что делают волны в море

Откуда берутся гигантские волны-одиночки, способные переламывать целые суда.

Хрестоматийная картина Айвазовского «Девятый вал» — о жертвах стихии — знакома, наверное, каждому. Разумеется, в число произведений известного мариниста эта тема попала не случайно: за многие столетия истории мореплавания фольклор оброс легендами о гигантских водяных стенах и провалах.

Как волна-убийца опрокидывает и топит суда, многие могли видеть в голливудском фильме-катастрофе «Идеальный шторм» (The Perfect Storm) — драматической истории о том, как в Северной Атлантике восточнее Ньюфаундленда в результате столкновения двух мощных штормовых фронтов бесследно исчезает рыболовецкая шхуна «Андреа Гейл», унося с собой жизни рыбаков.

Картина Айвазовского «Девятый вал»

По словам редких очевидцев, сумевших пережить буйство стихии, такие волны нередко возникают при вполне благоприятных погодных условиях, не предвещающих, казалось бы, никакой опасности.

Достоверных фактов о чудовищных волнах, неожиданно возникающих в открытом море, сравнительно немного, но тем не менее они накапливаются и требуют объяснения. Волны-убийцы совершенно не похожи на остальные: они в 3−5 раз превышают по высоте обычные волны, рождающиеся при сильном шторме.

Все наслышаны про огромные волны, называемые по‑японски цунами, что дословно означает «большая волна в гавани». Они славятся коварством и разрушительной силой.

Эти грандиозные водные валы, высота которых, как это случилось в 1958 году на Аляске, могут превышать 50 метров, возникают обычно в сейсмоактивных зонах — в результате подводных землетрясений и извержений вулканов, оползней, взрывов, резкого изменения метеоусловий. Подобное явление чаще всего встречается в прибрежных районах Японии, у нас на Дальнем Востоке, в США, Канаде, в регионе Австралии и Полинезии, а иногда даже на Карибах и в Средиземноморье. Японские манускрипты ведут хронологию цунами начиная с 684 года.

Самая страшная из известных волн цунами (24 апреля 1771 года) была зафиксирована на японском острове Исигаки (архипелаг Рюкю) и достигала высоты 85 метров. К счастью, цунами, порождаемые сейсмическими толчками на морском дне и обрушивающиеся на берег, возникают не так уж и часто. Цунами наиболее разрушительны на побережье неподалеку от места зарождения, где их энергия особенно высока. Но они могут совершать и довольно дальние «путешествия».

«Сегодня не вызывает сомнения, — говорит крупный российский специалист по теории волн нижегородец Ефим Пеленовский, — что цунами — это результат своеобразного «поршневого» механизма колебания дна океана, вызванного землетрясением, в результате чего выталкивается вверх столб воды. Ее избыточная масса под действием силы тяжести тоже начинает колебаться и вовлекает в эту амплитуду колебаний соседние участки».

Сегодня цунами становится большой проблемой для стран, расположенных на тихоокеанском побережье. И все же гигантские волны-одиночки — это не цунами. Они никак не связаны с сейсмической активностью. Есть версия, что они могут порождаться упавшими в океан метеоритами. Так, ученые полагают, что примерно 100 000 лет назад на побережье Гавайских островов обрушилась волна 300-метровой высоты, вызванная, видимо, падением крупного метеорита. Но это, к счастью, явление чрезвычайно редкое.

Частицы воды благодаря их большой подвижности легко выходят из состояния равновесия под действием разного рода сил и совершают колебательные движения. Причинами, вызывающими появление волн, могут быть приливообразующие силы Луны и Солнца, ветер, колебания атмосферного давления, подводные землетрясения или деформации дна. Ветровые волны образуются за счет энергии ветра, передаваемой путем непосредственного давления воздушного потока на наветренные склоны гребней и трения о поверхность воды.

Природа образования волн на водной поверхности была хорошо изучена, смоделирована и описана европейскими учеными в первой половине XIX века. Уже тогда было ясно, что при ветре силой более двух баллов (скоростью свыше четырех узлов) потоки воздуха передают морской ряби энергию, вполне достаточную для образования настоящих волн и зыби.

Если ветер не утихает, волнение постепенно усиливается, так как колебательные движения воды получают дополнительную энергию извне. Высота волны при этом зависит не только от скорости ветра, но и от продолжительности его воздействия, а также от глубины и площади открытой воды.

В справочниках и энциклопедиях приведены высоты волн, характерные для разных океанов. Так, энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона сообщает, что самые большие волны встречаются в области западных ветров Индийского океана (11,5 м) и в восточной части Тихого океана (7,5 м). Однажды такие волны наблюдались у Азорских островов (15 м) и в Тихом океане между Новой Зеландией и Южной Америкой (14 м).

