Очень длинные волны: цунами и приливы

  В обыденном английском языке ежедневные повышения и понижения поверхности моря у берегов обозначают словом tide (по-русски — приливы и отливы). Чаще всего мы не на­зываем их tide waves (приливные волны), хотя это именно волны; вместо этого волновой характер данного процесса выражают другими терминами: flood tide (полная вода), ebb tide (малая вода), slack tide (кроткая вода — период за­стоя между приливом и отливом), spring tide (сизигийный прилив — самый высокий прилив, наблюдаемый в новолу­ние и полнолуние), neap tide (квадратурный прилив — са­мый низкий прилив) и т. д. Здесь при описании приливных явлений используются как этот просторечный жаргон, так и точный термин: приливные волны. Англосак­сы привыкли называть так любые катастрофические явле­ния, когда вода стеной обрушивается на берег. В океаноло­гии высвобождение огромного коли­чества энергии, обладающей колоссальной разрушительной силой, обозначается японским словом цунами (буквально — «волна в заливе»).

  В действительности эти два явления — приливы и цуна­ми — не связаны между собой, если не считать того, что 1) оба они представляют собой очень длинные океанские волны и поэтому 2) скорость этих волн (V, м/с) зависит от глубины (D, м) океана в соответствии с формулой

V = √ 10 х D.

  При средней глубине океана 4000 м скорость их составля­ет √10 х 4000 = 200 м/с, т. е. 720 км/ч. Приливы вызыва­ются теми силами, которые удерживают планеты нашей

  Солнечной системы на постоянных орбитах. Цунами же возникают под действием сейсмических подвижек самого морского дна; энергия этих подвижек передается очень длинным волнам.

Цунами

  В спектре, приведенном на рисунке 17.2, для периода волн цунами указан интервал от 6 до 60 мин, тогда как при­ливы имеют периоды порядка 12-24 ч. Такое большое раз­личие характерных периодов обусловлено природой сил, возбуждающих эти волны. Цунами — реакция океана на им­пульс энергии, воздействующий на большую площадь, и может описываться как свободные колебания после «одно­кратного» воздействия. Приливы же всегда вынужденные по своей природе в том смысле, что океаны постоянно на­ходятся под действием сил, порождающих эти волны.

  Здесь волнам цунами не будет уделено много вни­мания, но некоторые особенности данного явления упомя­нуть стоит. Начнем со смысла этого японского слова — «волна в заливе». Почему именно это слово используют для обозначения сейсмически возбужденной волны? Оказывает­ся, потому, что для корабля в открытом море волна цунами визуально неразличима. Только когда волна подходит к очень мелководным участкам у побережья, она внезапно становится видимой и часто принимает форму гигантского вала, выкатывающегося далеко на берег. Поселки японских рыбаков часто уничтожались такими волнами, но сами ры­баки, если они в это время находились в море, не знали о случившейся катастрофе, пока не возвращались домой. По­скольку их деревни всегда находились на берегах заливов и мелководных бухт, рыбаки, не видя волны в открытом мо­ре, должны были сделать вывод, что она возникает в са­мом заливе.

  Если скорость свободной волны составляет, как мы под­считали, 200 м/с (720 км/ч), т. е. примерно в 10 раз превы­шает скорость малолитражки на открытом шоссе, цунами с периодом 10 мин будет иметь в открытом море расстояние между гребнями, т. е. длину волны, 120 км. Эти гребни не будут очень высокими — от силы несколько сантиметров; почувствовать, что корабль поднимается и опускается на 2 см за период 10 мин, невозможно, так как обычные ветро­вые волны качают корабль гораздо сильнее.

  Однако когда волна вступает на мелководье залива, ее скорость в соответствии с приведенной выше формулой ре­зко падает. Если передняя часть волны замедляется, а остальная часть все еще быстро приближается, полная энер­гия волны начинает концентрироваться. Форма волны меня­ется: гребень становится выше, а впадины — глубже. В кон­це концов гребень начинает обрушиваться вперед, как у обычных бурунов в зоне прибоя, но в отличие от обычного прибоя гребень цунами может иметь высоту в десятки мет­ров и, выплеснувшись на берег, производит колоссальные опустошения.

  Раннее предупреждение о цунами может предотвратить гибель людей и значительно уменьшить материальный ущерб. Океанологи разместили сеть станций раннего преду­преждения о цунами (TEWS) по всему Тихому океану (рисунок 17.8). Эти станции, оборудованные датчиками, отме­чают сигналы, вызванный цунами, и сразу же сообщают об этом всем станциям сети. Поскольку скорость волн легко рассчитывается, станции этой сети предсказывают и время появления цунами в том или ином пункте побережья; благо­даря этому службы гражданской обороны могут подготовить местное население к надвигающейся опасности. Стан­ции TEWS связаны также с сейсмическими станциями, ре­гистрирующими землетрясения, так что сеть оповещения о цунами немедленно приводится в полную готовность, как только поступает сигнал о землетрясении, происшедшем где-либо в океане.

Тихоокеанская сеть станций раннего предупреждения о цунами (TEWS)

Рисунок 17.8. Тихоокеанская сеть стан­ций раннего предупреждения о цуна­ми (TEWS). Показано расположение передающих станций и времена дви­жения цунами до Гонолулу. Интер­вал между изолиниями равен рассто­янию, проходимому волной цунами за I ч. Цунами, возникшее в океане у берегов Чили, двигаясь со средней скоростью 700 км/ч, дойдет до Га­вайских о-вов примерно за 15 ч.

