Моря без волн не бывает, его поверхность всегда колеблется. Иногда это лишь легкая рябь на воде, иногда ряды гребней с веселыми белыми барашками, иногда грозные валы, несущие тучи брызг. Даже самое спокойное море «дышит». Его поверхность кажется совершенно ровной и блестит как зеркало, но берег лижут тихие, едва заметные волны. Это океанская зыбь, вестник далеких штормов. Каковы же основные причины возникновения этого природного явления?
Для научных, а главное, для практических целей о волнах нужно знать все: их высоту и длину, скорость и дальность их передвижения, мощность отдельного вала и энергию волнующегося моря. Нужно знать глубину, на которой еще ощущается волновое движение воды, и высоту заброса волнами брызг.
Первые измерения волн Средиземного моря сделал в 1725 году итальянский ученый Луиджи Марсильи. На рубеже XVIII и XIX веков регулярные наблюдения за морскими волнами и их измерения проводились во время дальних плаваний по Мировому океану русскими капитанами И. Крузенштерном, О. Коцебу и В. Головиным. Этим мореплавателям и ученым приходилось довольствоваться ограниченными техническими возможностями того времени и самим разрабатывать и применять методику исследований.
В наши дни волны изучаются с помощью сложных и очень точных приборов, действующих автоматически и выдающих информацию в виде столбцов готовых цифровых данных.
Проще всего измерять волны вблизи берега на мелком месте. Для этого достаточно воткнуть в дно футшток. Имея в руках хронометр и записную книжку, легко узнать высоту волны и время между подходом двух волн. При помощи нескольких таких мерных линеек можно определить также длину волны и, таким образом, вычислить ее скорость. В открытом море дело значительно осложняется. Для этой цели приходится устраивать сложное сооружение, состоящее из большого поплавка, который затапливают на некоторую глубину и укрепляют на длинном тросе с помощью мертвого якоря. Затопленный поплавок служит местом прикрепления все той же мерной линейки.
Показания такой установки не отличаются высокой точностью, кроме того, она имеет еще один существенный недостаток: наблюдатель все время должен находиться вблизи от футштока, тогда как волны и ветер стремятся отнести его корабль в сторону. Во времена парусного флота держать судно на одном месте практически было невозможно, и потому высоту волн измеряли на ходу. С этой целью в мерную линейку превращали мачту одного из двух участвовавших в измерениях кораблей, которые на небольшом расстоянии следовали друг за другом. Наблюдатель, стоя на корме переднего корабля, следил, как гребень закрывает от него мачту второго судна, и таким образом оценивал высоту волны.
В начале ХХ века измерение высоты волн начали производить с помощью очень чувствительного барометра (альтиметра). Этот прибор точно регистрирует подъем и опускание судна на волнах, но он, к сожалению, ощущает также и всякие помехи, в частности перепады барометрического давления, которые быстро наступают и неоднократно повторяются при сильном ветре.
Гораздо точнее реагируют на волнение манометры, лежащие на дне. При прохождении волны давление над прибором меняется, а сигналы по проводам поступают на сушу или регистрируются прямо на дне самописцем. Правда, таким способом можно измерять высоту волн только на мелководье, где глубина сравнима с высотой волн. На больших глубинах в соответствии с законом Паскаля давление выравнивается и с увеличением глубины все меньше зависит от высоты волн.
Очень точные и разнообразные данные о волнах получаются в результате обработки стереоскопических фотоснимков поверхности океана. Для этого две синхронно работающие фотокамеры помещают на разных мачтах одного судна, на концах крыльев низко летящего над морем самолета или даже на двух самолетах, идущих параллельным курсом. Путем фотограммометрической обработки снимков восстанавливают рельеф моря в момент фотографирования. Получается как бы картина застывших волн. На этом парадоксальном макете волнующегося, но неподвижного моря производят любые нужные измерения.
Главная сила, вызывающая волнения,— это ветер. В тихую погоду, особенно по утрам, поверхность моря кажется зеркальной. Но стоит подняться хотя бы самому слабому ветру, как за счет трения воздуха о поверхность воды в нем возникают завихрения. В результате образования вихрей над гладкой водной поверхностью давление становится неравномерным, что приводит к ее искажению — появляется рябь. За вершинами ряби процесс вихреобразования усиливается, и в конце концов это приводит к образованию волн, распространяющихся в направлении ветра.
Слабый ветер вызывает возмущение лишь тончайшего слоя воды; волновой процесс при этом определяется поверхностным натяжением. При усилении ветра, когда длина волнышек достигает примерно 17 миллиметров, сопротивление поверхностного натяжения оказывается преодоленным и волны становятся гравитационными. В этом случае ветру приходится вести борьбу с действием силы тяжести. Если ветер переходит в шторм, волны достигают гигантских размеров.
Еще долго, после того как ветер уляжется, море продолжает волноваться, образуя зыбь. В зыбь также превращаются ветровые волны, когда они выходят за пределы области, где свирепствует ураган. Низкие и длинные волны зыби незаметны в открытом море. Подойдя к отмели, они делаются выше и короче, образуя у берега мощный прибой. На обширной акватории океана то там, то здесь всегда бушует буря. Волны зыби разбегаются от нее во все стороны на огромное расстояние, и потому у океанских берегов накат никогда не прекращается.
