Морские волны: природа возникновения
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.
|
|
Читайте в рубрике «Вода океана»: |
Используют речной песок
Для строительных растворов используют речной песок с доставкой в Москве.
algnm.ru