Что определяет размеры волн


ЧТО ОПРЕДЕЛЯЕТ РАЗМЕРЫ ВОЛН

Выше уже говорилось, что с увеличением скорости ветра растут и размеры волн.

Но везде ли одинаковы волны при одинаковой скорости ветра? Ответ на этот вопрос не так прост, как это может показаться на первый взгляд. Казалось бы, чем больше воды, тем больше будут волны при одинаковых скоростях ветра. Но это верно только отчасти.

Как уже отмечалось выше, размеры орбит, по которым скользят частицы воды при волновых колебаниях, убывают от поверхности моря в глубину. Наконец, на некоторой глубине движение частиц практически отсутствует. Установлено, что чем длиннее волна, тем на большей глубине чувствуется движение частиц, связанное с волновыми колебаниями. Поэтому всегда, когда приходится говорить о глубине проникновения волновых движений, следует прежде всего выяснить, какова длина волны.

Закон убывания размеров орбит с глубиной обычно выражают в долях длины волны и ее высоты.

Из приведенных данных видно, что уже на глубине, равной 1/9 длины волны, размеры орбиты уменьшаются наполовину, а на глубине, равной длине волны, диаметр орбиты становится в 512 раз меньше диаметра орбиты на поверхности. Практически обычно считают, что с движениями частиц по орбитам можно не считаться уже на расстоянии половины длины волны от поверхности моря. Если даже взять волну очень большой длины — 275 метров и высоты 14 метров, то окажется, что на глубине, равной длине волны, диаметр орбиты будет равным всего только 2,7 сантиметра. Волны высотой больше 15 метров наблюдаются в океане очень редко, поэтому можно считать, что на глубинах, больших 300 метров, колебания частиц маловероятны. В то же время средние глубины океанов составляют: Тихого 4028 метров, Атлантического 3656 метров, Индийского 3897 метров. Эти цифры показывают, что для развития наблюдаемого в действительности волнения в океанах глубины более чем достаточны. Можно полагать, что если бы глубины океанов были значительно меньше, чем они есть, на их поверхности наблюдалось бы такое же волнение, как и теперь. Однако если глубина моря оказывается меньше некоторого предела, то это обстоятельство весьма заметно отражается на характере волн, развивающихся под действием ветра на его поверхности. Дело в том, что при глубинах моря, меньших половины длины волны, частицы воды не могут двигаться у дна по круговым орбитам. Движениям такого рода мешает дно. Поэтому в мелком море частицы воды колеблются не так, как в глубоком. Они совершают движение по эллиптическим орбитам. Круговые орбиты как бы растягиваются или сплющиваются, причем тем больше, чем ближе частица ко дну моря. У самого дна эллипс превращается просто в прямую линию, и частица колеблется только в горизонтальном направлении.

Изменение формы орбит, по которым движутся частицы воды, не может не сказаться на форме самой волны. Форма волн в мелководных морях всегда отличается большой крутизной. Крутые волны очень неблагоприятны для плавания. Поэтому моряки не любят плавать в мелководных морях.

Но как бы ни было мелководно море, волны не могут существовать при крутизне, превышающей некоторый определенный предел. Достигнув этого предела, волна прекращает свое развитие, так как высота волны не может возрастать из-за большой крутизны, а длина волны также не может увеличиваться ввиду ограниченной глубины. Таким образом, для мелководных морей есть предельная высота волны, которую они не могут превысить при любой скорости ветра.

Так влияет глубина моря на форму и размер волн.

Но не только глубина моря определяет развитие волн в море. Горизонтальные размеры моря имеют не меньшее значение. Жители прибрежных районов хорошо знают, что когда ветер дует с открытого моря, волна у берега оказывается очень большой. Наоборот, когда ветер дует с берега, то как бы ни был силен ветер, волнение у берега всегда будет значительно меньшим, чем в открытом море. В чем же состоит причина такого явления? Чтобы выяснить причину, достаточно вспомнить рассмотренный выше опыт с распространением волн в канале, вызываемых движениями поплавка.