При обтекании волновой поверхности потоками воздуха возникают инфразвуки, которые академик В. Шулейкин назвал «голосом моря». Инфразвуки, зарождаясь над волнами в результате срыва вихрей с гребней волн, распространяются в воздухе со скоростью звука, то есть быстрее волн. Из-за низкой частоты «голос моря» слабо поглощается атмосферой и на большом расстоянии может быть уловлен специальными приборами. Эти инфразвуковые сигналы служат предупреждением о приближающемся шторме.
Высота волн в открытом море может достигать значительной величины, и зависит она, как это было уже сказано, от скорости ветра. Самая высокая волна, которую удалось измерить в Атлантическом океане, оказалась равной 18,3 метра.
В 1956 году в юго-западной части Тихого океана на советском судне «Обь», совершающем регулярные научные рейсы в Антарктику, также были зарегистрированы волны высотой 18 метров. В тайфунах Тихого океана отмечены грандиозные волны тридцатиметровой высоты.
Человеку, стоящему на палубе судна в бушующем море, волны кажутся очень крутыми, нависающими подобно стенам. На самом деле они пологие. Обычно длина волны в 30—40 раз больше ее высоты, лишь в редких случаях соотношение высоты волны к ее длине равно 1:10. Таким образом, наибольшая крутизна волн в открытом море не бывает больше 18 градусов.
Длина штормовых волн не превышает 250 метров. В соответствии с этим скорость их распространения достигает 60 километров в час. Волны зыби, как более длинные (до 800 метров и более), катятся со скоростью около 100 километров в час, а иногда и еще быстрее.
Нужно иметь в виду, что с этой гигантской скоростью перемещается не водная масса, образующее волну, а лишь ее форма, более строго — энергия волны. Частица воды в волнующемся море совершает не поступательные, а колебательные движения. Причем колеблется она одновременно в двух направлениям. В вертикальной плоскости ее колебания объясняются различием в уровнях между гребнем волны и ее подошвой. Они возникают под воздействием гравитационных сил. Но так как при опускании гребня до уровня подошвы вода отжимается в стороны, а при его вздымании возвращается на прежнее место, то частице воды невольно совершает колебательные движения также и в горизонтальной плоскости. Сочетание того и другого движений приводит к тому, что фактически частицы воды движутся по круговым орбитам, диаметр которых у поверхности равен высоте волны. Точнее, они описывают спирали, поскольку под воздействием ветра вода получает также и поступательное движение, благодаря которому, как было сказано, возникают морские течения.
Только скорость движения частиц по орбитам значительно превышает скорость перемещения центров этих орбит в направлении ветра.
Колебательные движения частиц воды быстро убывают с глубиной. Когда высота волны равна 5 метрам (средняя высота волн при шторме), а длина 100 метрам, то уже не глубине 1 2 метров диаметр волновой орбиты водных частиц равен 2,5 метра, а на глубине 100 метров — всего 2 сантиметра.
Короткие крутые волны меньше возмущают глубинные воды, чем волны длинные и пологие. Чем длиннее волна, тем глубже ощущается ее движение. Иногда рыбаки, ставившие свои ловушки для омаров в Ла-Манше на глубине 50—60 метров, после шторма находили я них полукилограммовые камни. Ясно, что это не были шутки омаров: камни в ловушку закатывают глубинные волны. На некоторых подводных фотографиях дне вплоть до глубины 180 метров можно видеть песчаную рябь, образовавшуюся в результате колебательных движений придонных слоев воды. Значит, и на такой глубине еще ощущается волнение поверхности океана.
Под влиянием ветра в поверхностных слоях моря накапливается огромное количество энергии, которая пока никак не утилизируется.
Штормовые волны высотой 5 метров и длиной 100 метров на каждом метре своего гребня развивают мощность свыше трех тысяч киловатт, а энергия квадратного километра бушующего моря измеряется миллиардами киловатт в секунду. Если будет найден способ использования энергии волнового движения океана, человечество навсегда избавится от угрозы энергетического кризиса. А пока эта грозная сила приносит людям одни неприятности. Речь идет совсем не о таких пустяках, как морская болезнь, хотя многие испытавшие ее не разделяют это мнение. Штормовые волны, даже очень пологие, представляют собой грозную опасность для современных океанских судов, крен которых во время качки достигает такой величины, что судно может перевернуться.
Примеров тому несчетное множество. Л. Титов в своей книге «Ветровые волны на океанах и морях» приводит данные о жертвах, поглощенных морем 5—8 декабря 1929 года.
В течение четырех дней 10—12-балльный шторм бушевал у берегов Европы. В первые же сутки громадная волна перевернула у берегов Англии пароход «Дункан» водоизмещением 2400 тонн. Затем был залит волнами и затонул у берегов Голландии плавучий док водоизмещением 11 тысяч тонн. В волнах Ла-Манша затонули со всем экипажем два парохода водоизмещением 5 и 8 тысяч тонн, погиб со всем экипажем английский пароход «Волумниа» водоизмещением 6600 тонн, а также еще несколько десятков маленьких судов. Даже огромные трансатлантические лайнеры были сильно потрепаны.