Когда волна, приходящая из открытого моря, выклинивается возвышенным дном, возникает прибой или бурун. На западном побережье экваториальной Африки и возле Мадраса в Индии волны прибоя иногда достигают 22 метров в высоту. Некоторые ученые-океанологи отрицают существование громадных волн-убийц в открытом море, считая, что объективная картина искажается в глазах перепуганных очевидцев. Из-за углубления, которое всегда идет перед волной, возникает особый эффект восприятия, усиливающийся еще и тем, что корабль располагается не горизонтально, то есть параллельно подошве волны, а наклонен к ней. В итоге высота волны может сильно преувеличиваться.

Тем не менее постоянно накапливающиеся факты доказывают обратное. Известно, что разные волны могут взаимодействовать, вызывая усиление и ослабление волнения. Наложение двух когерентных волн вызывает волну, высота которой равна сумме высот отдельных волн. Это явление называется интерференцией.

Именно интерференцией ученые объясняют возникновение в некоторых местах океана необыкновенно высоких волн. Они встречаются на «стыке» волн Атлантического и Индийского океанов — у мыса Доброй Надежды, самой южной точки африканского континента, и у мыса Игольный. Здесь встретившиеся волны начинают громоздиться одна на другую, порождая громадные валы. Моряки называют их «кейпроллерами» (от английских слов саре — мыс и roller — вал, большая волна), а океанологи — уединенными или эпизодическими волнами. Кейп-роллеры уничтожают как малые суда, так и огромные танкеры, спортивные яхты и сухогрузы, пассажирские лайнеры. Видимо, именно из-за такой волны потерпело катастрофу у восточного побережья Южной Африки советское транспортное судно «Таганрогский залив» в 1985 году.

Кейпроллеры возникают не только у южной оконечности Африки, но и в районах Ньюфаундлендской банки, у Бермудских островов, у мыса Горн, на окраинах норвежского шельфа и даже у берегов Греции. Если две интерферирующих волны встречают на пути какую-либо преграду — отмель, рифы, остров или берег — выклинивание порождает новую волну, намного превосходящую по высоте своих «родительниц». Из-за отражения волн от различных преград в результате наложения отраженной волны на прямую могут возникать так называемые стоячие волны. В отличие от бегущей волны, в стоячей не происходит течения энергии. Различные участки такой волны колеблются в одной и той же фазе, но с разной амплитудой.

Интерферируя между собой, могут сталкиваться воздушные потоки и морские течения, и тогда их энергия суммируется в виде волн. Вот почему можно встретить суперволны в Гольфстриме, Куросио и других мощных океанских течениях.

Возле пользующегося дурной славой мыса Горн происходит то же самое: быстрые течения сталкиваются с противодействующими ветрами. Однако и механизмы интерференции не могут дать исчерпывающего объяснения причин возникновения волн-великанов.

В разгадке секретов гигантских волн на помощь океанографам пришли физики и математики. Ефим Пелиновский изучил и описал механизм возникновения уединенных стационарных волн, которые называют солитонами (от solitary wave — уединенная волна). Главная особенность солитонов состоит в том, что эти волны-одиночки не меняют своей формы в процессе распространения, даже при взаимодействии с себе подобными. Такие волны могут распространяться на очень большие расстояния без потери своей энергии. Толща воды в океане устроена весьма непросто. Океан неоднороден по вертикали: там имеются слои разной плотности, в каждом из которых могут возникать и распространяться внутренние волны, достигающие высоты в 100 и более метров. Пелиновский считает, что во внутренних слоях океана тоже существуют солитоны, и активно занимается их исследованием и прогнозом.

Крупномасштабные атмосферные воздействия — циклоны и антициклоны — приводят к повышению или понижению поверхности океана в областях низкого и высокого давления. Эта связь получила название закона обратного барометра. Понижение атмосферного давления только на 1 мм ртутного столба может вызвать повышение уровня океана в этом месте на 13 мм. Если же давление падает на десятки миллиметров, что нередко случается во время тайфунов, то на поверхности океана появляется возвышенность в метры или десятки метров, которая, распространяясь, может породить гигантскую волну. Перепады давления могут привести к возникновению резонансных явлений, которые и служат причиной зарождения огромных волн в океане.

Математическое моделирование морских волн проводится сегодня во многих странах мира, ученые предлагают решения, весьма непохожие друг на друга, по‑разному описывая разные типы гигантских волн.

Конечно же, математические модели создаются не только ради объяснения природы волн. Ученые ставят перед собой вполне конкретную цель — научиться спасать от гибели суда и нефтегазовые сооружения на шельфе. А главное — жизнь людей. В конце 90-х Европейский союз создал проект MaxWave — с целью собрать факты и документально подтвердить существование одиночных громадных волн, а также отслеживать, моделировать и прогнозировать их появление, чтобы информировать моряков об опасности. Подобный проект по мониторингу гигантских волн выполняет в США Управление морских исследований, в котором накапливаются постоянные наблюдения, полученные при помощи авиации, спутников и радаров.

