Типы и характеристики волн

  Волны и волновые движения в океанах характеризуются чрезвычайно широким диапазоном длин волн, т. е. расстоя­ний от гребня до гребня, и периодов, т. е. интервалов вре­мени, необходимых для прохождения двух последователь­ных гребней мимо наблюдателя. Самые малые — капилляр­ные поверхностные волны, имеющие длины в несколько сантиметров и периоды в доли секунды. Самые длинные волны — приливные, расстояние между их гребнями дости­гает половины окружности Земли, т. е. около 20 тыс. км. Но период приливных волн не самый большой. Длинным периодом отличаются медленные внутренние волны, кото­рым требуются месяцы, чтобы пересечь океан.

  Широкие диапазоны длин и периодов волновых движе­ний в океане можно наглядно изобразить, например, в виде спектрального графика, представленного на рисунке 17.2. По одной оси этого графика указаны различные типы волн, классифицированные по периоду. Если принять во внимание малое расстояние между гребнями и то, что капиллярные волны движутся очень быстро, становится ясно, что их пе­риод — самый короткий из всех. В середине шкалы располагаются приливы и цунами. Их периоды составляют от не­скольких минут до нескольких часов. Эти волны также рас­пространяются очень быстро, проходя сотни километров за час, но их длина от гребня до гребня столь значительна, что время, необходимое для прохождения одного цикла, весьма велико. На дальнем конце спектра находятся явления с чрез­вычайно длинными периодами. Например, медленные изме­нения океанических течений, вызванные сезонными измене­ниями ветров, можно рассматривать как волнообразные возмущения с периодом в год. Другие вариации могут иметь период в несколько лет, как в случае явления Эль-Ниньо, связанного с так называемым Южным колебанием (Силы, приводящие в движение океаны и атмосферу).

  На рисунке 17.2 представлены также механизмы, создающие волновое движение, или препятствующие ему, или влияю­щие на его распространение. Например, поскольку вода на гребне ветровой волны в данный момент находится выше среднего уровня моря в этой точке, — значит, ветер, чтобы поднять ее туда, совершил работу против силы тяжести; таким образом, возмущающей силой является ветер. Силой, вызывающей приливы, служит притяжение планет. Цунами возникает вследствие сейсмической подвижки на дне моря, чаще всего — землетрясения, но крупные турбидные потоки (и крупные оползни) также могут приводить к возникновению цунами. Возмущающая сила здесь также производит работу против силы тяжести, так что именно сила тяжести выступает в роли основной силы, возвращаю­щей поверхность моря в невозмущенное состояние. Однако при образовании капиллярных волн ветер преодолевает си­лу поверхностного натяжения на самой поверхности воды, так что главной возвращающей силой в этом случае являет­ся поверхностное натяжение. Для очень долгопериодных волн картину осложняет сила Кориолиса, вызывающая от­клонение от направления распространения волны. При рас­пространении внутренних волн вдоль разделов в поле плот­ности, таких, как термоклин, механизм генерации волн сно­ва должен действовать против силы тяжести. Однако раз­ность плотностей воды выше и ниже термоклина очень ма­ла — меньше одной десятой от разности плотностей возду­ха и морской воды на их поверхности раздела. По этой причине внутренние волны могут иметь амплитуды в сотни метров, но они не переносят так много энергии, как неболь­шие ветровые волны. Океанологи только сейчас начинают раскрывать тайны внутренних движений в океанах.

Спектр волнения - распределение энергии между встречающимися в океанах всевозможными типами волн

Рисунок 17.2. Спектр волнения — распределение энергии между встречающимися в океанах всевозможными типами волн. Для всех волн ука­заны периоды.

  Высота каждого пика кривой на рисунке 17.2 характеризует общее количество энергии, заключенное в волнах определен­ной длины в любой момент времени и суммированное по всем океанам. Например, в ветровых волнах больше энер­гии, чем в волнах любого другого типа. Это не значит, что одна ветровая волна, с которой мы можем поиграть на пляже, имеет самый большой запас энергии. Нет, это озна­чает, что в каждый момент времени в бесчисленных ветро­вых волнах, возмущающих всю огромную поверхность океа­нов, запасено больше энергии, чем в любом другом типе волн, включая приливы. Теперь мы рассмотрим различные типы волн более подробно.

Капиллярные волны

  Самые короткие волны, наблюдаемые на поверхности мо­ря, возбуждаются трением между двумя текучими средами — воздухом и водой. Эти волны представляют собой то са­мое первое изменение формы поверхности, которое возника­ет, когда начинает дуть ветер. Стоя ранним утром на высо­ком берегу над спокойным озером, мы можем видеть, как первый слабый ветерок сменяет безветрие и на поверхности воды внезапно появляются и исчезают пятна легкой ряби, которые иногда называют «кошачьими лапками». Это и есть участки развития капиллярных волн с длиной волны всего лишь 2-5 см. Трение о воздух морщит водную гладь в череду мелких волн, а поверхностное натяжение воды все время стремится возвратить поверхности ее первоначаль­ную гладкость, характеризующуюся минимальной энергией. Вот так и теряют капиллярные волны свою энергию движе­ния, переходящую благодаря молекулярной вязкости воды непосредственно в тепло.

  В море капиллярные волны часто не заметны на фоне других волн длиной в сотни метров. Но они всегда возника­ют, как только скорость ветра превысит несколько метров в секунду. А поскольку ветры в море дуют почти все время, увидеть «зеркальную гладь» океанской поверхности удается чрезвычайно редко. Я видел такой океан только раз и могу засвидетельствовать, что это жуткая картина: длинные тя­желые волны изгибали зеркально гладкую поверхность, но никакой ряби не было.