В такую погоду иногда не выдерживают даже привычные к морским невзгодам матросы, можно представить себе, каково же приходится простым пассажирам, о переживаниях которых очень хорошо сказал Редьярд Киплинг: «Если в стеклах каюты зеленая тьма, и брызги взлетают до труб, и встают поминутно то нос, то корма, а слуга, разливающий суп, неожиданно валится в куб, если мальчик с утра не одет, не умыт и мешком на полу его няня лежит, а у мамы от боли трещит голова, и никто не смеется, не пьет и не ест,— вот тогда нам понятно, что значат слова: сорок Норд, пятьдесят Вест!»
Теперь многие океанские суда оборудованы успокоителями качки. В случае необходимости из подводной части корпуса выдвигаются четыре крыла, похожие на плавники рыбы. В нескольких местах на судне установлены измерители крена, и их показания по проводам поступают в специальное счетно-решающее устройство, которое и управляет движением подводных крыльев. Стоит судну чуть накрениться на борт, как крылья приходят в движение. Повинуясь сигналам, каждое из них поворачивается на определенный угол, и их совместные действия выравнивают положение корпуса.
Работа успокоителей несколько замедляет скорость хода, но не дает судну валиться с борта на борт, хотя от килевой качки они, к сожалению, не избавляют.
В практике судовождения для успокоения разбушевавшегося моря с древних времен использовался довольно простой, но очень верный прием. Известно, что вылитая за борт маслянистая жидкость мгновенно растекается по поверхности и сглаживает волны, а также снижает их высоту. Наилучшие результаты дает животный жир, например китовая ворвань. Менее вязкие растительные и минеральные масла действуют значительно слабее.
Механизм воздействия маслянистых жидкостей на волны был разгадан академиком В. Шулейкиным. Он установил, что даже тонкий слой масляной пленки поглощает значительную часть энергии колебательных движений воды.
По этой же причине волнение уменьшается во время сильного ливня или града, а также в зоне плавучих льдов. Лед, град и дождевые капли задерживают орбитальные движения водных частиц и «гасят» волнение. В настоящее время в связи с необходимостью заботиться о чистоте океана выливание за борт бочек с маслом уже не практикуется.
Массу неприятностей, иногда переходящих в настоящие бедствия, волны приносят берегу. Даже молы, дамбы и волноломы не всегда оберегают гавани. Они надежно закрывают вход относительно коротким штормовым волнам, но пологие зыбины высотой всего 30—40 сантиметров проникают в гавань беспрепятственно, и тогда вся вода в ней приходит в движение. Суда, стоящие на якоре, начинают беспорядочно дергаться, поворачиваться корпусом то поперек, то против ветра, сталкиваются между собой. А те, что стоят у причала, рвут швартовы.
При приближении к берегу волна изменяет свою форму и высоту, так как начинает «чувствовать» дно. С этого момента ее передний склон становится все круче и круче, делается совершенно отвесным, наконец гребень начинает нависать вперед и обрушивается на отмель каскадом брызг и пены.
На больших глубинах в волновой процесс вовлекаются значительные массы воды даже при не очень высокой волне. Когда такая волна выходит на мелководье, масса воды уменьшается, энергия же, если пренебречь потерями на трение, остается прежней, при этом амплитуда волны должна увеличиться. Частицы воды, образующие волну, при подходе к берегу изменяют орбиту своего движения: из круговой она постепенно становится эллипсообразной с большой горизонтальной осью. У самого дна эти эллипсы настолько вытягиваются, что частицы воды начинают двигаться горизонтально взад и вперед, неся с собой песок и камни. Каждый, кто купался во время прибоя, знает, как больно эти камни бьют по ногам. Если прибой достаточно силен, он несет с собой валуны, способные сбить человека с ног.
В беду могут попасть даже люди, находящиеся на суше. В 1938 году ураганные волны навсегда унесли с берега Англии около 600 человек. В 1953 году при аналогичных обстоятельствах в Голландии погибло 1500 человек.
Не менее трагичные последствия вызывают так называемые одиночные барические волны, возникающие в результате резкого перепада атмосферного давления. Пройдя несколько сотен, а то и тысяч километров от места зарождения, такая волна неожиданно обрушивается на берег, все смывая на своем пути. В 1 900 году одиночная волна, обрушившаяся на побережье североамериканского штата Техас, в одном только городе Гальвестоне унесла в море 6 тысяч человек. От такой же волны в 1932 году погибло 2500 человек —более половины жителей маленького кубинского городка Санта-Крус-дель-Сур. В сентябре 1935 года барическая одиночная волна высотой 9 метров накатилась на берег Флориды, унеся с собой 400 человеческих жизней.
Давно известно, что даже самые грозные силы природы человек может использовать с выгодой для себя. Так, жители Гавайских островов, разгадав характер накатных волн прибоя, сумели «оседлать» их. Возвращаясь с рыбной ловли, они приближаются к зоне бурунов, ловко ставят лодку на гребень волны, которая в считанные минуты выносит их на берег.
