Самые удивительные и опасные волны
Замороженные волны и волны-убийцы?
Почему нет, ведь две трети нашей Земли покрыты океанами, морями и озерами, и они остаются самыми загадочными для людей.
Волны «в клеточку»
Этот феномен называют перекрестными волнами, которые образуются в результате столкновения двух течений на мелководье или других природных условий, когда одни волны идут в одну сторону, а другие под воздействием ветра — навстречу.
Такая «шахматная доска» представляет угрозу как для пловцов, так и для судов. Сочетание активных волн с неумелым управлением судна может привести к опрокидыванию.
Ледяная волна
Фото Джонатан Нимерфрох
Эту волну запечатлел Джонатан Нимерфрох на острове Нантакет в Атлантическом океане. И хотя он утверждает, что на снимке замерзшая волна, — это мало вероятно.
По причине того, что соленая вода менее чувствительна к морозам, прибрежные зоны замерзают постепенно.
На прекрасном кадре американского фотографа отснята еще движущаяся океаническая волна из подмёрзшего крошева.
Волна — убийца
«Это сказки!», — считают одни.
«Блуждающие волны существуют!» — верят другие.
Однако моряки, вышедшие в океан, опасаются встречи с внезапным монстром. Иначе ее не назовешь: волна-убийца может достигать до 25-30 метров и вырастать ниоткуда.
Исследователям до сих пор не удается составить даже приблизительного алгоритма их появления.
Есть и свидетельства очевидцев, что такие волны возникают не только в океане.
Опасный тягун
Отбойные волны или обратное внутреннее течение, которого на поверхности не видно, назвали мертвым волнением или тягуном. Последнее определение наиболее точно описывает его характер.
Отбойное течение бывает и в Черном море, например, на курортных пляжах Туапсе и Анапы.
Лучше в него не попадать, а если такое случилось, специалисты советуют не тратить сил напрасно и плыть не к берегу, а вдоль него — в зону спокойной воды.
Оттуда будет гораздо легче добраться до суши.
Откуда берутся гигантские волны-одиночки, способные переламывать целые суда.
Хрестоматийная картина Айвазовского «Девятый вал» — о жертвах стихии — знакома, наверное, каждому. Разумеется, в число произведений известного мариниста эта тема попала не случайно: за многие столетия истории мореплавания фольклор оброс легендами о гигантских водяных стенах и провалах.
Как волна-убийца опрокидывает и топит суда, многие могли видеть в голливудском фильме-катастрофе «Идеальный шторм» (The Perfect Storm) — драматической истории о том, как в Северной Атлантике восточнее Ньюфаундленда в результате столкновения двух мощных штормовых фронтов бесследно исчезает рыболовецкая шхуна «Андреа Гейл», унося с собой жизни рыбаков.
Картина Айвазовского «Девятый вал»
По словам редких очевидцев, сумевших пережить буйство стихии, такие волны нередко возникают при вполне благоприятных погодных условиях, не предвещающих, казалось бы, никакой опасности.
Достоверных фактов о чудовищных волнах, неожиданно возникающих в открытом море, сравнительно немного, но тем не менее они накапливаются и требуют объяснения. Волны-убийцы совершенно не похожи на остальные: они в 3−5 раз превышают по высоте обычные волны, рождающиеся при сильном шторме.
Все наслышаны про огромные волны, называемые по‑японски цунами, что дословно означает «большая волна в гавани». Они славятся коварством и разрушительной силой.
Эти грандиозные водные валы, высота которых, как это случилось в 1958 году на Аляске, могут превышать 50 метров, возникают обычно в сейсмоактивных зонах — в результате подводных землетрясений и извержений вулканов, оползней, взрывов, резкого изменения метеоусловий. Подобное явление чаще всего встречается в прибрежных районах Японии, у нас на Дальнем Востоке, в США, Канаде, в регионе Австралии и Полинезии, а иногда даже на Карибах и в Средиземноморье. Японские манускрипты ведут хронологию цунами начиная с 684 года.
Самая страшная из известных волн цунами (24 апреля 1771 года) была зафиксирована на японском острове Исигаки (архипелаг Рюкю) и достигала высоты 85 метров. К счастью, цунами, порождаемые сейсмическими толчками на морском дне и обрушивающиеся на берег, возникают не так уж и часто. Цунами наиболее разрушительны на побережье неподалеку от места зарождения, где их энергия особенно высока. Но они могут совершать и довольно дальние «путешествия».
