Волнение

Волны в море — это колебательные движения жидкости в некотором слое. И хотя широко распространены такие выражения, как «волна бежит», «быстрый, как волна» или «волна принесла», они неточны. Частицы воды при этом процессе совершают периодические колебания около положения своего равновесия и никуда не бегут. Условно их можно уподобить волнам ржи, над которой проносится ветер, — на поверхности такого поля колосья приходят в движение. А движение в ту или иную сторону на поверхности моря создает течение, если волнение было вызвано ветром. Ветер и есть одна из главных причин, порождающих короткие морские волны. Приливы вызывают длинные волны. Изменение атмосферного давления приводит к образованию так называемых стоячих волн — сейш. Особо длинные волны — цунами — возникают при подводных землетрясениях. Все волны образуются от природных причин, заложенных в космосе, атмосфере или ложе океана. Но и движение корабля вызывает волну на поверхности моря, которая так и называется — корабельной. Самыми распространенными являются морские ветровые волны. Даже после того, как ветер над морем утих, еще долго сохраняется зыбь.

Первым пытался объяснить причины волнения Леонардо да Винчи. Этим вопросом занимались также И. Ньютон, П. Лаплас и др. Постепенно развивалась теория морского волнения, накапливались, анализировались и обобщались материалы наблюдений во всех океанах и морях планеты. В настоящее время существует ряд классификаций морских волн по ряду признаков: силам, действию, изменчивости, отношению к глубине моря.

Известно, из каких элементов слагается волна. Это — гребень волны, или наивысшая точка волнового профиля, и подошва, т. е. ложбина, — наинизшая точка. Линия, проходящая вдоль гребня волны, перпендикулярная направлению перемещения волн, называется фронтом волны. Высота волны — это расстояние по вертикали от гребня до ближайшей подошвы. Расстояние по горизонтали между двумя гребнями или двумя подошвами соседних волн — длина волны. Время, в течение которого форма волны пробегает расстояние, равное ее длине, представляет собой период волны. За один период частица волны описывает свою орбиту. И наконец, расстояние, которое форма волны проходит в единицу времени, называется скоростью волны.

Итак, четыре элемента составляют характерные особенности волны: высота, длина, период и скорость. Три из них связаны между собой определенными зависимостями, из которых можно знать лишь два, а третий вычислить, и только высоту необходимо понаблюдать непосредственно в море или океане.

Из элементов морского волнения наиболее непостоянна высота волны — быстро возрастая, она быстро и уменьшается. Сильно изменяется и длина волны, особенно в начале волнения, когда волны наиболее крутые. С усилением шторма длила все более возрастает, но, достигнув известного предела, она еще долго остается прежней, даже когда ветер уже утих. Самый постоянный элемент морского волнения — скорость: она и мало меняется, и долго сохраняется. Период волны зависит от длины и скорости.

Всем, кто бывал в море или на его побережье, случалось наблюдать, как зарождаются, а потом развиваются ветровые волны. Поверхность моря гладкая, зеркальная, ветра нет. Но стоит ему подуть, начинают появляться мельчайшие первичные волны, называемые еще и капиллярными. На вид это — мелкая рябь. Она вызывается тем, что над спокойной поверхностью моря возникают не-большие воздушные вихри. Таким образом, давление над морем пульсирует, и там, где частицы воздуха опускаются, на воде можно заметить впадинки, а в точках восходящих воздушных частиц — возвышения. Рябь равномерна, она образует параллельные дуги, но складки ее невысоки — всего несколько миллиметров. Ветер все усиливается, волны тоже увеличиваются, растет их высота, длина и крутизна. Это происходит не сразу, должно пройти некоторое время, пока поверхность морской воды прореагирует на действие ветра. При этом, оказывается, имеет значение не только сила ветра, но и его продолжительность, и то расстояние, на котором наблюдается ветер, — как говорят, разгон ветра. Отношение скорости волн к скорости ветра называется возрастом волн.