Катание на прибойных волнах — это также и старинный национальный спорт островитян. Из широкой, двухметровой длины доски с закругленными краями изготовляется водная лыжа. Пловец ложится на нее и гребет руками в сторону моря. Преодолеть таким способом накат очень трудно, но местные жители хорошо знают места так называемых разрывных течений и умело ими пользуются.
Разрывные течения представляют собой побочный результат прибоя, благодаря которому уровень воды у самого берега несколько повышается. Скопившаяся вода стремится уйти обратно в море, но ее оттоку препятствуют новые набегающие волны. До бесконечности это продолжаться не может, рано или поздно нагонные воды разрывают в отдельных местах волны прибоя и быстрым узким потоком устремляются навстречу им в открытое море.
Неопытный пловец, попав в разрывное течение и видя, что его уносит от берега, старается плыть навстречу, но вскоре устает и тогда легко становится жертвой моря. Между тем спастись очень легко, для этого достаточно проплыть несколько метров не к берегу, а вдоль него и выйти из опасной зоны.
Спортсмены на досках по разрывным течениям за несколько минут уходят за пределы бурунов и там поворачивают обратно. Уловив момент, когда гребень разрушающейся волны начинает расти, покрываясь белой пеной, отважный пловец устремляется на него и встает на доске в полный рост. Ловко управляя своим спортивным снарядом, он стремительно несется на гребне волны, окруженный потоками клокочущей пены. Этот вид спорта привился также и в Австралии, где пловцы на досках не только развлекаются — ими спасено много людей, которые подверглись которые подверглись нападениям акул или начали тонуть.
Волны – понятие из «арсенала» физики. Чтобы проще и доходчивее объяснить, что это такое, можно привести пример, казалось бы далекий от темы.
…Коронация Екатерины II происходила в Москве. Новоиспеченная императрица пожелала, чтобы о торжественном моменте возвестили салютом в Санкт-Петербурге, но как передать сигнал? Ведь тогда не существовало ни Интернета, ни телефона, ни даже телеграфа. И все же выход был найден: от Москвы до Санкт-Петербурга расставили солдат с флажками в руках на расстоянии прямой видимости друг от друга. В нужный момент первый солдат поднял флажок, следующий, увидев это, сделал то же самое и т.д. Сигнал был получен в Санкт-Петербурге менее, чем через четверть часа!
Что мы видим в данном случае? Ни один человек не перемещался, но перемещалось, передаваясь от человека к человеку, определенное состояние. Если нечто подобное происходит в некой среде (твердой, жидкой или газообразной) или же в электромагнитном поле – не происходит перемещения материи, но перемещается определенное изменение физических характеристик – это называется волной (это будет еще понятнее, если мы снова вспомним выражение, далекое от физики: «По стране прокатилась волна забастовок» – опять же, «прокатилось» изменение состояния).
Частный случай волны – это те колебательные возмущения, которые распространяются в толще воды или по ее поверхности.
У любой волны есть вершина (самая высокая точка ее гребня), подошва (самая низкая точка ложбины), высота (превышение вершины), длина (расстояние между вершинами гребней двух смежных волн), период (временной интервал, за который волна пройдет расстояние, равное ее длине) и крутизна (соотношение высоты и длины волны). Также оценивается скорость, с которой волна перемещается в том направлении, в котором она распространяется.
Причины образования волн на поверхности морей и океанов многообразны. Чаще всего можно наблюдать ветровые волны. Их размер и форма не отличаются упорядоченностью, за малой волной вполне может последовать большая, гребни волн не обязательно перемещаются в направлении ветра. Это связано с тем, что ветер, образующий волны, имеет вихревой, турбулентный характер. Размер ветровых волн зависит не только от скорости ветра, но и от его продолжительности.
Ветер – не единственная причина возникновения морских волн. Существуют приливные волны. Вопреки распространенному заблуждению, они появляются не потому, что Луна «притягивает» воду, а потому, что Земля вместе со своей водной оболочкой «растягивается» между самой отдаленной от Луны точкой и самой близкой к ней, это происходит из-за разницы в гравитационном притяжении между этими двумя точками.
Барические волны возникают из-за резких перепадов атмосферного давления. Это бывает там, где проходит циклон, особенно тропический. Если такие волны совпадут с высокими приливными – жди беды! Особенно часто такое случается на побережье Флориды, Японии, Китая, Индии, на Антильских островах.
Особенно опасны для моряков глубинные волны. Они возникают там, где есть два слоя воды с разными свойствами, и происходит их смешение – например, поблизости от тающих льдов или в проливах.
Волны цунами образуются при землетрясениях на морском дне. Японское происхождение названия не случайно – это страна особенно часто страдает от такого стихийного бедствия.
Когда прекращается действие ветра, сейсмических толчков и прочих сил, вызывающих волны, во внутренних морях и заливах по инерции возникают стоячие волны большого периода – сейши. Так, на Азовском море период таких волн может достигать 23 часов.
Наконец, существуют корабельные волны. Ведь проходящее по морю судно тоже вызывает возмущение водой среды, а значит – и образование волн.