«Сегодня не вызывает сомнения, — говорит крупный российский специалист по теории волн нижегородец Ефим Пеленовский, — что цунами — это результат своеобразного «поршневого» механизма колебания дна океана, вызванного землетрясением, в результате чего выталкивается вверх столб воды. Ее избыточная масса под действием силы тяжести тоже начинает колебаться и вовлекает в эту амплитуду колебаний соседние участки».
Сегодня цунами становится большой проблемой для стран, расположенных на тихоокеанском побережье. И все же гигантские волны-одиночки — это не цунами. Они никак не связаны с сейсмической активностью. Есть версия, что они могут порождаться упавшими в океан метеоритами. Так, ученые полагают, что примерно 100 000 лет назад на побережье Гавайских островов обрушилась волна 300-метровой высоты, вызванная, видимо, падением крупного метеорита. Но это, к счастью, явление чрезвычайно редкое.
Частицы воды благодаря их большой подвижности легко выходят из состояния равновесия под действием разного рода сил и совершают колебательные движения. Причинами, вызывающими появление волн, могут быть приливообразующие силы Луны и Солнца, ветер, колебания атмосферного давления, подводные землетрясения или деформации дна. Ветровые волны образуются за счет энергии ветра, передаваемой путем непосредственного давления воздушного потока на наветренные склоны гребней и трения о поверхность воды.
Природа образования волн на водной поверхности была хорошо изучена, смоделирована и описана европейскими учеными в первой половине XIX века. Уже тогда было ясно, что при ветре силой более двух баллов (скоростью свыше четырех узлов) потоки воздуха передают морской ряби энергию, вполне достаточную для образования настоящих волн и зыби.
Если ветер не утихает, волнение постепенно усиливается, так как колебательные движения воды получают дополнительную энергию извне. Высота волны при этом зависит не только от скорости ветра, но и от продолжительности его воздействия, а также от глубины и площади открытой воды.
В справочниках и энциклопедиях приведены высоты волн, характерные для разных океанов. Так, энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона сообщает, что самые большие волны встречаются в области западных ветров Индийского океана (11,5 м) и в восточной части Тихого океана (7,5 м). Однажды такие волны наблюдались у Азорских островов (15 м) и в Тихом океане между Новой Зеландией и Южной Америкой (14 м).
Когда волна, приходящая из открытого моря, выклинивается возвышенным дном, возникает прибой или бурун. На западном побережье экваториальной Африки и возле Мадраса в Индии волны прибоя иногда достигают 22 метров в высоту. Некоторые ученые-океанологи отрицают существование громадных волн-убийц в открытом море, считая, что объективная картина искажается в глазах перепуганных очевидцев. Из-за углубления, которое всегда идет перед волной, возникает особый эффект восприятия, усиливающийся еще и тем, что корабль располагается не горизонтально, то есть параллельно подошве волны, а наклонен к ней. В итоге высота волны может сильно преувеличиваться.
Тем не менее постоянно накапливающиеся факты доказывают обратное. Известно, что разные волны могут взаимодействовать, вызывая усиление и ослабление волнения. Наложение двух когерентных волн вызывает волну, высота которой равна сумме высот отдельных волн. Это явление называется интерференцией.
Именно интерференцией ученые объясняют возникновение в некоторых местах океана необыкновенно высоких волн. Они встречаются на «стыке» волн Атлантического и Индийского океанов — у мыса Доброй Надежды, самой южной точки африканского континента, и у мыса Игольный. Здесь встретившиеся волны начинают громоздиться одна на другую, порождая громадные валы. Моряки называют их «кейпроллерами» (от английских слов саре — мыс и roller — вал, большая волна), а океанологи — уединенными или эпизодическими волнами. Кейп-роллеры уничтожают как малые суда, так и огромные танкеры, спортивные яхты и сухогрузы, пассажирские лайнеры. Видимо, именно из-за такой волны потерпело катастрофу у восточного побережья Южной Африки советское транспортное судно «Таганрогский залив» в 1985 году.
