Глубина океана - фактор, определяющий характер волн

  Продвигаясь далее вдоль спектра, показанного на рисунке 17.2, мы встречаем группу очень длинных волн с очень большими периодами, важнейшими примерами которых служат цуна­ми и приливные волны. Мы видим, что характеристики очень длинных волн частично определяются глубиной воды, поэтому нам надо описать, каким образом и в какой обста­новке волны могут «почувствовать» влияние океанского дна. Чтобы сделать это, мы должны рассмотреть, как ве­дет себя сама водная среда, когда через нее проходит волна.

  Рисунок 17.7 иллюстрирует поведение частиц вод при перемещении волны по морской поверхности. В начальный момент два соседних гребня волны находятся в положении 10 и 20: эти числа соответствуют времени, выраженному в секундах.

  1. По мере приближения гребня поверхностная вода перемещается в направлении движения гребня и вверх, так что гребень приходит в среднее положение 10, частица оказывается вверху и движется вместе с гребнем. Следовательно, передний слой ветровой волны — это зона схождения поверхностных вод. (Вспомним, что именно здесь усиливаются очень короткие волны, от которых энергия передается капиллярным волнам, а затем переходит в тепло.) Задний склон ветровой волны, наоборот, — зона, где поверхности расходятся, т. е. растягиваются. Те, кто был в море, очень хорошо знают, что тыловой склон волны всегда более гладкий, чем «морщинистый» фронтальный склон.

  2. Когда гребень волны достигает положения 20, рас­сматриваемая частица воды, пройдя по траектории в форме окружности, возвращается в свое исходное положение. Фак­тически эта траектория никогда точно не повторяется: ча­стица испытывает небольшое смещение в направлении рас­пространения волны. На глубокой воде в открытом мор такое результирующее смещение мало по сравнению с максимальным радиусом кругового движения частицы при про хождении волны.

  3. Диаметр замкнутой траектории, описываемой поверхностной частицей, равен полному вертикальному расстоя­нию между гребнем и впадиной, т.е. «высоте» волны. Частицы же, находящиеся на глубине, движутся по траекториям гораздо меньших размеров. Убывание диаметра траектории с глубиной происходит по экспоненциальному закону, на рисунке 17.7 траектории показаны в истинном масштабе отношению к длине поверхностной волны. Ясно, что в глубинах, превышающих половину длины волны, смещение частицы пренебрежимо мало, и это приводит нас непосредственно к теме следующего раздела.

 Траектории смещения частиц воды на разных глубинах за время одного периода прохождения волны

Рисунок 17.7. Траектории смещения частиц воды на разных глубинах за время одного периода прохождения волны. Круговое движение отдельного малого объема воды показано последовательными схе­матическими окружностями. Траектории частиц близки к окружностям, радиусы которых быстро уменьшаются с глубиной. Если длина волны не превышает по меньшей мере вдвое глубину бассей­на, волна не «чувствует» фрикционного торможения со стороны твердого дна.

 

Волна «чувствует» дно благодаря трению

  Исходя из п. 3, мы заключаем, что поверхностные волны в открытом море не могут «чувствовать» дно, потому движение частиц быстро затухает с глубиной. В таблице 17.1 самые длинные волны — 384-м — имеют период 15,5 с наши волны с периодом 20 с имели бы длину около 600 м. Следовательно, если глубина океана больше 600/2, движение частиц у дна пренебрежимо мало. Никакого фрикционного «торможения» о дно, которое могло бы замедлить волну или отобрать у нее энергию, не существует.

  Однако влияние трения начинает проявляться, когда волна приближается к берегу. Вспомним, что средняя глубина моря там, где кончается шельф и начинает­ся материковый склон, составляет 135 м, т. е. около 0,2 от длины рассматриваемой нами волны. Из рисунка 17.7 видно, что на такой глубине частицы воды описывают траектории существенных размеров, двигаясь со скоростью 0,3 от ско­рости поверхностных частиц. По мере того как волна движется по шельфу к берегу, дно все больше влияет на движе­ние частиц воды. Траектория частиц у дна, очевидно, уже не может быть кругом — она уплощена, и частица соверша­ет колебательные движения вперед-назад вдоль дна; это и является источником трения и тем механизмом, посредст­вом которого волна начинает «чувствовать» дно. На рисунке 5.8 указаны силы, приводящие в движение осадки мелководного шельфа. В середине шельфа — на глубинах 100 м и больше — только очень длинные волны вызывают колебания воды, достаточные, чтобы сдвинуть и взмутить донные осадки; например, только что упоминавшаяся нами волна способна сделать это. Конечно, подавляющее большинство ветровых волн гораздо короче, чем волна, показанная на рисунке 17.7, и они не испытывают влияния дна, пока не подойдут к берегу совсем близко. (Подробнее поведение волн у пляжей и береговых линий описывается в главе Исследования в прибрежной области океанов.)

 Обычно ветровые волны редко перехлестывают через береговые подпорные стенки, как видно на этом снимке

Обычно ветровые волны редко пере­хлестывают через береговые подпор­ные стенки, как видно на этом сним­ке. Но под ураганным ветром по­верхностная вода может хлынуть на берег. Вал воды бывает высотой в несколько метров и преодолевает бе­реговые ограждения, производя тя­желые разрушения зданий и соору­жений на побережье.