Существуют многочисленные теории образования волн. Ни одна из теорий не описывает явление полностью, но поскольку практический интерес представляют следствия, а не причины, то такое состояние науки не должно нас особенно беспокоить. На начальной стадии волны вызываются, видимо, трением между движущимся воздушным потоком и неподвижной поверхностью воды. Вода замедляет воздушный поток, вызывая в нем вихри, при этом поверхность воды становится неровной, на ней образуется рябь Возникает порочный круг: из-за того, что поверхность воды стала неровной, трение увеличивается и усиливаются вихри над поверхностью воды.
Сразу после образования волн начинает работать так называемый механизм экранирования Джеффриса, согласно которому воздушный Поток над крупными волнами существенно искажается. Это влияет на парус маленьких яхт типа швертботов-одиночек. Согласно теории Джеффриса, поток воздуха давит на наветренный склон волны, более или менее плавно поднимается по склону и на гребне направлен несколько вверх, а затем, падая, давит на склон следующей волны; разрыв под гладким воздушным потоком на наветренном склоне волны заполняется турбулентным вихрем таким образом, что эта часть волны экранируется от действия ветра. Рисунок 27 помогает понять этот механизм*.
Теория Джеффриса не является полностью справедливой, так как в ней не учитывается скорость самых быстрых волн, которые могут двигаться со скоростью ветра или еще быстрее, тогда как обычно при устойчивом в течение значительного времени ветре волны движутся со скоростью, составляющей примерно 3 / 4 от скорости ветра. Тем не менее в образовании более медленных волн механизм экранирования играет важную роль Восходящие потоки воздуха над гребнями используют парящие морские птицы.
Теоретически рябь появляется при ветре около 2 узлов, но при этом настоящие волны не образуются и не поддерживается существование уже сформировавшихся волн, уходящих в районы с меньшей скоростью ветра Если ветер, образовавший рябь, стих, то поверхность воды опять становится гладкой как зеркало.
Следовательно, темные полосы ряби в тихий день являются хорошим индикатором скорости ветра у поверхности воды, хотя это не обязательно означает, что там, где ветровых полос нет, несколько выше поверхности воды ветер отсутствует. Для яхтсмена наблюдение за ветровыми полосами в штиль очень важно, но эти полосы не всегда являются безошибочными признаками лучшего парусного ветра, так как яхту движет ветер не у самой поверхности, а несколько выше.
Необходимо подчеркнуть, что рябь вызывается относительным движением воды и воздуха непосредственно над поверхностью. Поэтому при наличии течения рябь может образовываться при штиле. Таким образом, темные полосы на воде не всегда говорят о ветре, в равной степени они могут быть следствием течения. Необходимо также отметить, что ветер, при котором обычно появляется рябь, не образует ее, если вода движется примерно в том же направлении и с той же скоростью, что и воздух При таких условиях гладкие участки водной поверхности могут означать наличие попутного течения. Аналогично, если легкий ветер дует в направлении течения, а ери штиле течение уже образовало рябь, то ветер может ее уничтожить. Следовательно, используя рябь как индикатор наличия ветра или течения, необходимо помнить все перечисленные обстоятельства. (См также с. 71-76.)
На размеры волн влияет расстояние, на котором развивались ветровые волны. Это расстояние называется разгоном ветра (или волн). Для понимания влияния разгона на волны рассмотрим, как на них действует волнолом Один и тот же ветер может быть как до, так и после волнолома, но волнение будет существенно различным За волноломом оно образовано ветром при ограниченном разгоне и поэтому относительно невелико и может быть безопасным.
На образование волн влияет также вязкость: в натурных условиях крупные волны при скоростях ветра менее 8 узлов образуются редко. Непрерывное воздействие усиливающегося ветра формирует большие волны, но затем диссипация и турбулентность ограничивают размеры волн, и дальнейшая энергия, поступающая от ветра, расходуется только на увеличение их длины и скорости. Например, известно, что при сильном шквале образуются крутые, беспорядочные маленькие волны, которые, в отличие от сравнительно высоких волн, не имели достаточно времени, чтобы достигнуть значительной длины или скорости.
Зыбь
Абсолютно правильные большие волны сравнительно редки даже в открытом океане, в прибрежных водах они встречаются еще реже. Волны, образованные сильными ветрами, затухают медленно и поэтому проходят большие расстояния; такие волны, которые движутся без помощи ветра, называют зыбью. Очень часто в одном и том же районе одновременно могут наблюдаться две или три системы зыби. Часто при местном ветре на гребнях зыби образуются волны меньших размеров и другого направления. Все это может происходить в открытом море, в сотнях миль от суши, поэтому легко представить сложную картину интерференции на мелководье у подветренного берега и при наличии течений.
Достаточно странно и, вероятно, противоречит распространенному представлению мое мнение о том, что волнение на соревнованиях швертботов и других маленьких яхт часто более регулярно, чем в центре Атлантики; причина заключается в ограниченности разгонов в районах соревнований, поэтому волны здесь молодые, следовательно, совпадают с наблюдающимся ветром и не «перепутаны» с волнами, зародившимися в других районах.