Энергия волны, расположенной непосредственно у поплавка, возрастает с каждым ударом поплавка о воду, но как бы много ни было этих ударов, энергия первой волны никогда не будет больше единицы. Энергия здесь не накапливается, потому что половина энергии волны, образовавшейся у поплавка, уходит вместе с формой волны в направлении ее распространения. Такое же положение будет наблюдаться и в том случае, когда ветер дует с берега, так как энергия, которая передается ветром волнам, бегущим от берега, непрерывно уносится в открытое море вместе с убегающими формами волн. Поэтому если даже долго дует ветер на море с берега и скорость его велика, волнение у берега не может достигнуть таких размеров, как в море. Чем дальше удаляться от побережья, тем больше будут волны.

Увеличение размера волн и прежде всего их высоты происходит потому, что каждая волна, бегущая от берега, получает определенное количество энергии от ветра непрерывно на всем пути своего движения. Кроме того, каждая волна, перемещаясь, встречает на своем пути частицы, которые уже находятся в движении, то есть частицы, обладающие определенным количеством кинетической энергии. Таким образом происходит накопление энергии волн по мере того как волна перемещается в направлении, совпадающем с направлением ветра. Чем больше будет расстояние, которое пробежит волна под действием ветра, тем большее количество энергии будет накоплено, тем больше будут высота волн, скорость, длина и период.

Однако развитие волн происходит только в том случае, когда направление ветра и направление перемещения волн совпадают. В случае, если направление ветра и направление перемещения волн не будут совпадать, развитие прекратится. Предположим, что ветер, дувший над некоторой частью поверхности моря, был одного направления, а дальше он изменил его. Там, где ветер сохранял направление неизменным, должны были развиваться волны, перемещающиеся в том же направлении, в котором дул ветер. При изменении направления ветра волны будут продолжать двигаться в том же направлении, в котором они перемещались под действием ветра, до тех пор, пока не затухнут. Но в том районе, где ветер изменил свое направление, будут создаваться новые системы волн, перемещающиеся в направлении, совпадающем с новым направлением ветра. В последнем случае накопление энергии волн начнется вновь, так как энергия первой системы волн будет уноситься вместе с волнами первой системы.

В случае, когда ветер оказывается противоположным направлению распространения волн, волнение очень быстро затухает. Мореплаватели неоднократно наблюдали, как бурные волны при встречном ветре за несколько часов полностью затухали.

Расстояние, на котором направление ветра совпадает с направлением распространения волн и, следовательно, на котором происходит накопление энергии, называют разгоном ветра. Таким образом, чем больше разгон ветра, тем (при прочих равных условиях) больше высота волны.

Другим обстоятельством, определяющим развитие волн, является продолжительность действия ветра. Чем дольше действует ветер неизменного направления на водную поверхность, тем больше энергии он передает поверхности моря и, следовательно, тем большее развитие получают волны.

Разумеется, что как для разгона ветра, так и для продолжительности его действия существуют пределы, после которых увеличение разгона или продолжительности действия ветра не может отразиться на развитии волн. Однако в природе редко наблюдаются такие положения, когда ветер большой скорости, оставаясь неизменным по направлению, достигает продолжительности предельных значений, после которых прекращается рост волн. Продолжительность ветра большой скорости оказывается, как правило, не особенно большой, так как циклоны, вызывающие очень большие скорости ветра, обычно не задерживаются в одном каком-либо-районе, а довольно быстро перемещаются из одних районов в другие. Так, циклоны средних широт над океанами и морями имеют скорости 40—60 километров в час. По мере же перемещения циклона ветер в том или ином районе изменяет как направление, так и скорость.

Поскольку размеры циклонов сравнительно невелики (от 1000 до 2000 километров), ветер большой скорости неизменного направления на большом пространстве не может дуть длительное время. Так, например, установлено, что зимой в штормовой сезон в северной части Атлантического океана разгон ветра редко превышает 1100 километров при скорости ветра, равной 20 метрам в секунду. При этих условиях высота волн не превосходит 10 метров. Для возникновения волн высотой 15 метров разгон ветра должен быть не менее 1500 километров, а скорость ветра не менее 25 метров в секунду. При этом ветер такой силы должен свирепствовать около суток.. Такие огромные величины разгона ветра, скорости ветра и продолжительности его действия на водную поверхность в одном и том же районе могут встречаться только в исключительно редких случаях. Вот почему в последнее время считают, что наибольшая высота волн, наблюдаемая в океане,, не превышает 15—16 метров. При этом имеется в виду, конечно, не одна случайно встретившаяся волна, а целая серия штормовых волн (см. вклейку после стр. 264). Что касается отдельных волн, как бы случайно-возникающих в результате слияния или сложения очень крупных волн, то имеются достоверные наблюдения, указывающие на то, что иногда возникают волны значительно больших размеров, чем указано выше.