Научные исследования показали, что в среднем одна из 23 волн существенно превосходит другие по своим параметрам. Статистика свидетельствует, что одна уединенная волна, втрое превосходящая по своим параметрам обычную, приходится на 1175 волн, а четырехкратное превышение встречается у одной волны из 300 тысяч нормальных. Однако статистика, к сожалению, не позволяет предсказать появление волны-убийцы.

Последние наблюдения ученых доказывают, что волны-гиганты — не такая уж редкость, и их существование следует учитывать при проектировании судов. В университете Глазго составлен каталог недавних морских катастроф, вызванных волнами-убийцами. Из 60 сверхкрупных судов, затонувших в период с 1969 по 1994 год, 22 грузовых судна длиной более 200 метров стали жертвами гигантских волн. Они проламывали главный грузовой люк и затапливали главный трюм. В этих кораблекрушениях погибло 542 человека. В большой опасности оказываются и нефтяники, так как добыча постепенно перемещается на океанский шельф, а при проектировании нынешних морских платформ и плавучих буровых существование гигантских волн-убийц явно не бралось в расчет.

Статья «Тридевятый вал» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2004).

Источник

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Вроде бы банальный вопрос, но есть некоторые интересные нюансы.

Волны возникают по разным причинам: из-за ветра, прохождения судна, падения в воду какого-либо предмета, притяжения Луны, землетрясения, извержения подводного вулкана или схода оползня. Но если от проходящего судна или падения предмета они вызываются вытеснением жидкости, притяжение Луны и Солнца способствует появлению приливных волн, а землетрясение может вызвать цунами, с ветром сложнее.

Вот как это происходит.

Здесь дело в движении воздуха — в нем существуют беспорядочные вихри, маленькие у поверхности и большие вдалеке. При прохождении их над водоемом давление уменьшается, и на его поверхности образуется выпуклость. Ветер начинает давить сильнее на ее наветренный склон, что приводит к разнице давлений, а из-за нее движение воздуха начинает «закачивать» энергию в волну. При этом скорость волны пропорциональна ее длине, то есть чем больше длина, тем больше скорость. Связаны между собой высота волны и ее длина. Поэтому, когда ветер разгоняет волну, скорость ее увеличивается, следовательно, увеличивается длина и высота. Правда, чем ближе скорость волны к скорости ветра, тем меньше энергии может ветер отдать волне. Если же их скорости равны, ветер вовсе не передает волне энергию.

Теперь разберемся, как вообще образуются волны. За их формирование отвечают два физических механизма: сила тяжести и сила поверхностного натяжения. Когда часть воды поднимается, сила тяжести старается вернуть ее обратно, а когда опускается, вытесняет соседние частицы, которые тоже пытаются вернуться обратно. Силе поверхностного натяжения все равно, в какую сторону прогнута поверхность жидкости, она действует в любом случае. В результате частицы воды колеблются подобно маятнику. От них «заражаются» соседние участки, и возникает поверхностная бегущая волна.

Энергия волн хорошо передается только в том направлении, в каком частицы могут свободно перемещаться. На поверхности это делать проще, чем на глубине. Все потому, что воздух не создает никаких ограничений, в то время как на глубине частицы воды находятся в весьма стесненных условиях. Причина — плохая сжимаемость. Из-за нее волны могут перемещаться на большие расстояния по поверхности, но очень быстро затухают вглубь.

Важно, что во время волны частицы жидкости почти не двигаются. На большой глубине траектория их движения имеет форму окружности, на малой — вытянутого горизонтального эллипса. Благодаря этому корабли в гавани, птицы или кусочки дерева качаются на волнах, фактически не перемещаясь по поверхности.

Особый вид поверхностных волн составляют так называемые волны-убийцы — гигантские одиночные волны. Почему они возникают, так до сих пор и неизвестно. Они редко встречаются в природе, и их нельзя смоделировать в лабораторных условиях. Тем не менее большинство ученых считает, что волны-убийцы образуются из-за резкого уменьшения давления над поверхностью моря или океана. Но более тщательное их изучение впереди.

Источник

Морские волны

Люди порой не замечают большинство явлений природы. Они привыкли, что день сменяет ночь, что после зимы приходят весна, потом лето. Мало кто задумывается, сидя на морском берегу, откуда берутся волны, почему штиль внезапно меняется на легкую рябь, переходящую в буйную стихию.

Почему на море волны

Морская стихия завораживает и не оставляет никого равнодушным. Море и волны — картина, на которую можно смотреть вечно. Недаром известное полотно художника И.К. Айвазовского «Девятый вал» надолго притягивает и не отпускает взгляд.

Морские волны возникают, когда соединяются (сцепляются) между собой частицы воздуха и воды. Сначала воздух скользит по воде, вызывая зыбь, а позже начинают вздыматься тонны воды.

Колебания водной поверхности на море или океане через определенные интервалы времени принято называть волнами.

Гребень — самая высокая точка волны, а место ее образования — подошва. Временной промежуток от одного гребня до другого или от подошвы до подошвы — волновой период. Расстояние между двумя гребнями называют длиной волны.