Хорошо известно, что зыбь, образовавшаяся при сильном ветре, может существовать долго после того, как ветер стих. Неудивительно, что скорость зыби очень часто существенно превышает скорость местного ветра. Менее известно (об этом мы уже упоминали), что при достаточно большом разгоне и устойчивом ветре скорость волн может быть значительно больше скорости породившего их ветра. Имеется запись волн со скоростью 60 узлов; 30 узлов- скорость вполне обычная.
Волнение представляет собой такую форму периодического непрерывно меняющегося движения, при котором частицы воды совершают колебания около своего положения равновесия.
Если из-за какой-либо причины частицы воды будут выведены из положения равновесия, то под влиянием силы тяжести они будут стремиться восстановить нарушенное равновесие. Приэтом каждая водная частица будет совершать колебательное движение относительно положения равновесия, не перемещаясь вместе с видимой формой движения волн.
Волны могут возникать под действием разных причин (сил). В зависимости от происхождения, т. е. от вызвавших нх причин, различают следующие виды морских волн.
- Волны трения (илн фрикционные). К этим волнам принадлежат в первую очередь ветровые, возникающие при действии ветра на поверхность моря. К ним относятся также так называемые внутренние, или глубинные, волны, которые возникают на глубинах при перемещении слоя воды одной плотности над слоем вочы другой плотности.
- Барические волны возникают при колебаниях атмосферного давления. Колебания атмосферного давления вызывают поднятия и опускания водных масс, при которых частицы воды стремятся занять новые положения равновесия, но, достигнув их, совершают по инерции колебательные движения.
- Приливо-отливные волны возникают под влиянием явления приливов и отливов.
- Сейсмические волны образуются при землетрясениях и вулканических извержениях. Если очаг землетрясения расположен под водой или же поблизости от берега, то колебания передаются водным массам, вызывая в них сейсмические волны, которые называются еще цунами.
- Сейши. В морях, озерах, водохранилищах, кроме колебания водных частиц в виде поступательных волн, нередко наблюдаются периодические колебания частиц воды только в вертикальном направлении. Такие волны называются сейшами. При сейшах происходят колебания, похожие по своему характеру на колебания, в периодически покачиваемом сосуде. Самый простой вид сейш возникает, когда уровень воды поднимается у одного края водоема и одновременно опускается у другого. При этом по середине водоема наблюдается линия, вдоль которой частицы воды не имеют вертикальных перемещений, а движутся горизонтально. Эта линия называется узлом сейша. Более сложные сейши бывают двухузловымн, трехузловыми и т. д.
Волна (Wave, surge, sea) - образуется благодаря сцеплению частиц жидкости и воздуха; скользя по гладкой поверхности воды, поначалу воздух создаёт рябь, а уже затем, действует на ее наклонные поверхности, развивает постепенно волнение водной массы. Опыт показал, что водяные частицы не имеют поступательного движения; перемещается только вертикально. Морскими волнами называют движение воды на морской поверхности, возникающее через определённые промежутки времени.
Высшая точка волны называется гребнем или вершиной волны, а низшая точка - подошвой . Высотой волны называется расстояние от гребня до её подошвы, а длина это расстояние между двумя гребнями или подошвами. Время между двумя гребнями или подошвами называется периодом волны.
Основные причины возникновения
В среднем высота волны во время шторма в океане достигает 7-8 метров, обычно может растянуться в длину - до 150 метров и до 250метров во время шторма.
В большинстве случаев морские волны образуются ветром.Сила и размеры таких волн зависят от силы ветра, а так-же его продолжительности и «разгона» - длины пути, на котором ветер действует на водную поверхность. Иногда волны, которые обрушиваются на побережье, могут зарождаются за тысячи километров от берега. Но есть ещё много других факторов возникновения морских волн: это приливообразующие силы Луны, Солнца, колебания атмосферного давления, извержения подводных вулканов, подводных землетрясений, движением морских судов.
Волны, наблюдаемые и в других водных пространствах, могут быть двух родов:
1) Ветровые , созданные ветром, принимающие по прекращении действия ветра установившийся характер и называемые установившимися волнами, или зыбью; Ветровые волны создаются вследствие воздействия ветра (передвижение воздушных масс) на поверхность воды, то есть нагнетания. Причина колебательных движений волн становится легко понятна, если заметить воздействие того же ветра на поверхность пшеничного поля. Хорошо заметна непостоянность ветровых потоков, которые и создают волны.
2) Волны перемещения , или стоячие волны, образуются в результате сильных толчков на дне при землетрясениях или возбужденные, например, резким изменением давления атмосферы. Данные волны носят также название одиночных волн.
В отличие от приливов, отливов и течений волны в не перемещают массы воды. Волны идут, но вода остается на месте. Лодка, которая качается на волнах, не уплывает вместе с волной. Она сможет немного переместиться по наклонной, только благодаря силе земной гравитации. Частицы воды в волне движутся по кольцам. Чем дальше эти кольца от поверхности, тем меньше они становятся и, наконец, исчезают совсем. Находясь в субмарине на глубине 70-80 метров, вы не ощутите действие морских волн даже при самом сильном шторме на поверхности.