Так, например, с судна «Рамапо» 7 февраля 1933 года наблюдалась-волна высотой 34 метра. Эта волна была замечена при штормовой погоде,, длившейся продолжительное время в северной части Тихого океана.

В Атлантическом и Тихом океанах наблюдались также волны высотой 17, 18, 21 метр.

Наибольшая длина волны, когда-либо наблюдавшаяся, достигала-824 метров. Это была волна зыби, распространявшаяся в экваториальном районе Атлантического океана. Однако можно думать, что длина волны: 824 метра не является предельно возможной. Вероятно, волн с большей длиной не наблюдалось только из-за трудности наблюдений очень длинных волн.

Как уже отмечалось выше, скорости волн зыби могут достигать, очень больших значений и даже превышать скорости ветра. Так, например, простые подсчеты показывают, что скорости распространения формы-волны достигают 15, 20, 30 метров в секунду. Благодаря таким огромным скоростям хорошо заметные волны зыби (а не только волны-предвестники, наблюдение которых требует специальных приборов) часто могут предупреждать о приходе шторма. В связи с этим на западном побережье Ирландии волны зыби, приходившие от определенного направления, местными жителями назывались «волнами смерти».

Особенно внимательно наблюдают за волнами крупной зыби в тихую погоду жители районов, где иногда развиваются тропические ураганы, так как зыбь позволяет судить о приближении тропических циклопов. Скорость ветра в тропических циклонах достигает 40—50 метров в секунду. Ветер при такой скорости представляет очень большую опасность.

Но бывают случаи, когда ураганы вызывают волны, совершенно не похожие на обычные ветровые волны. Это чрезвычайно длинные волны: они перемещаются иногда в виде одиночных гребней, а иногда идут последовательно 2—3 гребнями. Эти одинокие волны на отмелых берегах приводят к наводнениям, причем высота затопления иногда достигает 12 метров. Имеющиеся сведения об этих волнах говорят, что они обрушиваются на берег с такой силой и внезапностью, что спасение от них считается невозможным.

Вот некоторые факты:

В 1900 году 8 сентября такая волна обрушилась на город Галвестон в США, в результате в море было унесено 6 тысяч человек. Были причинены колоссальные разрушения.

В 1935 году 9-метровая волна вкатилась на берег Флориды и унесла с собой 409 жизней.

В 1932 году с острова Куба было смыто 2500 человек.

В 1879 году в дельте реки Годавари от такой волны погибло 20 тысяч человек.

В 1864 году в устье реки Ганг погибло 50 тысяч человек и 100 тысяч голов скота.

Величайшую катастрофу, когда-либо наблюдавшуюся на побережье морей, также связывают с волной именно такого рода. Речь идет о катастрофе, происшедшей на берегах Бенгальского залива в 1737 году, когда волной, созданной ураганным ветром, было смыто почти 300 тысяч человек и уничтожено 20 тысяч судов.

Природа этих волн пока остается малоизученной; так как одинокие волны наблюдаются сравнительно редко и только у берегов. Весьма возможно, что суда, находящиеся вдали от берегов, просто и не замечают одиноких волн. Наблюдение же у берега представляет исключительные трудности. Для этого необходимо, конечно, хорошо подготовиться, но как это сделать, если такие волны появляются очень редко и можно прождать несколько лет, а волна у берега, где ее ожидают, так и не появится? Надо полагать, что эти волны представляют собой нечто среднее между обычными ветровыми волнами и сгонно-нагонными колебаниями уровня моря, с которыми мы познакомимся ниже.

Однако опасность представляют не только одинокие волны. Большую опасность представляют для плавания судов в открытом море и обычные штормовые волны. Даже современные военные корабли иногда терпят серьезные аварии от штормовых волн. Бывают случаи, когда штормовое волнение приводило к гибели кораблей. Чем же опасны волны?