Энергия ветра расходуется в двух направлениях: на увеличение длины и высоты волн и на преодоление трения. Длина волн растет быстрее, чем высота, поэтому крутизна становится меньше. Ветер всегда дует порывами и более или менее изменяет свое направление. Вот почему и волны образуются различные — рядом с большими более мелкие, они обладают различной скоростью, накладываются друг на друга, создают группы волн. И вот ветер начинает стихать, а за ним постепенно спадают и волны, сначала мелкие и значительно медленнее длинные. Как установлено наблюдениями, зыбь и мертвая зыбь (волнение при полном безветрии) заметна на поверхности океанов за сотни и тысячи километров от того места, где она появилась.

Современная наука о волнах имеет два теоретических направления — нахождение физических законов волновых процессов и разработка статистических основ этого явления. Основоположником теоретического направления был академик В. В. Шулейкин. Значительную роль сыграли его многочисленные опыты в специальном штормовом бассейне, построенном в Крыму. Как уже говорилось, ветровые волны на поверхности океанов и морей очень разнообразны. Поэтому статистические методы учитывают вероятность волн различных размеров, для чего строятся кривые повторяемости и обеспеченности тех или иных элементов волн (высот, периодов). На практике обычно используются эмпирические формулы, в которые входят сила, ветра, продолжительность и разгон. Такие формулы существуют уже около 100 лет, впервые их предложил Берген в 1890 г. По мере накопления новых материалов наблюдений эти формулы уточнялись, детализировались, получали физическую интерпретацию.

Когда волны приближаются к берегу, особенно по мелководью, они изменяются, деформируются: гребни делаются крутыми, а подошвы — пологими. Трение воды о дно становится все ощутимее: частицы, находящиеся у подошвы, движутся медленнее, чем на гребне, который начинает опрокидываться, разрушаться. У берега при этом возникает прибой. У глубокого берега, особенно когда его достигает океанская волна, образуется взброс. Когда волна опрокидывается не у самого берега, а над отмелями или рифами, возникает бурун, грохочущий как пушечный выстрел. Во всех морях нашей страны бывают буруны, особенно большие в Черном море и у берегов дальневосточных морей. Заметив и услышав шум буруна, мореплаватель знает, даже не глядя на карту, что там находятся рифы или подводные мели — и, значит, это место нужно обойти.

Можно ли ответить однозначно на вопрос, приносят волны вред или пользу берегам? Нет. С одной стороны, они их разрушают, с другой — участвуют в формировании новых, распределяя продукты разрушений и перенося их на новые места. Волны размывают породы, мельчат их, окатывают в гальку, песок, ил. Породы послабее разрушаются довольно быстро. Известно, что в Англии был утес, который размывало со скоростью 5—15 м в год, а другой утес, высотой 25 м, на котором жили люди, ныне погрузился в море на глубину 7 м. Взбросы могут достигать высоты 60 м. Те, кто бывал на Черном море вблизи Симеиза, видели разбитую на три куска скалу, называемую «Монахом». Еще в первых числах января 1931 г. эта скала была единым монолитом, пока гигантский шторм 19 января того же года не разбил его на части. В Шотландии дважды строился мол (первый — весом 1950 т, второй — почти вдвое тяжелее), и волны опрокидывали его в гавань. Такого рода примеров можно привести немало, и каждый из них содержит историю стихийного бедствия, часто трагедию. Во внутренних морях таких крупных разрушений не происходит, но и они могут быть достаточно серьезными. К ним относятся, в частности, постоянные разрушения волнами берега Черного моря.

Когда судно, идущее в море, попадает в район сильного волнения, оно испытывает качку, зависящую и от величины самого судна и от размеров волн. При определенном (предельном) наклоне корабля он может перевернуться. Эту катастрофу можно предупредить, изменив скорость и направление судна. С древних времен для уменьшения волнения используется масло — растекаясь по поверхности топким слоем, оно вследствие своей большой вязкости не дает ветру срывать гребни волн. Этот, в сущности, довольно простой способ спасает от несчастных случаев, когда волны, заливая палубу, смывают в море людей, грузы, спасательные шлюпки, ломают надстройки. Всего 3 кг масла (например, рыбьего или тюленьего жира) сглаживают гребни больших волн — точнее, превращают их в волны, подобные зыби. Такое же действие оказывают скопления водорослей и льдов (даже лишь кристаллы льда), дождь.

