Типы и характеристики океанических 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 рис. 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 (гл. 10).

На рис. 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. — Перев.) 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.

Высота каждого пика кривой на рис. 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.

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 рис. 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 гл. 18 мы узнаем, что концентрация энергии в волне возрастает как квадрат ее высоты (H2). 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 В г 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 (рис. -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.

Как ветры возбуждают волны. Прежде чем говорить о том, как возбуждаются волны, опишем сначала характер самого ветра (рис. 17.4).

У поверхности поле скоростей в воздушном потоке совсем не однородно и «не гладко», скорости резко меняются — иногда меньше, иногда больше — и вся картина носит хаотичный характер, т. е. турбулентна по своей природе. О распределении скорости ветра необходимо сделать еще два важных замечания.

1. Поле скоростей нестационарно: оно смешается со скоростью, равной средней скорости ветра.

2. Среднее расстояние, разделяющее ячейки с наибольшей энергией в поле скоростей, остается неизменным, пока остается неизменной средняя скорость ветра; поэтому распределение этих ячеек влияет на передачу энергии определенным океанским волнам.

Сделанные замечания означают, что поле ветра у поверхности обладает некой «структурой». Это очень важно, и упомянутую структуру можно закартировать, чтобы увидеть поле случайных флуктуаций давления, как это сделано на рис. 17.4. А чтобы точно закартировать такое поле, надо провести одновременные измерения атмосферного давления на обширных просторах океана. Но никто еще не совершил этот подвиг! Однако мы можем делать выводы о существовании определенной структуры поля ветра, следя за изменениями давления во времени на какой-либо одной измерительной станции, например на судне или буе.

Аналогия с распределением ветров над нивами Канзаса поможет читателю понять, что представляет собой эта движущаяся, хаотичная, турбулентная структура. Те, кто наблюдал большие хлебные поля, могут вспомнить движение пятен света, отраженного от тех участков, на которых злаки сильнее склонились под ветром, чем на соседних участках. На широком поле можно увидеть сразу несколько таких пятен, и все они движутся в направлении среднего ветра. На поверхности океана этим пятнам соответствуют «ячейки», показанные на рис. 17.4. Важно заметить, что если бы все поле ветра внезапно поднялось ввысь и оторвалось от хлебного поля, то и вся структура пятен немедленно исчезла бы: «волны» уже не будут распространяться по полю, если снять ветровое воздействие.

Напротив, волны, возникающие в океанах, продолжают существовать и после исчезновения возбуждающих их ветров. Это простые волнообразные возмущения поверхности океана, бегущие в том же направлении, в каком дул ветер, «раскачавший» воду. Следовательно, если такие волны движутся в общем в направлении действия ветра и со скоростью, близкой к средней скорости этого ветра, то их энергия все время нарастает; турбулентные ветровые ячейки продолжают над ними «совершать работу», если и волны, и эти ячейки движутся более или менее согласованно по направлению ветра.

Определим теперь более строго, каким образом энергия передается от ветра морским волнам. Вначале энергия движения среднего ветрового поля создает в слое воздуха, непосредственно соприкасающегося с поверхностью, ячейки турбулентности. В процессе «согласования» пиков высокого давления в турбулентных ячейках с впадинами бегущих морских волн, а минимумов давления — с гребнями волн ветровое поле толкает и тянет частицы воды на поверхности моря, все увеличивая высоту волн. Конечная структура волнового поля зависит от 1) продолжительности действия ветра — периода времени, в течении которого идет передача энергии, 2) скорости ветра в течение этого периода и 3) так называемого разгона — расстояния, на котором ветровое и волновое поле остаются взаимосвязанными.

Роль продолжительности воздействия ветра и величины разгона. Интуиция подсказывает нам, что должен существовать какой-то предел роста волн при передаче энергии от ветрового поля. Одно такое ограничение накладывается максимумом отношения высоты волны H к ее длине L, т. е. H/L (рис. 17.5).

Это отношение называется «крутизной волны», и когда крутизна волны превышает 1:7, т. е. когда высота ее становится больше одной седьмой ее длины, волна, как правило, разрушается. Обрушение гребня волны в море, дающее упомянутые выше белые «барашки», приводит к потере части энергии волнового движения в турбулентном движении самих этих «барашков». Волна катится дальше с остатком своей энергии, и если она остается по- прежнему связанной с ветровым полем, то в конце концов восполнит потери, снова приобретет критическую крутизну, снова обрушится и т. д. Когда море достигло такого состояния, то говорят о «полностью развитом волнении», когда оно целиком согласуется с возбуждающим его полем ветра.