Кейпроллеры возникают не только у южной оконечности Африки, но и в районах Ньюфаундлендской банки, у Бермудских островов, у мыса Горн, на окраинах норвежского шельфа и даже у берегов Греции. Если две интерферирующих волны встречают на пути какую-либо преграду — отмель, рифы, остров или берег — выклинивание порождает новую волну, намного превосходящую по высоте своих «родительниц». Из-за отражения волн от различных преград в результате наложения отраженной волны на прямую могут возникать так называемые стоячие волны. В отличие от бегущей волны, в стоячей не происходит течения энергии. Различные участки такой волны колеблются в одной и той же фазе, но с разной амплитудой.
Интерферируя между собой, могут сталкиваться воздушные потоки и морские течения, и тогда их энергия суммируется в виде волн. Вот почему можно встретить суперволны в Гольфстриме, Куросио и других мощных океанских течениях.
Возле пользующегося дурной славой мыса Горн происходит то же самое: быстрые течения сталкиваются с противодействующими ветрами. Однако и механизмы интерференции не могут дать исчерпывающего объяснения причин возникновения волн-великанов.
В разгадке секретов гигантских волн на помощь океанографам пришли физики и математики. Ефим Пелиновский изучил и описал механизм возникновения уединенных стационарных волн, которые называют солитонами (от solitary wave — уединенная волна). Главная особенность солитонов состоит в том, что эти волны-одиночки не меняют своей формы в процессе распространения, даже при взаимодействии с себе подобными. Такие волны могут распространяться на очень большие расстояния без потери своей энергии. Толща воды в океане устроена весьма непросто. Океан неоднороден по вертикали: там имеются слои разной плотности, в каждом из которых могут возникать и распространяться внутренние волны, достигающие высоты в 100 и более метров. Пелиновский считает, что во внутренних слоях океана тоже существуют солитоны, и активно занимается их исследованием и прогнозом.
Крупномасштабные атмосферные воздействия — циклоны и антициклоны — приводят к повышению или понижению поверхности океана в областях низкого и высокого давления. Эта связь получила название закона обратного барометра. Понижение атмосферного давления только на 1 мм ртутного столба может вызвать повышение уровня океана в этом месте на 13 мм. Если же давление падает на десятки миллиметров, что нередко случается во время тайфунов, то на поверхности океана появляется возвышенность в метры или десятки метров, которая, распространяясь, может породить гигантскую волну. Перепады давления могут привести к возникновению резонансных явлений, которые и служат причиной зарождения огромных волн в океане.
Математическое моделирование морских волн проводится сегодня во многих странах мира, ученые предлагают решения, весьма непохожие друг на друга, по‑разному описывая разные типы гигантских волн.
Конечно же, математические модели создаются не только ради объяснения природы волн. Ученые ставят перед собой вполне конкретную цель — научиться спасать от гибели суда и нефтегазовые сооружения на шельфе. А главное — жизнь людей. В конце 90-х Европейский союз создал проект MaxWave — с целью собрать факты и документально подтвердить существование одиночных громадных волн, а также отслеживать, моделировать и прогнозировать их появление, чтобы информировать моряков об опасности. Подобный проект по мониторингу гигантских волн выполняет в США Управление морских исследований, в котором накапливаются постоянные наблюдения, полученные при помощи авиации, спутников и радаров.
Научные исследования показали, что в среднем одна из 23 волн существенно превосходит другие по своим параметрам. Статистика свидетельствует, что одна уединенная волна, втрое превосходящая по своим параметрам обычную, приходится на 1175 волн, а четырехкратное превышение встречается у одной волны из 300 тысяч нормальных. Однако статистика, к сожалению, не позволяет предсказать появление волны-убийцы.
Последние наблюдения ученых доказывают, что волны-гиганты — не такая уж редкость, и их существование следует учитывать при проектировании судов. В университете Глазго составлен каталог недавних морских катастроф, вызванных волнами-убийцами. Из 60 сверхкрупных судов, затонувших в период с 1969 по 1994 год, 22 грузовых судна длиной более 200 метров стали жертвами гигантских волн. Они проламывали главный грузовой люк и затапливали главный трюм. В этих кораблекрушениях погибло 542 человека. В большой опасности оказываются и нефтяники, так как добыча постепенно перемещается на океанский шельф, а при проектировании нынешних морских платформ и плавучих буровых существование гигантских волн-убийц явно не бралось в расчет.
Статья «Тридевятый вал» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2004).
В Болгарии началось «мертвое волнение»
«Мертвое волнение», или отбойное течение, на побережье Болгарии в этом году появилось раньше — уже в середине июля, а не в начале августа, как обычно, пишет «Русская Болгария». Специалисты считают это следствием климатических изменений.