  Мы оставили на самый конец разговор о том, как возни­кают волны цунами, ввиду следующего обстоятельства. Причиной цунами считаются резкие подвижки земной коры под океаническим дном при землетрясении. Мы не знаем, каким образом смещение коры сообщает энергию движения волнам: при одних «моретрясениях» цунами возникают, при других — нет. Но если корабль окажется точно над тем местом, где происходит подвижка, т. е. в эпицентре земле­трясения, то его команда ощутит последовательность про­дольных волн (волн давления), возбужденных этим толч­ком. Они распространяются со скоростью звука в воде. Мо­ряки говорят, что это похоже на то, как если бы ужасный Дейви Джонс молотил в днище корабля гигантской кувал­дой. Мне не хотелось бы испытать это ощущение.

Приливы

  После ветровых волн самое известное свойство морей — приливы. В английском языке они упоминаются во мно­жестве поговорок и метафор: «плывем на приливе», «время и прилив никого не ждут», «в делах людей бывают прили­вы и отливы». Во всех этих выражениях подчеркивается свойство пульсации, регулярности приливов и отливов. Та­кие пульсации не только происходят ежедневно, но и сама их величина, т. е. разность между отметками высокой и низкой воды в течение одних суток, тоже как бы пульсирует между некоторым максимумом, называемым сизигийным приливом, и минимумом — квадратурным приливом, с пе­риодом 14,75 сут, причем регулярно, как часы. И сама эти­мология названия этого периода "fortnight" («две недели») восходит к староанглийскому выражению.

  О приливах написаны целые книги. Уже давно матема­тики обратили внимание на регулярность приливов и при­шли к выводу, что должно существовать уравнение, с по­мощью которого можно было бы подсчитать высоту при­лива для любой точки побережья. Связь между сроками полной воды и прохождением Луны и Солнца через мериди­ан данного места стала ясна уже в древние времена. Но пер­вые попытки найти формулу для предсказания колебаний уровня моря не увенчались успехом. Хотя величину и про­должительность действия сил, создающих приливы, можно было рассчитать с большой точностью, основываясь на данных об орбитах небесных тел, тем не менее, ни одна ма­тематическая формула не могла адекватно описать сложную динамическую реакцию морской воды на эти силы. Мы вер­немся к этому вопросу позже.

  Можно сформулировать несколько общих утверждений о приливах. Перечислим их, сопроводив подробными поясне­ниями.

  1. Сила, создающая двугорбый прилив. Каждый знает, что океанские приливы вызываются Луной, точнее — вза­имным притяжением масс Луны и Земли. Хотя это выраже­ние не исчерпывает всех происходящих процессов, но в об­щем оно верное. Пара взаимодействующих масс (Земля — Луна) создает одну приливообразующую силу, которая в свою очередь создает в Мировом океане два горба воды. Эти водные горбы располагаются симметрично на ближней и дальней сторонах земного шара, причем возникают од­новременно. Разобраться, почему так происходит, всегда было для студентов трудной задачей.

  2. Суммарный прилив. Поскольку существует много не­бесных тел, образующих пару с Землей и создающих допол­нительную приливообразующую силу, общая сила, возбуж­дающая на Земле приливы, представляет собой суммарный эффект многих сил. В дальнейшем, говоря о реальных при­ливах, мы будем иметь в виду результирующую реакцию океана на действие многих сил (в основном Луны и Солнца). Все эти силы циклические, и их период зависит от взаимного расположения орбит Земли и другого небесного тела, образующего с Землей пару. Ни один из периодов не совпадает с другим, и все силы различаются по времени действия и относительной величине.

  3. Суточное неравенство. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, наблюдатель на протяжении одного обо­рота видит две приливные волны и каждый цикл продолжа­ется около 12 ч. Но поскольку земная ось наклонена к плос­кости эклиптики, в которой находится орбита обращения Земли вокруг Солнца, примерно на 23,5°, происходящие за сутки два прилива оказываются разной высоты. Этот ре­зультат называют суточным неравенством приливов.

  4. Местное запаздывание. Хотя каждая компонента при­лива «возбуждается» своей приливообразующей силой, ско­рость распространения результирующей волны определяет­ся глубиной океана и оказывается меньше, чем скорость пе­ремещения самой «силы». Следовательно, время, когда гре­бень приливной волны достигнет данной точки на побе­режье, обычно отстает от времени, когда Луна или другое приливообразующее небесное тело проходит в этом месте прямо над головой. Эта временная задержка называется местным запаздыванием.

  5. Приливные течения. Из-за того что у приливных волн такая большая длина — половина земной окружности для каждого из двух периодов двойной волны, — орбиты ча­стиц воды при прохождении таких волн на самом со­всем не похожи на «круговые орбиты»: они совершенно рас­плющены и в открытом океане скорее похожи на колебания вперед-назад. Вблизи побережья они превращаются в при­ливные течения. Но, поскольку под приливными течениям «прокручивается» и сама Земля, в нашем восприятии движе­ния приливных волн выглядят как течения с непрерывно ме­няющимися направлениями — вследствие эффекта Кориолиса. (Описание приливных течений на шельфе см. в главе Исследования в прибрежной области океанов.)

  6. «Стоячая» приливная волна. Большинство приливных волн создает самые сильные приливные течения тогда, ког­да водная поверхность располагается на среднем уровне мо­ря, а не в периоды полной или малой воды. Поэтому при­ливные волны относят к категории «стоячих волн».