Виды морских волн
Волны могут проходить огромные расстояния, не изменяя формы и практически не теряя энергии, долго после того, как вызвавший их ветер утихнет. Разбиваясь о берег, морские волны высвобождают огрмную энергию, накопленную за время странствия. Сила непрерывно разбивающихся волн по-разному изменяет форму берега. Разливающиеся и накатывающиеся волны намывают берег и поэтому называются конструктивными . Волны, обрушивающиеся на берег, постепенно разрушают его и смывают защищающие его пляжи. Поэтому они называются деструктивными .
Низкие, широкие, закругленные волны вдали от берега называются зыбью. Волны заставляют частички воды описывать кружки, кольца. Размер колец уменьшается с глубиной. По мере приближения волны к покатому берегу частицы воды в ней описывают все более сплющенные овалы. Приближаясь к берегу, морские волны больше не могут замкнуть свои овалы, и волна разбивается. На мелководье частицы воды больше не могут замкнуть свои овалы, и волна разбивается. Мысы образованы из более твердой породы и разрушаются медленнее, чем соседние участки берега. Крутые, высокие морские волны подтачивают скалистые утесы у основания, образуя ниши. Утесы порой обрушиваются. Сглаженная волнами терраса - это все, что остается от разрушенных морем скал. Иногда вода поднимается по вертикальным трещинам в скале до вершины и вырывается на поверхность, образуя воронку. Разрушительная сила волн расширяет трещины в скале, образуя пещеры. Когда волны подтачивают скалу с двух сторон, пока не соединятся в проломе, образуются арки. Когда верх арки падает в море, остаются каменные столбы. Их основания подтачиваются, и столбы обрушиваются, образуя валуны. Галька и песок на пляже - это результат эрозии.
Деструктивные волны постепенно размывают берег и уносят песок и гальку с морских пляжей. Обрушивая всю тяжесть своей воды и смытого материала на склоны и обрывы, волны разрушают их поверхность. Они вжимают воду и воздух в каждую трещину, каждую расщелину, часто с энергией взрыва, постепенно разделяя и ослабляя скалы. Отколовшиеся обломки скал используются для дальнейшего разрушения. Даже самые твердые скалы постепенно уничтожаются, и суша на берегу изменяется под действием волн. Волны могут разрушать морской берег с поразительной быстротой. В графстве Линкольншир, в Англии, эрозия (разрушение) надвигается со скоростью 2 м в год. С 1870 г., когда был построен самый большой в США маяк на мысе Гаттерас, море смыло пляжи на 426 м в глубину побережья.
Цунами
Цунами - это волны огромной разрушительной силы. Они вызываются подводными землетрясениями или извержениями вулканов и могут пересекать океаны быстрее, чем реактивный самолет: 1000 км/ч. В глубоких водах они могут быть ниже одного метра, но, приближаясь к берегу, замедляют свой бег и вырастают до 30-50 метров, прежде чем обрушиться, затопляя берег и сметая все на своем пути. 90% всех зарегистрированных цунами отмечено в Тихом океане.
Наиболее распространённые причины.
Около 80% случаев зарождения цунами являются подводные землетрясения . При землетрясении под водой происходит взаимное смещение дна по вертикали: часть дна опускается, а часть приподнимается. На поверхности воды происходят колебательные движения по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню, - среднему уровню моря, - и порождает серию волн. Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Цунамигенным (то есть порождающим волну цунами) обычно является землетрясение с неглубоко расположенным очагом. Проблема распознавания цунамигенности землетрясения до сих пор не решена, и службы предупреждения ориентируются на магнитуду землетрясения. Наиболее сильные цунами генерируются в зонах субдукции. Также, необходимо чтобы подводный толчок вошёл в резонанс с волновыми колебаниями.
Оползни . Цунами такого типа возникают чаще, чем это оценивали в ХХ веке (около 7 % всех цунами). Зачастую землетрясение вызывает оползень и он же генерирует волну. 9 июля 1958 года в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйя возник оползень. Масса льда и земных пород обрушилась с высоты 1100 м. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высоты более 524 м. Подобного рода случаи достаточно редки и, не рассматриваются в качестве эталона. Но намного чаще происходят подводные оползни в дельтах рек, которые не менее опасны. Землетрясение может быть причиной оползня и, например, в Индонезии, где очень велико шельфовое осадконакопление, оползневые цунами особенно опасны, так как случаются регулярно, вызывая локальные волны высотой более 20 метров.
Вулканические извержения составляют примерно 5% всех случаев цунами. Крупные подводные извержения обладают таким же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических взрывах образуются не только волны от взрыва, но вода также заполняет полости от извергнутого материала или даже кальдеру, в результате чего возникает длинная волна. Классический пример - цунами, образовавшееся после извержения Кракатау в 1883 году. Огромные цунами от вулкана Кракатау наблюдались в гаванях всего мира и уничтожили в общей сложности более 5000 кораблей, погибло около 36 000 человек.
Признаки появления цунами.