Отбойное течение (Источник фото: anews.com)
«Мертвое волнение» начинается после обеда, поэтому в последние 10 дней утро на пляжах Бургаса начинается с зеленого флага, в обед он меняется на желтый, а с 14:00 до 17:00 при появлении ветра вывешивают красный флаг.
Спасатели советуют отдыхающим купаться недалеко от вышек спасателей и следить за предупредительной сигнализацией на пляже. После ухудшения погоды и бурь существует опасность появления глубинных ям, которые «выкапывают» волны. Спасатели обходят район и устанавливают предупредительные знаки, но они не могут ничего поделать с нарушителями, поэтому уже предлагается создать пляжную полицию.
Отбойное течение — одно из самых опасных среди прибрежных. Оно появляется в результате сильного оттока воды на небольшом участке, как правило, у песчаных пляжей, и может возникнуть даже при слабой волне. Ширина течения не очень большая, но оно быстро уносит человека в море. Если пловец запаникует, ему может грозить гибель.
«Мертвое волнение» можно определить на глаз: в этом месте поверхность воды кажется спокойней, а волны ниже, иногда вода становится мутной, с пеной.
Отбойное течение случается также в Туапсе и Анапе. Попав в отбойное течение, нужно плыть сначала вдоль берега, чтобы покинуть опасную зону, а потом — в сторону суши.
Болгария. Осторожно! Мёртвые волны на Южном Черноморье
Спасатели предупреждают: на Южном Черноморье появились мёртвые волны. За 12 часов в воскресенье 3 жертвы – утонули 2 молодых парня из Софии на Солнечном берегу и один 48-летний русский близ Ахелоя.
«Мертвое волнение» — одно из самых опасных прибрежных течений. Опасно оно тем, что это течение от берега. Такое явление также называется «отбойным течением» или «тягуном». Оно появляется в результате мощного оттока воды на небольшом участке. Чаще всего бывает у песчаных пляжей, там, где есть мели. Между этими мелями и образуется тягун. Причем «мёртвая волна» может возникать даже при слабом волнении моря. Ширина отбойного течения, как правило, невелика — несколько десятков метров.
Человек, попавший под действие мёртвой волны, не может просто так выбраться на сушу. Мощь течения такова, что даже сильного пловца быстро уносит в море. Если человек начинает паниковать, то это, чаще всего, приводит к гибели.
На глаз мёртвую волну можно определить по нескольким признакам: во-первых, вода в этом месте кажется ниже, а поверхность воды спокойней, чем рядом. Во-вторых, вода, порой (но не всегда) меняет своей цвет, приобретая коричневые оттенки из-за поднятого со дна песка. В-третьих, почти всегда на воде появляется пена.
Если у берега появилась мёртвая волна, не следует заходить в воду выше, чем по пояс. Особенно стоит внимательно следить за детьми, чтобы они не заходили на глубину, ибо тягун коварен и быстро утаскивает тела вдаль от берега. Если попали в мёртвую волну, то не надо паниковать, соберитесь и пытайтесь плыть вдоль берега.
Помните, что ширина тягуна не превышает нескольких десятков метров, и вы можете выплыть из него. Если попытаетесь сразу плыть к берегу – это почти верный путь к гибели, течение мёртвой волны удалось победить лишь единицам, даже сильные пловцы заканчивали борьбу с тягуном своим поражением.
Ветровые волны и мертвая зыбь
В XX веке исследователи завершили построение основной теории поверхностных волн установившегося типа в идеальной жидкости, т. е. жидкости, в которой малы силы внутреннего трения.
Особо велик вклад в эту область науки, сделанный А. И. Некрасовым, Н. Е. Кочиным, Л. Н. Сретенским: их работы позволили перейти от динамики волн весьма малой высоты к динамике волн, высота которых сравнима с длиной — составляет несколько сотых от длины волн.
Требования практики заставляют продолжать теоретические исследования дальше, искать решение весьма трудных задач о волнах неустановившегося типа в реальной жидкости, обладающей значительным внутренним трением турбулентного происхождения. Приходится ставить специальные опыты в новых лабораторных условиях, близки к природным условиям зарождения, распространения и гашения морских волн.