Тысячи наблюдений над волнением, производящиеся уже более 100 лет, позволили сделать некоторые общие заключения. Самые большие волны в открытом океане встречаются в южном полушарии, там, где Мировой океан охватывает Землю сплошным кольцом. Это объясняется и отсутствием суши, и характером ветров. В этих районах волны достигают 400 м длины, 12–13 м высоты, скорость распространения — до 22 м/с. Исключительно крупные, штормовые волны сравнительно редки. Обычно же штормовые волны, развивающиеся в южных широтах при северо-западных ветрах, имеют длину до 150 м и высоту 7–8 м.

Зыбь, так же как и ветровые волны, весьма различна по размерам. За двое-трое суток она может пересечь океан, сохраняя большую длину и период волн. Громадная зыбь зарождается преимущественно в 40°—50° с. и ю. ш., где зимой и ранней весной проходят штормовые циклоны, создающие, сильное волнение. Расходясь от этих широт, зыбь обычно достигает штилевой экваториальной зоны. В Атлантике такое явление наблюдается часто — зыбь приходит или из области штормовых циклонов Гольфстрима, или от штормов южных широт. Иногда она пересекает экватор. Часто вдоль океанического побережья Европы наблюдается пришедшая издалека зыбь с очень большими периодами.

Во внутренних морях ветровое волнение, естественно, не достигает таких размеров, как в открытом океане, что связано с их глубиной и площадью. В Средиземном море высота волн порядка 5–5,5 м, в Балтийском — до 5 м.

Воздействуя на берега, волны способны нанести ущерб народному хозяйству, разрушить различные постройки: маяки, здания, стенки набережных. В открытом море волнение часто небезопасно для судов — понижает управляемость и скорость. Для того чтобы точно и экономно рассчитать крепость, плавучесть, устойчивость судов различного класса, плавающих в разных районах Мирового океана, нужно знать элементы волн.

Советскими океанологами разработана и широко применяется система обслуживания судов, находящихся в открытом океане, рекомендованными курсами. Сущность этой работы состоит в том, что на основе учета реально сложившейся обстановки и ее прогноза судам сообщаются наиболее выгодные, оптимальные курсы их движения. Можно подумать, что кратчайший путь и есть самый выгодный. Однако в действительности это не всегда так. В океане часто приходится отклоняться от наикратчайшего пути и прокладывать курс в обход больших встречных волн, которые сильно снижают скорость. Таким образом, несмотря на удлинение пути, скорость выигрывается, в порт назначения суда приходят раньше. Четко налаженная служба обеспечения судов рекомендованными курсами, применение современных средств расчетов и связи дают положительные результаты.

При проектировании и строительстве морских портов исключительно важно знать основные характеристики ветрового волнения данного района — средние и, особенно, экстремальные, потенциально несущие в себе возможность будущих катастроф. Подход ко многим портам морских судов идет по искусственным морским каналам, которые постоянно нуждаются в очистке.

В перспективе — применение энергии волнения. Сущность ее основана на движении поплавка на волне: это колебание приводит в движение насосы, которые в свою очередь поднимают воду вверх, а падая, вода заставляет работать турбину. Есть и другой способ: ударяя в лопасти турбины, волны заставят их производить работу.

Огромная и бесполезная пока (а часто вредная) сила прибоя может быть направлена в специальные русла. Вода при этом будет подниматься прибоем и также использоваться для работы турбин. Разумно, со знанием характера волнения, выбранное для этого место и правильный расчет сооружений принесли бы большую пользу. Это — задачи будущего.