  Трение ветра — не единственная причина капиллярных волн. Очень внимательный наблюдатель заметит в море внезапное появление капиллярных волн прямо перед гребня­ми очень коротких гравитационных волн, когда их крутизна нарастает и они становятся почти неустойчивыми. Но вме­сто того чтобы обрушиваться вперед, как это делают круп­ные ветровые волны, жидкость у гребня как бы «сползает» вперед, образуя ряд морщин. Это тоже капиллярные волны; они представляют собой важный промежуточный этап в диссипации энергии крупных волн (их энергия превращается прямо в тепло благодаря вязкости) и поэтому действуют как «короткое замыкание» при непрерывном накоплении энергии «больших волн», что будет описано в следующем разделе.

На фотографии можно видеть волны самых разнообразных типов

На этой весьма содержательной фотографии можно видеть волны самых разнообразных типов. Самые маленькие капиллярные волны создают крошечные блики отраженного солнечного света. Следую­щие по размеру — очень короткие гравитационные волны, которые придают поверхности «морщинистый» вид. Еще более длинные волны — обычные ветровые.

Очень короткие гравитационные волны

  Когда длина поверхностной волны увеличивается до 5 - 30 см, сила тяжести начинает оказывать все большее влияние на ее форму и движение, оставляя силе поверхностного на­тяжения важную роль только в круто искривленной части волн вблизи гребня. Имея период 1 с, эти волны распространяются очень медленно — гораздо медленнее типичных поверхностных волн. Соответственно такие волны наблю­даются на склонах и гребнях более быстрых ветровых волн и зыби. Именно в это время очень короткие волны стано­вятся наиболее крутыми и теряют свою энергию, причем на поверхности моря развиваются только что описанные ка­пиллярные волны.

  При шторме резкое вздымание волн в сочетании с силь­ными порывами ветра вызывает частое обрушение волн, создавая белые гребешки на море — так называемые бара­шки. Энергия не может рассеиваться через короткие и ка­пиллярные волны настолько быстро, чтобы понизить ост­рые гребни крупных морских волн и предотвратить их обру­шение. В древности моряки знали это по опыту. В бурном море рулевой направлял свой корабль в том же направле­нии, куда катились волны, благодаря чему они набегали на корму судна. Чтобы волны не перехлестывали через корму, команда подвешивала за кормой парусиновые мешки с про­масленным тряпьем. Жир уменьшал поверхностное натяже­ние, препятствуя образованию медленных коротких и капил­лярных волн и тем самым понижая силу торможения круп­ных волн. В результате большая волна проходила под ко­раблем без обрушения. Из этого опыта и родилось старин­ное правило: «умасли потревоженные воды»; сегодня, забо­тясь об окружающей среде, мы уже не можем поступать по­добным образом.

Ветровые волны

  Как отмечалось раньше, в ветровых волнах содержится больше энергии, чем в океанских волнах любого другого ти­па; на рисунке 17.2 этому соответствует высокий и широкий пик энергии между периодами 5 и 30 с. Наибольшая часть энергии, накопленной в ветровых волнах на безбрежных просторах океана, в конце концов достигает того или иного побережья и рассеивается в процессе турбулентности в при­бойных зонах. В главе Исследования в прибрежной области океанов мы узнаем, что концентрация энер­гии в волне возрастает как квадрат ее высоты (Н2). Вели­чина этой энергии поразительна: волна с периодом 10 с и высотой 2 м несет в каждом погонном метре гребня столь­ко энергии, что ее достаточно для питания 250 электричес­ких лампочек по 100 Вт каждая. Такая энергия, однако, рас­пределяется по Мировому океану неравномерно. Возбудите­лем этих поверхностных волн служат ветры; поэтому мож­но ожидать, что волны с наибольшим запасом энергии воз­никают в тех же поясах, где дуют приповерхностные запад­ные и восточные ветры. Наиболее показательный пример (рисунок 17.3)— приуроченность самых больших ветровых волн, возникающих в поясе между 40 и 50° ю.ш., к зоне за­падных ветров в этом регионе Южного океана, иногда на­зываемом «ревущие сороковые и неистовые пятидесятые». Здесь, ввиду того что ветер дует неослабно вокруг всего земного шара, возникают самые длинные из всех поверх­ностных волн: длина некоторых из них превышает 500 м, а скорость — 25 м/с. Неудивительно, что «обогнуть мыс Горн», т. е. проплыть вокруг оконечности Южной Америки (у 54° ю.ш.), было серьезным экзаменом для первых мореплавателей и получило мировую известность как испытание силы и мужества моряков, а также надежности корабля.

 

Карта Мирового океана с изолиниями средней высоты поверхностных ветровых волн для зимнего сезона Южного полушария 1978 г.

Рисунок 17.3. Карта Мирового океана с изоли­ниями средней высоты поверхностных вет­ровых волн для зимнего сезона Южного по­лушария 1978 г. по альтиметрическим дан­ным со спутника «Сисат». Ясно видно, что в Южном океане концентрируется наиболь­шая часть энергии волн, возбуждаемых вет­рами «ревущих сороковых и неистовых пя­тидесятых» (широтный пояс западных вет­ров). Шкала разной густоты закраски в нижней части рисунка соответствует раз­ным градациям высоты волн.