- Внезапный быстрый отход воды от берега на значительное расстояние и осушка дна. Чем дальше отступило море, тем выше могут быть волны цунами. Люди, которые находятся на берегу и не знающие об опасности , могут остаться из любопытства или для сбора рыбы и ракушек. В данном случае необходимо как можно скорее покинуть берег и удалиться от него на максимальное расстояние - таким правилом следует руководствоваться, находясь, например, в Японии, на Индоокеанском побережье Индонезии, Камчатке. В случае телецунами волна обычно подходит без отступления воды.
- Землетрясение . Эпицентр землетрясения находится, как правило, в океане. На берегу землетрясение обычно гораздо слабее, а часто его нет вообще. В цунамоопасных регионах есть правило, что если ощущается землетрясение, то лучше уйти дальше от берега и при этом забраться на холм, таким образом заранее подготовиться к приходу волны.
- Необычный дрейф льда и других плавающих предметов, образование трещин в припае.
- Громадные взбросы у кромок неподвижного льда и рифов, образование толчеи, течений.
Волны-убийцы
Волны-убийцы (Блужда́ющие во́лны, волны-монстры, freak wave - аномальная волна) - гигантские волны, возникающие в океане, высотой более 30 метров, обладают несвойственным для морских волн поведением.
Еще каких-то 10-15 лет назад ученые считали истории моряков об исполинских волнах-убийцах, которые возникают из ниоткуда и топят корабли, всего лишь морским фольклором. Долгое время блуждающие волны считались выдумкой, так как они не укладывались ни в одну существовавшую на то время математические модели расчётов возникновения и их поведения, потому как волны высотой более 21 метра в океанах планеты Земля не могут существовать.
Одно из первых описаний волны-монстра относится к 1826 году. Её высота была более 25 метров и заметили её в Атлантическом океане недалеко от Бискайского залива. Этому сообщению никто не поверил. А в 1840 году мореплаватель Дюмон д"Юрвиль рискнул явиться на заседание Французского географического общества и заявить, что своими глазами видел 35-метровую волну. Присутствующие подняли его на смех. Но историй о громадных волнах-призраках, которые появлялись внезапно посреди океана даже при небольшом шторме, и своей крутизной походили на отвесные стены воды, становилось все больше.
Исторические свидетельства "волн-убийц"
Так, в 1933 году корабль ВМС США "Рамапо" попал в шторм в Тихом океане. Семь суток корабль бросало по волнам. А утром 7 февраля сзади внезапно подкрался невероятной высоты вал. Вначале судно швырнуло в глубокую пропасть, а потом подняло почти вертикально на гору пенящейся воды. Экипаж, которому посчастливилось выжить, зафиксировал высоту волны - 34 метра. Двигалась она со скоростью 23 м/сек, или 85 км/ч. Пока что это считается самой высокой когда-либо измеренной волной-убийцей.
Во время Второй мировой войны, в 1942 году, лайнер "Королева Мария" вез 16 тыс. американских военных из Нью-Йорка в Великобританию (между прочим, рекорд по количеству человек, перевозимых на одном судне). Неожиданно возникла 28-метровая волна. "Верхняя палуба была на обычной высоте, и вдруг - раз! - она резко ушла вниз", - вспоминал доктор Норвал Картер, находившийся на борту злополучного корабля. Корабль накренился под углом 53 градуса - если бы угол составил хотя бы на три градуса больше, гибель была бы неизбежной. История "Королевы Марии" легла в основу голливудского фильма "Посейдон".
Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые приборно зафиксирована волна высотой в 25,6 метров, названная волной Дропнера. Проект "Максимальная волна" позволил по-новому посмотреть на причины гибели сухогрузов судов, которые перевозили контейнеры и другие немаловажные грузы. Дальнейшие исследования зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 20 метров. Новый проект получил название Wave Atlas (Атлас волн), в котором предусматривается составление всемирной карты наблюдавшихся волн-монстров и её последующую обработку и дополнение.
Причины возникновения
Существует несколько гипотез о причинах возникновения экстремальных волн. Многие из них лишены здравого смысла. Наиболее простые объяснения построены на анализе простой суперпозиции волн разной длины. Оценки, однако, показывают, что вероятность экстремальных волн в такой схеме оказывается слишком мала. Другая заслуживающая внимания гипотеза предполагает возможность фокусировки волновой энергии в некоторых структурах поверхностных течений. Эти структуры, однако, слишком специфичны для того, чтобы механизм фокусировки энергии мог объяснить систематическое возникновение экстремальных волн. Наиболее достоверное объяснение возникновения экстремальных волн должно основываться на внутренних механизмах нелинейных поверхностных волн без привлечения внешних факторов.
Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. Дальнейшее исследование привлекает эффекты нелинейности в ветровых волнах, способные приводить к образованию небольших групп волн (пакетов) или отдельных волн (солитонов), способных проходить большие расстояния без значительного изменения своей структуры. Подобные пакеты также неоднократно наблюдались на практике. Характерными особенностями таких групп волн, подтверждающими данную теорию, является то, что они движутся независимо от прочего волнения и имеют небольшую ширину (менее 1 км), причем высоты резко спадают по краям.
Впрочем, полностью прояснить природу аномальных волн пока не удалось.