Сможет ли крутизна данной волны вырасти до критической величины, зависит от того, насколько долго волна находится под воздействием ветра. Если ветровое поле затухает или если атмосферное возмущение, породившее его, перемещается в другие районы океана, волнение не успевает полностью развиться. Иначе говоря, волновое поле не успевает «созреть», и его называют ограниченным по продолжительности развития.

Волновое поле может быть ограниченным и по длине разгона. Это бывает в тех случаях, когда, будучи еще не полностью развитыми, волны встречают на своем пути какое-то препятствие. Например, волны, не набрав еще полную силу, наталкиваются на берег. Большинство из нас знакомы с этим ограничением, так как бывали на небольших озерах; чем крупнее озеро, тем больше и волны, ударяющие о наветренные берега.

На рис. 17.3 прекрасно видно, какой характер принимает волнение, если разгон неограничен: в том широтном поясе Южного океана, где нет материковых преград, «ревут и неистовствуют» большие волны. Западные ветры здесь могут создавать почти неограниченную по продолжительности движущую силу.

Роль скорости ветра в формировании волнения. Моряки по опыту знают, что энергия развитого волнового поля заметно возрастает при увеличении скорости ветра. Говоря о «волнении», имеют в виду то состояние морской поверхности, которое возникает, когда ветер определенной скорости реализует весь свой энергетический потенциал. Состояние поверхности моря определяется главным образом визуально. В 1934 г. В. Корниш [3] опубликовал сводку таких визуальных наблюдений, обобщающих характеристики волновых полей при разных скоростях ветра (табл. 17.1).

Перед тем как описать эти характеристики, заметим, что каждый человек, которого попросят оценить среднюю высоту волн на море, прежде всего обратит внимание на самые высокие волны, и это естественно, так как они доминируют в наблюдаемой картине. Поэтому в табл. 17.1 даются средние значения для трети наблюдаемых самых высоких волн, т. е. волн, доминирующих при данном ветре. Из этих данных можно сделать несколько важных выводов.

1. Средняя скорость самых высоких волн составляет примерно 0,8 от скорости ветра для всех наблюдавшихся скоростей — от 14 до 31 м/с. Этот результат подтверждает сделанное раньше утверждение о том, что энергия передается от ветра к волнам наиболее эффективно тогда, когда волны движутся с той же скоростью, что и система ячеек давления в среднем ветре.

2. Как наблюдаемый средний период волн, так и высота их возрастают пропорционально скорости ветра: если скорость ветра увеличивается в 2,19 раза (с 14,2 до 31,1 м/с), период волн возрастает в 2,21, а высота — в 2,14 раза.

3. Однако заметьте, что длина вырастает более чем вчетверо — с 78 до 384 м, когда скорость ветра только удваивается (с 14,2 до 31,1 м/с). Это говорит о том, что те волны, которые движутся быстрее, имеют и большую длину, или, что то же самое, длинные волны распространяются с большей скоростью, чем короткие.

4. Плотность энергии в поле самых длинных волн также возрастает более чем вчетверо при том же изменении скорости ветра. Волна, формирующаяся при скорости ветра 31,1 м/с, несет в себе 274 кДж энергии на каждый квадратный метр поверхности океана, а более короткая волна, возникающая при скорости ветра 14,2 м/с, — всего 59,5 кДж/м2, т. е. отношение равно приблизительно 4:1. Кроме того, длинные волны переносят энергию вдвое быстрее, чем короткие. Следовательно, они примерно в 8 раз мощнее! Более детально энергия ветровых волн будет рассмотрена в гл. 19.

5.Наконец, крутизна (отношение высоты к длине) этих доминирующих волн с возрастанием скорости ветра и других факторов понижается. Это непосредственно вытекает из того, что длина волны (которая учетверяется) растет гораздо быстрее, чем высота (которая лишь удваивается).

На рис. 17.6 графически изображены данные табл. 17.1 о генерации волн ветрами.

Видно, как изменяется пик распределения энергии в зависимости от характера ветра; при этом предполагается, что продолжительность действия ветра и разгон позволяют волнам во всех случаях развиться полностью. Чтобы получить более целостное представление, сравните этот график с долей ветровых волн в общем спектре распределения энергии на рис. 17.2.