Существует немало объяснений причин, из-за которых образуются волны в морях и океанах:

Чтобы представить, как появляются морские волны, необходимо понимать, что вода начинает колебаться только под физическим воздействием, принудительно.

Виды морских волн

Существуют классификации явления по следующим признакам:

Ветровые

Виновник их появления — сильный ветер. Величина напрямую зависит от мощи ветра.

Когда ветер ослабевает или прекращается совсем, на морской поверхности появляется зыбь — продолжение колебания по инерции.

Прибой образуется за счет ветровых волн или зыби. Они, передаваясь из глубинных вод открытого моря к берегу, изменяются по форме. Их сила может нарастать, обрушивая на 1м 2 берега до 90 тонн воды. Это очень опасно для плавсредств, пришвартованных у берега.

Внутренние

Появляются под водой. На это влияют разная плотность, степень солености, температура воды. Волновые колебания образуются в том месте, где различные слои воды соприкасаются.

Впервые о них заговорил ученый из Норвегии Нансен, когда проводил исследования за полярным кругом.

Внутренние волны могут быть выше поверхностных в несколько десятков раз, но их скорость ниже. Они обладают мощной разрушительной силой, опасны для подводных лодок, причалов, портовых построек.

Барические

В тех местах, где нередки циклоны, быстро меняется давление в атмосфере, образуются барические волны-одиночки. Проходя несколько сотен километров от того места, где образовались, они с огромной разрушительной силой внезапно обрушиваются на берег.

В 1935 году девятиметровая барическая волна ударила по берегу штата Флорида. Погибли несколько сотен человек. Такие явления часто случаются на индийском, японском, китайском побережьях.

Сейсмические

Подводные землетрясения, извержения вулканов, разломы земной коры на дне океанов вызывают образование сейсмических волновых колебаний. Сначала они не слишком большие, но по мере приближения к берегу становятся огромными. Их называют цунами.

Когда море вдруг отступает от берега не на один километр, это предупреждение о зарождении цунами. Сигнал бедствия, ведь вода возвратится к берегу монстром, уничтожающим все на своем пути.

Приливные

Образуются из-за приливов и отливов, вызываемых Луной. В месте зарождения они не выше двух метров, но приближаясь к берегу, вырастают до 18 м на Северном побережье Атлантики и до 13 м у берегов Охотского моря.

Стоячие (сейши)

Возникают в бухтах, заливах и в отдельных морях. Название сейши (фр. «раскачиваться») упомянул ученый из Швейцарии Франсуа-Альфонс Форель. Зарождение стоячих столбов воды с гребнем является следствием землетрясений, но ветер также причастен к их образованию.

Морская волна, гонимая ветром, сталкивается с той, что вернулась после удара о берег, — так образуются стоячие волны. Их величина зависит от рельефа берега и глубины водоема.

Волны-убийцы

Основная статья по этой ссылке.

Их называют странствующими чудовищами. Чаще всего они возникают в океанах.

Еще полвека назад морякам, рассказывающим о сильных волнах на море: крупных, небывалой высоты, — никто не верил. Научные теории о колебаниях воды в морях и океанах не фиксировали водных столбов выше 21 метра. Позднее участились случаи встреч с громадным водным чудовищем, высота которого превышала 25 метров, поэтому пришлось признать факт существования таких волн.

Факторы, влияющие на их появление, до конца не изучены, объяснения существуют на уровне гипотез.

Где самые большие волны в мире

Общепризнанным местом самых крупных волн в мире является деревушка Назаре, расположенная на побережье Атлантики, где живут португальские рыбаки.

Летом это место ничем не отличается от обычного курорта, куда съезжаются множество туристов. В зимний период народу не убавляется: прибывают серферы-экстремалы, люди, желающие увидеть морских гигантов 30-метровой высоты.

Такие огромные столбы воды — явление редкое, не считая волн-убийц и цунами.

Недалеко от деревни есть самое большое в европейской части подводное ущелье — каньон Назаре. Штормы Северной Атлантики, попадая внутрь ущелья, стремятся на берег. Но поскольку у берега мелководье, не способное остановить эту силу, тонны воды обрушиваются на побережье.

Волнующееся море — удивительное явление природы. Шум прибоя успокаивает, приводит в порядок мысли и чувства. Морская стихия очаровывает красотой и в то же время пугает бессилием человека перед величием природы.

Источник

Волны в море

Содержание

Классификация морских волн

В гидродинамике даётся следующее определение волнового движения жидкости: волновым движением жидкости, находящейся под воздействием внешних сил и имеющей свободную поверхность, называется движение, при котором возвышение свободной поверхности над некоторой выбранной фиксированной горизонтальной плоскостью изменяется в зависимости от внешних сил, действующих на воду.