Для ответа на этот вопрос проще всего проследить вначале за поведением корабля, когда по зеркально гладкой поверхности моря размеренно и спокойно бегут волны мертвой зыби. Корабль на такой волне будет равномерно, в такт зыби, совершать однообразные колебания, очень неприятные для экипажа и пассажиров, но, как правило, совершенно безопасные как для самого корабля, так и для людей. При большой крутизне и большой высоте зыби некоторые корабли на ходу черпают носом воду. Но это также неопасно, так как вода стекает с палубы в специально для этой цели сделанные отверстия.

Совершенно иначе ведет себя корабль на штормовой волне, когда море покрыто волнами самых разнообразных размеров и форм. В этом случае качка корабля неравномерна и беспорядочна, как и вид поверхности моря. Корабль то вздымается на вершину огромной волны, то стремительно спускается между гребнями двух волн настолько, что с палубы не видно плывущего поблизости судна, то на какое-то время оказывается неподвижным, а затем получает резкий толчок, и т. д.

Самую большую опасность для людей и даже для судов представляют огромные массы воды, которые ветер срывает с гребней волн и бросает с большой силой на корабль. В результате таких ударов воды продавливаются шлюпки, сбиваются палубные надстройки, проламываются люки и вода проникает в каюты и трюмы. Недаром старые моряки говорят, что в шторм не так страшен ветер, как волны. Иногда удары воды бывают настолько сильными, что повреждают корпуса военных судов, выдерживающие удары артиллерийских снарядов. Так, совсем еще недавно, 5 июня 1945 года, американский крейсер «Питсбург» в западной части Тихого океана при прохождении тайфуна потерпел серьезную аварию — волны сорвали часть кормы протяжением 40 метров. Только благодаря непроницаемым переборкам крейсер не затонул. Известны также случаи гибели эсминцев в результате действия штормовых волн.

Особенно опасно волнение, которое развивается тропическими ураганами. Эта опасность проистекает из того, что горизонтальные размеры тропических циклонов невелики, а ветер, связанный с этими циклонами, обладает исключительной силой. Волны, развиваемые ветрами тропических циклонов, отличаются большими высотами и крутизной. Волны, вызванные ветрами в одной части циклона, не совпадают по направлению с волнами, рожденными в другой части циклона. Волны распространяются вследствие этого так, что несколько систем волн надвигается одна на другую. В результате картина волнения оказывается весьма хаотичной. Образуются высокие волны с очень острыми вершинами (рис. 6). Волнение, развиваемое тропическими ураганами, давно считается самым опасным. Перед фронтом тропического циклона, где, как правило, и происходит столкновение волн, распространяющихся от разных направлений, даже при сравнительно слабом ветре, так же как при шторме, на палубы судов обрушиваются огромные массы воды, сокрушающие все на своем пути. Многие суда, попавшие в такое волнение, погибли вместе с экипажем и пассажирами.

Выше отмечалось, что плавание судов во время крупной зыби хотя и неприятно для людей, находящихся на судне (из-за морской болезни), но в большинстве случаев почти безопасно (исключением является только что рассмотренный случай распространения зыби перед тропическим циклоном). Волны зыби не имеют крутых гребней, способных внезапно с силой обрушиться на корабль и причинить ему повреждение. Одной из основных причин образования гребней являются молодые, недавно возникшие волны, имеющие малые периоды длины и высоты. Следовательно, для того чтобы уменьшить опасность, нужно сделать штормовые волны похожими на волны зыби. Мореплаватели с давних пор знают средство, способное хотя бы на короткое время сгладить небольшие, непрерывно рождающиеся и развивающиеся волны на поверхности основных крупных волн. Таким средством являются всякого рода масла. Масло на поверхности моря растекается самопроизвольно и равномерно во все стороны с довольно большой скоростью. Если с корабля вылить на поверхность моря некоторое количество масла, то корабль вскоре оказывается в центре масляного пятна. На всем том пространстве, которое занимает масляное пятно, полностью исчезают капиллярные волны, исчезают также и некрупные волны, а гребни основных штормовых волн становятся менее крутыми и более не угрожают обрушиться на палубу корабля.

