в каждом месте, необходимо иметь продолжительные наблюдения над колебаниями уровня там же. Только таким образом полученный из многолетних наблюдений средний уровень сохраняет из года в год свое положение, очень мало изменяясь от прибавления новых годов наблюдений. Определив положение средних уровней в разных местах по берегам материков, уже можно с помощью точных топографических нивелировок сравнить их относительные положения в разных, даже очень удаленных местах. В России основным нулем всех высот считается нуль футштока, стоящего у Морского инженерного училища в Кронштадте. Подобные сравнения положений средних уровней у берегов материков в разных местах неоднократно были производимы и в Европе, и в Америке, и в Индии. Все эти исследования показали, что средний уровень океанов и морей, с ними соединенных, почти совершенно одинаков. Получившиеся разницы уровней очень близки по своим размерам к ошибкам самих нивелировок. Так, например, сравнение уровней Балтийского и Черного морей показало, что практически их средние уровни находятся на одной высоте. Итак, для целей океанографии можно признать, что уровень океанов и морей у берегов материков везде одинаков, так как существующие разности не превосходят 20—30 см и, следовательно, находятся в пределах точности нивелировок. Посреди же океанов уровень, как указано выше, очень немного отличается от поверхности сфероида. Сравнения положений средних многолетних уровней, произведенные в последние гады в Соединенных Штатах, выяснили, что если сравнивать положения средних многолетних уровней по параллели на восточных и западных берегах материков, например, в Соединенных Штатах уровень Атлантического и Тихого океанов, то оказывается, что у западных берегов уровни стоят выше, нежели у восточных, т. е. средний уровень Тихого океана расположен выше Атлантического в тех же широтах, и разница достигает до 0,5 м. Нивелировка, произведенная в России от Кронштадта до Владивостока (самая длинная нивелировка в мире), показала, что и тут наблюдается то же самое. Например, нивелировка поперек Соединенных Штатов Америки показала, что уровни Тихого и Атлантического океанов разнятся всего на 0,19 м. Нивелировка между Балтийским и Черным морями показала, что разность их уровней 0,25 м. Средний уровень моря у Кронштадта стоит выше такого же во Владивостоке на величину около 1,8 м. Другой интересный вывод новейших нивелировок показал, что вдоль того же берега материков положение среднего многолетнего уровня с юга на север постепенно повышается. Это получено в Северной Америке как для берегов Тихого океана, так и для Атлантического и подтверждено у нас в Советском Союзе, где тоже оказалось, что уровень Белого моря в Архангельске выше уровня Балтийского моря в Кронштадте па 0,24 м, а последний выше уровня Черного моря в Одессе на 0,88 м, т. е. разность уровней в Архангельске и в Одессе достигает 1,12 м. Чем можно было бы объяснить указанные явления — пока еще не найдено. Как видно, все эти разности положений средних многолетних уровней океана у берегов не велики по размерам и для океанографических целей не имеют особого значения.