Можно выделить следующие волны:

Поскольку ветровые волны являются одним из основных факторов, обуславливающим безопасность мореплавания и эффективное использование средств военно-морского, транспортного и промыслового флотов, большая часть этого раздела будет посвящена именно им.

Ветровые волны можно подразделить на вынужденные, свободные и смешанные.

Вынужденные волны — это такие волны, которые возбуждены ветром и продолжают находиться под его воздействием.

Свободными ветровыми волнами называются волны, которые остаются после сильного ослабления или полного прекращения ветра и волны, пришедшие из области, где они зародились, в другую область, где нет ветра. Свободные волны чаще называют зыбью. При этом просто зыбью называют волны, распространяющиеся на акватории волнообразования, а волны, распространяющиеся при полном отсутствии ветра на акватории — мертвой зыбью.

Смешанными волнами называются ветровые волны на акватории, где одновременно существуют волны зыби и вынужденные волны.

В процессе волнения распространяющиеся на акватории волны могут накладываться друг на друга. При таком взаимодействии волн, бегущих с нескольких направлений, образуется толчея — сложное, беспорядочное волнение. В прибрежной зоне моря или на мелководье наблюдаются волны постоянно или периодически несущие на себе бурун (пенящийся водоворот) вследствие их частичного обрушения из-за уменьшения глубин. Такие волны получили название пробойных волн.

Элементы волн

Формы и размеры волн характеризуются их элементами. Если взволнованную поверхность моря рассечь вертикальной плоскостью, ориентированной по направлению распространения волны, то линия пересечения взволнованной поверхности моря с этой плоскостью даёт нам профиль волны (рис. 5.1). Часть волны, расположенная выше спокойного уровня (выше уровня воды при отсутствии волн), называется гребнем волны. Самая высокая точка гребня — вершина гребня. Часть волны, которая располагается между двумя гребнями и лежит ниже спокойного уровня, называется ложбиной волны, а её наинизшая точка — подошвой волны.

Расстояние по вертикали от подошвы волны до вершины гребня называется высотой волны (h) (удвоенная амплитуда волны α).

Длина волны (λ) — горизонтальное расстояние между двумя последовательно расположенными гребнями или подошвами.

Крутизна волны — отношение её высоты к длине, т. е.:

Фронт волны — линия, соединяющая вершины гребня в плане.

Луч волны — линия, перпендикулярная фронту волны в данной точке. Показывает направление распространения волны.

На рис. 5.1. показан профиль волны в момент времени t = 0 (I). Точки С₁, С₂, … — вершины гребня; точки Т₁, Т₂, … — подошвы волны. В следующий момент времени t кривая переместилась в положительном направлении оси x: точки: C₁´, С₂´, T₁´, T₂´… (рис. 5.1, II). Такое движение называется скоростью распространения волны (с). Она определяется расстоянием, на которое перемещается гребень волны за одну секунду в направлении её распространения.

Период волны — промежуток времени между прохождением двух следующих один за другим гребней волн через одну и ту же точку на поверхности моря. Следовательно, за время, равное периоду волны, она перемещается на расстояние, равное длине волны, т. е.

Заметим, что элементы волн и профили свободной поверхности моря были рассмотрены на примере двухмерных (плоских) волн, которые можно представить как движение жидкости между двумя вертикальными плоскостями, расположенными на единичном расстоянии друг от друга (рис. 5.1, III). Реальная взволнованная поверхность моря имеет очень сложный рельеф (рис. 5.2). Её главной особенностью является то, что гребни волн и ложбины между ними часто расположены не в последовательном порядке и имеют ограниченную протяженность. Обозначения на рисунке (1, 2, …, 9) — профили, построенные в условном масштабе поверхности моря примерно 10 000 м 2 при ветровом волнении.

Профили проведены через 10 м. Цифрами указаны высотные отметки волновой поверхности в метрах для наиболее высоких и наиболее низких точек каждого профиля, отсчитанные от условного уровня. Фронты волн показаны утолщенными линиями, штриховая линия показывает положение подошвы волны, тонкая сплошная линия совпадает на каждом профиле со спокойным уровнем. В средней части рисунка гребень волны хорошо выражен, длина фронта этой волны больше 100 м, так как он, по-видимому, простирается за пределы рисунка. Высотные отметки вдоль фронта неодинаковы. Наивысшая отметка на профиле 2 равна 2,15 м, наинизшая на профиле 7 — 1,15 м. Слева и справа гребни волн имеют значительно меньшую длину 25–30 м. Все эти волны по своим плановым очертаниям и на профилях (например, профиль 2) близки к двухмерным волнам.

В нижней части рисунка справа гребень волны имеет округлую форму, а его длина меньше 20 м. Вместе с окружающей его ложбиной этот гребень имеет вид «холма». Такие волны получили название трёхмерных волн. Мерой трёхмерности волн служит коэффициент трёхмерности, который представляет собой отношение средней длины гребней волн к средней длине волн:

При коэффициенте К_Т > 1 волны правомерно относить к двухмерным. В своем развитии ветровые волны проходят три стадии:

Для установившегося ветрового волнения в открытом море при достаточной продолжительности ветра и при распространении волн в прибрежных условиях ветровые волны в подавляющем числе ближе по своей форме к двухмерным волнам, чем к трёхмерным.

