Волны и волновые движения

Водные массы океанов реагируют на воздействие различных сил — как внутренних, так и внешних — возникновением волн и волновых движений.

О волнах на пенистой поверхности морской воды написано больше, чем о любых других особенностях океанов. Это естественно, потому что прежде, чем выйти в открытый океан, мореплавателям всегда приходилось пересекать вздымающуюся волнами пограничную полосу, а сделать это не всегда просто. Тот, кто выходит в море на корабле, почти всегда преодолевает этот рубеж у выхода из бухты или эстуария — страшного места, где кругом только пена и мечущиеся волны.

Большая часть мистических сказаний об океанах возникла в мировом фольклоре, вероятно, потому, что люди смотрели на океан со стороны пляжа. Мистические представления об океанах усиливаются в каждом из нас, когда мы с изумлением наблюдаем, как водяной вал внезапно оказывается почти у самого берега становясь все круче по мере приближения к пляжу, а затем последней мошной волной с шумом и завихрениями обрушивается на берег. Откуда берет океан эту яростную мощь? Почему поведение морской поверхности резко изменяется, как только мы отойдем от берега и выйдем в открытое море? И что служит источником огромной силы, заставляющей прилив раз за разом накатываться на берег — только для того, чтобы отступать снова и снова?

Обзор вор новых 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 пол экмановским действием локального ветра (рис. 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 [6].

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 (рис. 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.

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 (рис. 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 еще 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 гл. 10).

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.