Обзор волновых движений в океанах

  Многие движения океанских вод имеют волновой или вол­нообразный характер, так что вначале важно определить, где возникают волны и в чем проявляется волновое движе­ние, а также описать само это движение.

  1. В качестве общего закона можно утверждать, что если произвести какую-либо работу по перемещению морской во­ды в пределах некоторого района, то по меньшей мере часть затраченной энергии уйдет из этого района в виде волнового движения самой воды. Действительно, именно эта сторона поведения больших масс воды временами за­трудняет объяснение локальных физических явлений; часть таких явлений оказывается результатом высвобождения в данном районе энергии, приобретенной где-то вдали от него, или результатом того, что энергия просто «проходит че­рез» этот район по пути к какой-то другой области.

  Показательный пример был отмечен в 1976 г. при прове­дении широкомасштабных экспериментов по изучению апвеллинга у берегов Перу. Физики установили в океане не­сколько измерителей течений, чтобы выяснить характер движения богатой питательными веществами глубинной во­ды к берегу под экмановским действием локального ветра (рисунок 10.8). Однако анализ измерений показал, что апвеллинг сопровождается волновыми движениями, развитыми на большой площади, и распространение этих волн не кор­релирует с локальным ветром; вместо этого оказалось, что проходящая волна образуется под воздействием циклических крупномасштабных изменений поля ветра. Только часть ло­кальных движений воды была реакцией на местные воздей­ствия.

 

Взволнованная поверхность моря при скорости ветра 15 м/с

Взволнованная поверхность моря при скорости ветра 15 м/с.

 

  2. Движение в виде волн — один из способов передачи энергии в жидкости от одной точки к другой. Передается именно энергия; масса воды при волновых движениях не пе­реносится, что можно проиллюстрировать двумя важными примерами.

  а)   Штормы, генерируемые ветрами в Южном океане око­ло Антарктиды, передают большое количество энергии крупным поверхностным волнам, которые затем распро­страняются на просторах как южной, так и северной части Тихого океана и в конце концов отдают энергию у берегов в нашем полушарии. При разрушении этих волн в прибойной зоне пляжей Орегона высвобождается энергия, которая пе­ремещает песок вверх по берегу и вдоль береговой линии; первоначально эта энергия была заключена в ветровых вол­нах за тысячи километров от этих мест.

  б)   Сейсмическая подвижка в дне океана у берегов Чили сообщает энергию волне цунами, которая затем распростра­няется через Тихоокеанский бассейн со скоростью до 800 км/ч и отдает эту энергию у берегов Гавайских остро­вов в виде водяной стены, обрушивающейся на берег. Ни в одном из этих случаев морская вода не перемещается из од­ного полушария в другое.

  3. Волновые движения в жидкости наиболее интенсивны там, где резко меняется ее плотность (рисунок 17.1). На грани­це раздела вода — воздух источником энергии служит тре­ние между поверхностными ветрами и водой, создающее обычные ветровые волны. «Концентрация» этой энергии максимальна на самой границе раздела. Энергия в ветровых волнах быстро спадает с глубиной; подводная лодка, нахо­дящаяся на глубине 50 м, почти не чувствует волнения, в то время как на поверхности волны безжалостно качают ко­рабль.

Рисунок 17.1. Волны переносят энергию.

Волны переносят энергию

Внутри циклона образуется множество очагов турбулентных пуль­саций атмосферного давления. Ветры возбуждают волны, движу­щиеся в том же направлении, что и сам ветер. Эти волны называ­ются ветровыми.

Там, где слои океанской воды различаются по плотности, под воздействием шторма образуются внутренние волны; они могут иметь гораздо большую амплитуду, чем поверхностные волны, но гораздо меньшую энергию, так как эффективная сила тяжести про­порциональна разности плотностей соседних слоев.

 Волны переносят энергию

Штормовые ветры нагоняют воду на берег; в сочетании с высоки­ми приливами и высокими волнами это нагромождение воды назы­вается «штормовым нагоном» и может представлять большую опасность.

Внутренние волны могут «попадать в ловушку» и переносить энергию вдоль береговой линии на большие расстояния; они назы­ваются «волнами Кельвина».

  Значит ли это, что везде, где происходит резкое измене­ние плотности морской воды, например, в зоне термоклина в двухслойном океане, вдоль границы раздела плотностей движутся волны? Ответ на этот вопрос — положительный (рисунок 17.1), и волны в данном случае относятся к типу «внутренних» волн. Наблюдатель, находящийся на поверхности, может и не подозревать, что несколькими десятками метров ниже сам термоклин испытывает волнообразные подъемы и опускания, которые медленно распространяются вдоль него. Один из ещё не решенных вопросов океанологии состоит в том, как образуется этот тип внутренних волн. Мы вполне определенно знаем, что штормы на море гене­рируют цуги внутренних волн, амплитуды которых могут превышать сотню метров. Внутренние волны другого типа обнаружены у изолированных островов и похожи по своей структуре на подветренные волны в облаках, распространя­ющиеся в направлении ветра от высоких горных вершин.

  Береговая линия океанов — это резкий раздел между жидкой водной средой и горными породами материка. Осо­бого типа поверхностные волны, возникающие в этой обла­сти, называются «краевыми волнами». Мы не можем «уви­деть» эти волны: их длина, составляющая несколько кило­метров, слишком велика, но чувствительные приборы спо­собны обнаружить периодический подъем и спад уровня мо­ря. И опять-таки амплитуда этих волн максимальна у бере­говой линии и быстро снижается при удалении от берега. Волны распространяются параллельно берегу, отсюда и их название — «краевые». Волнообразное движение, упомяну­тое в связи с прибрежным апвеллингом, — это очень круп­ная волна, распространяющаяся вдоль континентальной окраины как «прибрежная захваченная волна»; расстояние от одного гребня этой волны до другого вдоль берега мо­жет измеряться сотнями километров (см. также описание явления Эль-Ниньо в главе Силы, приводящие в движение океаны и атмосферу).

  4. Существует и другая форма волновых движений жид­кости. Это так называемые сейши, или стоячие волны. Все мы знакомы с ними — это они возникают в ванне, если двигать в воде рукой. Независимо от того, чем вызываются такие колебания, их период находится в прямой зависимо­сти от размеров резервуара. В океанских бассейнах главный источник волновой энергии — приливы; поэтому в каждом океанском или морском бассейне сейши возникают один раз или дважды в сутки: либо при полусуточном, либо при су­точном приливе. В местах с особыми условиями, например в заливе Фанди (Новая Шотландия), чрезвычайно большая разность между уровнями прилива и отлива, превышающая 15 м, — следствие резонанса между волнами в заливе и при­ливами открытого океана.