Скорость распространения волн. Скорость распространения волны является функцией её длины и задаётся формулой:

где H — глубина моря; g — ускорение силы тяжести.

Анализ формулы приводит к следующим результатам. Если отношение H/λ велико, то приближённо с 2 /gH = λ/2πH, так как thθ → 1 при θ → ∞ и, следовательно, скорость распространения таких волн будет

Практически эта формула справедлива уже при Н ≥ λ/2.

Если отношение Н/λ мало, т. е. длина волны значительно больше глубины моря, то тангенс гиперболический малых углов стремится к самому аргументу, т. е.:

Это значение, которое волна превзойти не может.

В общем случае при ветровом волнении существуют волны самой различной длины и, следовательно, они будут распространяться с разными скоростями. В результате формируются группы волн с приблизительно одинаковыми длинами волн. Групповая скорость с_г такой группы (рис. 5.3) будет меньше, чем скорость отдельных составляющих волн, и принимается равной:

Основные волнообразующие факторы. Высота волн

Развитие больших ветровых волн зависит от сильных ветров, устойчивых по направлению и скорости и дующих в течение долгого времени над большими водными пространствами. Из этого следует, что основными волнообразующими факторами являются:

В мелководных морях и мелководных районах Мирового океана, т. е. когда Н обеспеченность высот волн и рассчитывать высоты волн обеспеченностью 5 %. Например, высота волны Н_5% = 8 м означает следующее: из 100 волн, при данной силе волнения, 5 волн будут иметь высоты 8 м и более. Максимально возможная высота волны будет иметь обеспеченность 1 % («девятый вал») и может достигать 20 м. В настоящее время используется понятие значительные волны — это средняя высота одной трети самых высоких волн, обозначается как h_⅓ или h_s. Высоты волн на картах волнения рассчитываются по математическим моделям. Примерное значение высоты значительных волн можно найти по формуле:

где W₁₀ — скорость ветра, измеренная на высоте 10 м, м/с.

Максимально возможная высота волны указанного на карте волнения может достигать значения h_max = 1,6 h_1/3.

Иногда её называют «характерная высота волны».

Математические модели расчёта полей ветра и волн используются всеми странами, дающими такие прогнозы, в том числе и Россией.

В заключение приведем шкалу Бофорта, которая служила мореплавателям (а в отдельных случаях служит и в настоящее время) для оценки силы ветра в баллах, дополненную высотами значительных волн, которые будут наблюдаться при том или ином балле ветра (табл. 5.1). Высоты волн, указанные в этой шкале, характерны для открытых частей Мирового океана и рассчитаны автором по формуле 5.8.

Ветровые волны на мелководье и у берегов

В морях и водоемах, в которых глубина воды меньше половины длины поверхностных волн, волновое движение охватывает всю толщу воды от поверхности до дна. В этом случае действию ветра, возбуждающего волны, противостоит сила трения воды о дно, направленная против силы трения ветра о поверхность воды. Вследствие этого профиль волны деформируется. Поэтому в мелководном море волны никогда не достигнут той предельной высоты, которая определяется силой ветра, продолжительностью его действия и разгоном. Например, для Азовского моря, средняя глубина которого примерно 14 м, наибольшая средняя высота волны h_ср. = 2,0 м и τ_ср. = 5,7 с при скорости 30 м/с, наибольшая возможная высота ветровых волн будет около 5 м (волна обеспеченностью 1 %). При средней глубине воды 30 м наибольшая средняя высота волны 3,7 м, а максимальная — 8,8 м. Приведённые примеры относятся к мелководным бассейнам с относительно ровным дном. К ним можно отнести некоторые замкнутые мелководные заливы отдельных морей.

На морях и океанах влияние дна сказывается тогда, когда волны приближаются к шельфу. Влияние дна на волны, вступающие на шельф, вначале практически неощутимо. Однако, по мере продвижение волны на постепенно уменьшающиеся глубины, влияние дна становится все более ощутимым. Несмотря на местные особенности в рельефе дна шельфов, это влияние имеет общие черты. Рассмотрим, как меняются основные параметры волн при их распространении из глубоководной акватории к берегу.

В настоящее время исследования проводятся на других морях, омывающих берега России. Такие работы проводятся американскими учеными, а в 2000 г. проект по изучению аномальных волн MAXWAVE был запущен Европейским космическим агентством. За три недели со спутников было зафиксировано 10 гигантских волн высотой более 25 м. Это означает, что примерно каждые 2 дня на просторах Мирового океана возникает гигантская волна. Относить все такие волны к аномальным по спутниковым наблюдениям оснований нет. Не всякая очень высокая волна является аномальной. Большие ветровые волны из-за малой крутизны не представляют принципиальной опасности для судов. Несмотря на появление инструментальных наблюдений, их количество недостаточно для того, чтобы по ним изучить механизм возникновения аномальной волны и разработать метод прогноза её появления в конкретном месте.