Широкие возможности открылись перед советскими исследователями после вступления в строй «штормового бассейна», построенного по идее автора в Черноморском отделении Морского гидрофизического института Академии паук СССР. Это — бассейн в форме кольца, с внешним диаметром 40 м, шириной пространства между стенками 2 м и высотой 5 м. Нижние 2,5—3 м заполняются морской водой, а вдоль кольцевого канала над водой посредством мощных центробежных насосов создается непрерывный воздушный поток. Скорость ветра здесь может достигать 19 м/сек, т. е. по шкале Бофорта 9 баллов. Удобнее всего вести опыты при скоростях ветра до 13 м/сек, когда дольше сохраняются условия, близкие к природным: дольше не сказывается влияние трения о стенки бассейна или сказывается так мало, что его можно исключить путем надежных вычислений.
Сперва на гладкой поверхности воды в кольце появляется мелкая рябь капиллярных волн; затем мелкие волны нарастают в высоту и несколько медленней в длину; на некоторой стадии достигается максимум крутизны волн — максимум отношения высоты волн к их длине (его численное значение составляет 0,143). После этого наступает главный этап развития ветровых волн, на котором увеличение длины волн идет быстрее, чем увеличение их высоты; в результате крутизна волн постепенно уменьшается. За всеми этими явлениями удобно наблюдать сквозь застекленную часть стенок бассейна, занимающую одну шестую его окружности. Столь же удобно фотографировать волны из центра кольца, посредством весьма длиннофокусного аппарата.
Профили мертвой зыби, ветровой волны и волны, разрушающейся под действием мелководья
На рисунке видны три характерных снимка волн. На верхнем представлены волны, сфотографированные через несколько минут после того, как были выключены воздуходувки и прекратился ветер в кольцевом канале. Это — мертвая зыбь, волны которой сохраняются в море очень долго после прекращения шторма и свободно распространяются на большие расстояния. Профиль волн очерчен по трохоиде — кривой, у которой и вершины и подошвы напоминают отрезки синусоид, но подошвы более растянуты по сравнению с вершинами.
Снимок посредине запечатлел волны, находящиеся под действием ветра (в прямом смысле — ветровые волны). Здесь отчетливо видно отличие от профиля мертвой зыби: подошва еще более растянута, чем у трохоиды, а на заострившейся вершине возникло ребро, которое свидетельствует о достижении крутизны, предельной в заданных условиях.
Еще в прошлом веке английский гидродинамик Митчел показал, что даже без воздействия ветра может возникнуть на вершине волн такое ребро, при предельном отношении высоты волн к длине, равном 1/7. Причина возникновения этого — критического — состояния не рассматривалась в цитированной работе.
Опыты в штормовом бассейне и теоретический анализ их результатов позволили найти физическую причину заострения вершин волн до появления ребра и причину их разрушения после такого критического состояния. Оказалось, что в основе всех этих интересных явлений лежит пульсация скоростей течений, возникающих одновременно с волнением.
Еще английский математик Стокс в прошлом веке показал, что даже при отсутствии ветра частицы воды на волне описывают не замкнутые окружности, как предполагалось прежде, а своеобразные петли: на круговое движение частиц налагается слабое поступательное движение их, направленное в сторону распространения волн. И сам Стокс, и последующие авторы считали скорость такого «волнового течения» постоянной. Однако в действительности скорость стоксова течения пульсирует около средней величины, достигая максимума у подошвы волн и уменьшаясь до нуля на вершинах. Колебания скорости тем значительней, чем больше отношение высоты волн к длине. При действии ветра на стоксово течение налагается течение дрейфовое, которое пульсирует по тому же закону, но с еще большей амплитудой. Вот почему при сильном ветре на вершинах волн очень рано (значительно ранее крутизны 1/7) возникают острые гребни, ежесекундно готовые обрушиться. Именно так создаются на волнах — при больших скоростях ветра — хорошо известные пенистые «барашки».
Столь же подробно удалось исследовать разрушение вершин волн по другой причине — под действием мелководья; было показано, что фазовая скорость волн не остается постоянной, а достигает максимума на вершине волн и минимума — 1/7 подошвы. Были вычислены профили мертвой зыби и профили метровых волн, искаженных при движении на мелководье, и определены условия разрушения вершин волн, потерявших устойчивость вследствие искажения. Нижний снимок дает представление о том, каким становится профиль волн, искаженный под действием мелководья, — перед самым разрушением вершины волны.
