Движения морских волн и их энергия
Движение воды связано с волнами. Волны происходят главным образом под действием ветра. Ветер трется о поверхность воды, вызывая тем самым образование волн. Но переноса воды в горизонтальном направлении не происходит. «Вставая» и падая, масса воды — волна — создает впечатление движения воды вперед. На самом деле частицы воды двигаются не так. Достаточно бросить пробку, чтобы убедиться в этом. Она будет подыматься и опускаться, слегка перемещаясь вперед и назад. Частицы воды совершают во время волнения движение по вертикально поставленному кругу, внутри которого находится их центр равновесия.
При определении волны отмечают высоту волны — разность уровней подошвы и гребня; длину волны, равную расстоянию между двумя гребнями; скорость волны — расстояние, пробегаемое гребнем волны в секунду; период волны — время, в течение которого волна проходит расстояние, равное ее длине; крутизну волны — отношение высоты к ее полудлине. Кроме волн, колышущихся под действием ветра, отмечают еще волны-зыби.
Зыбью называют волны, идущие по поверхности моря в безветренную погоду. Обычно зыбь есть отголосок бывшего шторма, когда волны еще не улеглись. Зная, откуда идет зыбь, можно предсказать приближение шторма. На берегах, открытых к океану, волны-зыби бывают огромны. Так, известный прибой в Гвинейском заливе вызывает зыбь, порожденную штормами в удаленных за 4—5 тысяч километров районах Атлантического океана. Волны-зыби распространяются со скоростью около 20Q0 километров в сутки. Эти волны имеют длину около 350 метров и период около 15 секунд. Подходя на мелководье Гвинейского залива, от трения о дно они уменьшают свою скорость и длину волны, но зато сильно возвышаются и с яростью жестокого шторма обрушиваются при ясной безветренной погоде на берег. Длина волн-зыби может доходить до 824 метров с периодом в 23 секунды.
Волнение начинается с ряби. Если смотреть на поверхность моря, то оно кажется в морщинках. Высота волн ряби измеряется миллиметрами, а длина сантиметрами. Если ветер не успокоится, то из ряби разыгрываются крупные волны. Первоначально они правильной формы. Очень длинные гребни и подошва идут на равных расстояниях, как гряды. Эти волны называют двухмерными. Волны-зыби являются обычно тоже двухмерными. Но ветер редко дует ровно. Обычно имеется пульсация и неравномерность силы ветра по его фронту. Отсюда волна усложняется, создаются волны, расположенные как бы в шахматном порядке. Это волны трехмерные. Особенно часто трехмерные волны бывают, когда новые волны налегают на старые, еще не угасшие волны.
Как ни велики волны, идущие на поверхности моря, но в глубину их энергия быстро гасится. Опустившись в шторм на подводной лодке, мы уже не наблюдаем качки. На глубине, равной длине волны, высота ее будет в 535 раз меньше, т. е. практически ее уже нельзя определить. Наблюдали волны с высотою в 14,5 метра и длиною в 376 метров, но даже такая крупная волна будет на глубине в 376 метров менее трех сантиметров. Гребни на глубине располагаются под гребнями волн на поверхности.
Наиболее обычны волны до 3 метров высоты. Более высокие встречаются редко. Так, выше 6 метров волны часты в северной части Атлантического океана между Ньюфаундлендом и Англией, в северной части Тихого океана, в южной части Индийского. «Гремящими сороковыми» назвали моряки времен парусного флота антарктические воды, когда им приходилось бороться со штормами и волнами, огибая мыс Горн или плавая южнее Африки и Австралии. Наиболее спокойной зоной является северная часть Индийского океана в сезон северо-восточного муссона.
Когда нельзя определить волнение моря в метрах, часто пользуются балловой оценкой. При этом надо помнить, что баллы волнения и баллы ветра не одинаковы. Ветер определяется по 12-балльной системе, а волны по 9-балльной. Штилем называют зеркально-гладкую поверхность моря при скорости ветра менее 0,5 метра в секунду;
1 балл волнения — когда по морю идет чешуеобразная рябь, а скорость ветра до 3,3 метра в секунду; 2 балла волнения — когда образуются короткие, но уже хорошо выраженные волны, ветер до 5,2 метра в секунду. Ветер до 7,4 метра в секунду вызывает удлинение волны, а при длительном ветре во многих местах по гребню волн видны белые барашки. Такое волнение считают в 3 балла. При 4 баллах волнения волны вытянуты в длину грядами, их гребни сплошь покрыты белыми барашками, ветер до 9,8 'метра в секунду. При 5 баллах волнения вся поверхность моря покрыта белыми барашками. Отдельные волны становятся крупными. Ветер начинает свистать в снастях, его скорость доходит до 12,4 метра в секунду. Когда крупные волны начинают громоздиться, а срываемая с гребней пена ложится длинными полосами между грядами волн, тогда считают волнение в 6 баллов. Ветер при этом достигает 15,2 метра в секунду. Дальнейшее увеличение высоты волны приводит к образованию гороподобных волн. Смотря на мелкие суда, временами кажется, что они частично проваливаются в морскую пучину. Это сильное волнение оценивается в 7 баллов. Крепкий ветер достигает 18,2 метра в секунду. Переходя в шторм, ветер со скоростью от 18,2—25,1 метра в секунду вызывает массовое развитие гороподобных волн. Их длинные гребни с грохотом обрушиваются. Над морем летят сорванные с гребней волн тучи брызг. Поверхность моря становится белой от пены. Это состояние оценивается в 8 баллов. Жестокий шторм при ветре более 25 метров в секунду создает волны такой высоты, что даже у больших судов не виден корпус. Кажется, что судно «провалилось» в морскую пучину. Все вокруг насыщено брызгами, даже видимость от них уменьшается. При скорости ветра более 29 метров в секунду его называют ураганом. Но современные корабли достаточно безопасны и в этих условиях.