Самыми продолжительными во времени на сегодняшний день являются визуальные наблюдения. Несмотря на их зависимость от человеческого фактора, они могут обеспечить независимую оценку высот ветровых волн и зыби после их тщательного изучения и исключения случайных и систематических ошибок.

К настоящему времени многие известные случаи повреждения или гибели пассажирских и грузовых судов связывают со встречей их с аномальными волнами. К таким работам относится публикация G. Lawton 2001 г. Он полагает, что причиной гибели 22 крупнотоннажных транспортных судов является их встреча с аномальными волнами. Эти данные приводятся во многих работах, как достоверная причина, хотя не все исследователи аномальных волн с этим согласны.

Теоретические исследования и физическое моделирование аномальных волн характеризуют их следующим образом: не всякая очень высокая волна является аномальной; большие ветровые волны из-за малой крутизны не представляют принципиальной опасности для судов.

Критерии, по которым волна является аномальной (волна-убийца):

Цунами

Волны цунами — это морские гравитационные волны большой длины, которые возникают вследствие быстрых и крупномасштабных возмущений водной толщи. Возмущения эти могут быть вызваны различными природными факторами, главными из которых являются: подводные землетрясения, подводные оползни, извержение подводных вулканов, падение в воду крупных обломков скал. По статистике основными факторами среди перечисленных являются подводные землетрясения. На их долю приходится около 85 % всех возникающих цунами. Рассмотрим примеры возникновения катастрофических цунами.

22 мая 1960 г. в Чили произошло землетрясение магнитудой 9,5 балла, вызвавшее волны цунами высотой от 2 до 25 м у берегов. Это явление детально описано. За 20 минут до появления первой волны вода ушла далеко от берега. Была объявлена тревога. Однако население не поверило предупреждению и бросилось собирать моллюсков и рыбу. И тут нахлынула 8-метровая волна. Самыми мощными были 3-я и 4-я волны, пришедшие спустя 2–3 часа после землетрясения. После их вторжения по улицам одного из городов плавали суда водоизмещением по 2 тыс. тонн. От берегов Чили волны устремились к берегам Азии через океан. На Гавайских островах население было предупреждено, но и тут оказались маловерные.

На островах Гавайи и Оаху волны произвели опустошительные разрушения, пройдя 8 тыс. км. Эти же волны, пройдя 17 тыс. км, обрушились на Японские острова, их высота была от 2 до 7 м. Волны докатились и до наших Курильских островов. Население Петропавловска-Камчатского, Южно-Курильска и других населенных пунктов ушло на возвышенные места. Волны имели высоту от 2 до 4,7 м. Были значительные разрушения, но жертв не было. Эти же волны достигли Новой Зеландии и Новой Каледонии. Высота волн достигала 5 м. В Сиднейском порту было повреждено много судов.

26 декабря 2004 г. произошло подводное землетрясение в Индийском океане, эпицентр которого находился примерно в 100 км к западу от северной оконечности о. Суматра. Величина землетрясения оценена магнитудой 9,3 балла, что близко к максимальной. В результате землетрясения образовалась гигантская волна цунами, которая оказалась самой разрушительной за весь период не только инструментальных наблюдений, но и исторических хроник о цунами. Через два часа волна цунами докатилась до побережья Шри-Ланки и Индии, в последующие 6 часов — до Сомали на Африканском побережье и перешла в Атлантический океан. В восточном направлении волна «перелилась» в Тихий океан и достигла побережья Канады. Таким образом, в течение суток это цунами охватило весь Мировой океан. Специалисты считают, что мы неожиданно оказались свидетелями настоящей глобальной катастрофы (погибло около 300 тыс. человек) такого масштаба, равной которой в истории цивилизации не было.

Примером оползневого источника цунами является обвал пород со склона горы Фейруэзор в бухте Литуа на Аляске, который произошел 10 июля 1958 г. и вызвал волну цунами амплитудой около 60 м. В самой же бухте всплеск волны достиг 520 м.

Причиной возникновения цунами могут быть и подводные оползни. 15 октября 1979 г. на Лазурный берег Средиземного моря (район города Ницца) обрушилась волна цунами высотой 3 м. Она была вызвана подводным оползнем техногенной природы, возникшем в результате проведения дноуглубительных работ.

Таким образом, несмотря на разнообразие возможных природных факторов, возбуждающих волны цунами, статистические данные показывают, что основным механизмом является механизм сейсмических подвижек, которые сопровождаются развитием подводных оползней. Поэтому при изучении цунами главный вопрос сводится к геодинамическому анализу и прогнозу этих крупнейших катастроф.

От очага возникновения волна цунами распространяется со скоростью (рис. 5.5):

где g — ускорение свободного падения; H — глубина.