Таким образом, тонкий слой масла оказывается способным на некоторое время прекратить развитие волн и погасить уже существующие не очень крупные волны. Много строилось всевозможных догадок о причинах погашения волн маслом. В частности, предполагалось, что масло уменьшает трение между водой и воздухом, поэтому прекращается зарождение и развитие новых серий волн. Только сравнительно недавно Р. Н. Иванов рядом опытов, проведенных им на Черноморской гидрофизической станции, показал всю несостоятельность такого предположения, а академик В. В. Шулейкин вскрыл истинную причину этого интересного явления. Оказалось, что волны гасятся маслом в результате затраты энергии, передаваемой ветром волнам, на трение, которое возникает между молекулами масла. Трение между молекулами возникает потому, что пленка масла, следуя за взволнованной поверхностью воды, то растягивается, то сжимается. Толщина масляной пленки то состоит из одного ряда молекул, а то из двух, трех рядов молекул и более. Вот на перестройку-то рядов молекул (которая происходит тем с большей частотой, чем меньше период волны) и затрачивается то количество энергии, которое ветер передает волнам.

Бывали случаи гибели судов от волнения совсем по иным причинам. Так, например, если длина корабля оказывается равной длине волны, то нетрудно себе представить, как такой корабль может потерпеть аварию. Ведь попеременно на него будут действовать силы, стремящиеся его разломить пополам. Действительно, когда нос и корма такого корабля будут находиться на гребнях двух соседних волн, средняя часть корабля будет провисать, а в случае, когда гребень сместится к средней части корабля, будут провисать носовая и кормовая части корабля. Словом, в этом случае волна будет действовать на корабль так же, как действует человек, стремясь отломить руками проволоку или крышку от консервной банки. В таких условиях судно долго не может существовать. Зарегистрирован не один случай перелома судов именно по этой причине.

Бывают и другие опасные для судов явления, вызванные ветровыми волнами. Так, например, академик В. В. Шулейкин в своей книге «Очерки по физике моря» описывает очень интересное явление, которое ему пришлось наблюдать в Японском море. Ниже приводятся выдержка и рисунок, заимствованные из названной выше книги.

«На рис. 7 изображено несколько записей волн, полученных автором в Индийском океане (кривая а) во время мертвой зыби, на Южно-Китайском (кривая б), Восточно-Китайском (в) и Японском (г) морях. Зыбь Индийского океана была очень длинная и пологая, с большим периодом (свыше 10 секунд). Напротив, в Японском море корабль попал в штормовую полосу, волны были высокие и период их был иной — около 6 секунд. Интересно отметить громадные размахи, которые делал корабль на волне, — в последнем случае они достигали 13,511 метра, то есть вышины трех- б этажного дома. Было бы в ошибочно, однако, думать, что так велика здесь была г высота волны. Нет, высота волны значительно меньше, но корабль попадал в резонанс, ибо период собственных колебаний корабля равнялся также приблизительно 6 секундам. Если вы когда-нибудь качались на качелях, то должны помнить, каких больших размахов на них можно достигнуть, если каждый раз подталкивать качели «в такт». Подобное же подталкивание производят и волны, если их период близок к периоду собственных колебаний корабля, то есть тех колебаний, которые он совершал бы, если бы мы какой-нибудь силой погрузили его в воду несколько глубже его нормальной осадки, а затем предоставили самому себе (корабль качался бы вниз и вверх подобно поплавку, за который дернула рыба и который затем прыгает, пуская вокруг себя кольцевые волны)».

Эта запись, полученная в Японском море, сослужила двойную службу. С одной стороны, она показала, какие опасные размахи может совершать корабль, попавший в резонанс с волной (на том же корабле полгода назад в Восточно-Китайском море при еще более сильных колебаниях был убит капитан, которого оторвало от поручней и ударило о стенку рубки); с другой стороны, было обнаружено, что при всех измерениях высоты волн с корабля (какими бы методами они ни производились) необходимо внимательно следить за тем, не искажаются ли результаты из-за близости корабля к резонансу, не совершает ли сам корабль значительных колебаний относительно поверхности волн, помимо тех колебаний, которые проделывает эта поверхность волн относительно уровня спокойного моря.