В высоту волны редко превышают 8—10 метров, волны около 15 метров высотой встречаются единично. Только 2—3 раза наблюдали волны высотой свыше 20 метров. Они были выше 6-этажного дома!
Энергия волн громадна. Корабль весом в 50 и более тысяч тонн волна подымает, раскачивает, как «щепку». Силу волны хорошо видно у берега. Подойдя на мелкое место, высота волны может оказаться равной глубине места. Тогда от трения волны о дно гребень опрокидывается и с силой ударяет о берег. Это называется прибоем. Сила прибоя достигает 10—15 и даже до 38 тонн на квадратный метр. Взбросы воды достигают 50 метров высоты. Прибой ломает самые крепкие породы, выбрасывает камни весом в десятки килограммов далеко от берега. Известен случай, когда бетонный массив весом в 20 тонн был поднят прибоем с глубины в 4 метра и выброшен на берег. Неправильный расчет сооружений приводит к гибели и бедствиям. Например, в Шотландии волной был опрокинут бетонный массив весом в 2600 тонн.
Разрушая берег, прибой создает особо благоприятные условия для развития оползней. Известно, какие трудности испытывают дороги, идущие вдоль побережий. Приходится затрачивать большие средства на берегоукрепительные работы. Особенно важно, чтобы они сочетались с использованием сил самой природы. Лучше всего защищает берег от разрушения пляж, состоящий из песка или гальки. Он, как подушка, гасит энергию волн. Следовательно, если имеются условия образования пляжа, то надо всячески поддерживать его сохранность. Это будет стоить значительно дешевле и будет значительно надежнее, чем дорогостоящие искусственные сооружения. Там же, где пляж не образуется естественным путем, создают условия для накопления и роста пляжа.
Кроме волн, образуемых ветром, изредка в океане появляются гигантские волны, вызванные подводным землетрясением. Эти волны носят название цунами. В море они обычно не страшны, так как благодаря необыкновенно большой длине, превышающей иногда 500 километров, корабль вдали от берега почти не ощущает прохождения такой волны. Вблизи эпицентров волны могут и в океане достигать значительной высоты. Особенно катастрофичны цунами для затерянных в океане низменных островов. Подходя -к берегу, такая масса воды образует волны гигантской высоты в 10—20—30 метров! Они смывают все, включая и почву. Распространяясь в стороны от района подводного землетрясения, волны цунами очень быстро проходят громадные расстояния. Скорость распространения волн цунами превышает 700 километров в час. Понятно, что чем дальше от очага возникновения, тем высота волны меньше. Так, во время извержения вулкана на острове Кракатау в Зондском проливе образовалась волна в 524 километра длины. Через 23 часа 30 минут волна достигла южной оконечности Америки—мьгса Горн. Войдя в Атлантический океан, она через 32 часа 30 минут достигла берегов Франции. В районе образования цунами волна имела высоту в 35 метров, у Цейлона 2,5 метра, у Капштата 25 сантиметров, у мыса Горн 18 сантиметров высоты.
Волны являются важнейшим элементом природы океанов и морей, с которыми приходится считаться человеку при строительстве портов, береговых, портовых и гидротехнических сооружений, при постановке неводов (советские конструкторы создали особые штормоустойчивые неводы) и, что особенно важно, при строительстве кораблей. При неудачной конструкции корабль может на волне переломиться. Кораблестроители учитывают размеры корабля, его скорость, вес и прочность корпуса, так чтобы волны не разломили бы корабль пополам. Волны вызывают качку корабля. Кроме того, сильная волна, «взобравшись» на палубу, может многое разломать. Перед выходом в море на корабле все закрепляется. Чтобы корабль на волне не 'перевернулся, его строят так, чтобы центр объема погруженной части располагался ниже центра тяжести корабля, При таком положении судно, наклонившись на волне в одну сторону, быстро стремится восстановить равновесие. Но при этом судно по инерции перейдет через положение равновесия и накренится на другой борт почти настолько же, насколько оно качнулось, когда волна вывела корабль из равновесия. Качка бывает не только бортовая, но и килевая, когда судно качается попеременно — подымается и опускается то нос, то корма. Идя своим курсом, корабль может испытывать одновременно и бортовую и килевую качку.
Обычно чем меньше размер судна, тем больше его качает. Период даже крупных волн редко превышает 10—15 секунд. Поэтому большие корабли с периодом собственных колебаний около 20 секунд, то есть превышающим в два раза период колебания волн, обычно будут мало качаться. Другое дело у небольших судов, имеющих период колебания около 5 секунд. Такие суда даже на небольшой волне будут сильно качаться. Особенно опасным является крен судна, превышающий критический угол, то есть такое качание, из которого судно само выйти не может. Это может произойти, когда периоды колебаний судна и волны равны друг другу. Волна будет катастрофически усиливать крен корабля. Строителям корабля приходится учитывать возможную силу, крутизну и другие особенности волн в море, чтобы .корабль не перевернулся. Когда качка корабля приближается к критическому углу крена, капитан меняет курс корабля или его скорость.
Волны относятся к тем стихийным явлениям природы, с которыми человек может бороться, например, строительством волноломов, продуманной конструкцией корабля и т. д.
|
|
Читайте в рубрике «Морские волны»: |