Вдали от берегов, в открытом океане волны цунами трудно определить, так как их длина составляет более 150 км, а высота не превышает 1 м.

При приближении к берегу волна теряет скорость в результате действия силы трения, приобретает более острую форму и увеличивает свою высоту. Следующая стадия распространения цунами — это накат на берег с образованием гребня. Двигаясь со скоростью несколько десятков километров в час, волна смывает и разрушает все на своем пути. Здесь следует указать на одно существенное обстоятельство. И во время Чилийского цунами 1960 г. и цунами 2004 г. океан, перед тем как обрушиться на берег, отступил на несколько сотен метров и обнажилось дно, куда устремились любопытные, не зная, что на них через несколько минут обрушится волна.

В настоящее время для расчёта распространения волн цунами применяются численные модели, в которых реализуется конечно-разностная аппроксимация линейных уравнений мелкой воды. Распространение волн цунами отслеживается Системой предупреждений о цунами — это международная программа, включающая различные службы. Техническая часть Системы представляет собой сеть сейсмических станций и станций наблюдения за уровнем. Наиболее современные государственные системы предупреждения созданы в Японии, России, Франции и США.

Тягун (портовая зыбь)

Опыт гидрометеорологического обеспечения работ в портах показывает, что тягун — одно из опасных явлений (ОЯ), в результате которого порты несут основные убытки. Это явление наблюдается в большинстве портов мира, расположенных на разных широтах. Тягун представляет собой своеобразные колебания уровня моря в порту, которые приводят к возвратно-поступательным движениям судов, стоящих на якоре или у причала, и сильной качке беспорядочного характера. В результате этого создаётся угроза столкновения судов, обрыва швартовых, якорных цепей, повреждения корпуса судна и причала.

По интенсивности тягун подразделяется на слабый (1 балл), умеренный (2 балла) и сильный (3 балла). При слабом тягуне высота волн, регистрируемая мареографом, составляет 10–20 см, периодически усиливается натяжение и ослабление швартовых концов. Погрузочно-разгрузочные работы не прекращаются. При умеренном тягуне судно совершает ощутимые возвратно-поступательные движения, к которым добавляются вертикальные (качка). Высота волны достигает 30 см. На этой стадии тягун переходит в разряд ОЯ. Происходит обрыв швартовых. Погрузочно-разгрузочные работы прекращаются. При сильном тягуне горизонтальные движения судна достигают 1 м и более; вертикальные — > 30 см. Суда отводят от причалов и выводят на внешний рейд.

Целенаправленное изучение причины возникновения тягуна в нашей стране началось в начале 1950-х гг. В результате исследований были установлены причины возникновения тягуна в порту и разработаны методы его прогноза.

Тягун в портах формируется следующим образом. На некотором удалении от порта в штормовой области, образуются длиннопериодные волны. Выходя из этой области, они уже в форме зыби проникают на акваторию порта. Если их период совпадает с периодом собственных колебаний водной массы в порту, на его акватории формируются стоячие волны. Волны такого типа не перемещаются в пространстве. Точки на средней поверхности уровня остаются неподвижными и называются узлами. Под узлами частицы воды движутся горизонтально. Точки, в которых наблюдаются максимальные перемещения воды вверх и вниз, называются пучностями.

Под пучностями частицы воды движутся вертикально. Следовательно, при совпадении центра тяжести судна с узлом стоячих колебаний массы воды в бассейне порта, на судно будут действовать сильные знакопеременные течения, под воздействием которых оно и начинает двигаться. Если узловая линия перпендикулярна судну, оно будет двигаться параллельно причалу. Если эта линия располагается под другим углом, судно описывает более сложные траектории движения.

На основании данных наблюдений в некоторых портах (Батуми, Туапсе, Ильичевск, Корсаков, Холмск и др.) были получены основные параметры длинных волн, вызывающих явление тягуна при проникновении их на акваторию порта. Период длинных волн составляет от 0,5–2 мин до 8–9 мин.; средняя высота — 10–12 см, иногда до 1,5 м (п. Холмск); течения — незначительны, но в отдельных случаях могут достигать 2,5–3 м/с. Направлены течения попеременно то в одну, то в другую сторону.

Поверхностные течения и течения на других глубинах могут иметь разные направления. Обрыв швартовых во время тягуна наблюдался в момент двойного резонанса, когда собственные колебания пришвартованного судна совпадали с периодом колебаний водной массы в порту. Отмечалось, что суда разного тоннажа совершают неодинаковые колебания в период тягуна. Особенно опасен тягун для крупнотоннажных судов, так как за счёт массы судна сила ударов достигает большой величины.

Так как предотвратить тягуны невозможно, то наиболее эффективным методом борьбы с ним остаётся прогноз времени его возникновения и интенсивности. Он основывается на предсказании тех атмосферных процессов, которые создают штормовую область в определённом районе моря с характерными ветровыми полями.

Литература

Источник