Для практических целей мореплавателей и портостроителей очень важно научиться вычислять размеры волн, которые могут возникнуть через заданный срок действия ветра заданной скорости, на заданном расстоянии от того берега, с которого дует ветер. Вероятно, невозможно — да и не нужно — решать эту задачу, исходя из уравнений движения жидкости. Поэтому еще в 1937 году В. В. Макавеев предложил решать ее на основе закона сохранения энергии.
Энергия волн в каждый момент времени пропорциональна квадрату их высоты. Отсюда следует, что мощность, расходуемая на увеличение высоты волн, пропорциональна скорости нарастания высоты. Эта мощность черпается, у ветра, воздействующего на волны, но, кроме того, ветер обязан покрыть расход мощности на преодоление внутреннего трения в воде, возрастающею при увеличении высоты волн. Постепенно эти потери становятся все значительней и значительней, а потому скорость нарастания высоты волн постепенно уменьшается. Предельная высота волн, возможная при заданной скорости ветра, определяется тем, что мощность, передаваемая волнам от ветра. полностью расходуется на преодоление сил внутреннего трения в воде.
Двадцать три года назад, когда возникла эта первая схема вычисления размеров волн, и в последующие десятилетия оставался неизвестным действительный механизм передачи энергии ветра волнам. Выяснилось, что питание волн энергией ветра безусловно зависит от крутизны волн, т. е. от отношения их высоты к их длине; но не был известен закон, по которому нарастает длина волн, и даже сама причина нарастания их длины.
Лишь в 1954—1955 годах опыты и теоретические исследования, проведенные автором, показали, что ветер как бы «нагнетает» энергию в волны, давя на поверхностные частицы воды с большей силой, когда они опускаются, и с меньшей силой, когда они поднимаются при волновом движении. «Нагнетаемая» мощность пропорциональна квадрату разности между скоростью ветра и фазовой скоростью волн, высоте волн и их крутизне.
Очень просто разрешилась задача о нарастании длины волн, как только к исследованию была привлечена классическая теорема о моменте количества движения почему-то не применявшаяся прежде в гидродинамике и впервые примененная Н. Е. Жуковским к исследованию движения твердых тел с полостями, содержащими жидкость). По этой теореме прирост момента количества движения в единицу времени равен моменту всех действующих внешних сил. Напомним, что момент количества движения какой-то массы равен произведению этой массы на скорость движения и на длину перпендикуляра, опущенного из «центра моментов» на направление движения в данное время. Моментом силы называется произведение силы на перпендикуляр, опущенный на ее направление из той же точки.
Нарастание длины волн и уменьшение их крутизны
Обнаружилось, что длина волн нарастает под действием ветра именно потому, что нарастает момент количества движения водных частиц, движущихся по их траекториям. Сам закон нарастания представлен на рисунке, причем для удобства применена логарифмическая сетка: по осям фактически отложены не величины, а их логарифмы, и потому диаграмма заняла мало места. Величина h/h0 представляет собой отношение высоты волн в данный момент времени к высоте волн на той стадии, когда они обладали наибольшей крутизной; величина λ/λ0 — отношение длины волн в данный момент к длине волн на стадии наибольшей крутизны. Кривая 1 на рисунке показывает, что при увеличении высоты волн в 4 раза длина их возрастает почти в 9 раз; при увеличении высоты волн в 8 раз — длина возрастает более чем в 20 раз; при увеличении высоты волн в 60 раз — длина возрастает более чем в 200 раз. Именно поэтому непрерывно падает крутизна волн по закону, описанному кривой 2 на том же рисунке: наибольшая крутизна равнялась 0,143; при неограниченном нарастании h/h0 крутизна стремилась бы к значению 0,04. Последующие работы автора показали, что в действительности крутизна волн стремится к значению 1/23.
Штормовой бассейн позволил открыть тонкие детали волнового движения и разобраться в энергетике волнообразования, развития волн на тех этапах, на которых практически не сказывалось влияние трения о стены или это влияние могло быть учтено. Для завершения теории ветровых волн были использованы измерения высот и длин волн в условиях океана и глубоких морей, в частности работы автора на экспедиционном судне «Седов» в Атлантическом океане в 1957 году.
На основании исследований многих авторов можно считать, что предельная высота волн в океане, возможная при заданной скорости ветра, пропорциональна квадрату этой скорости.
С другой стороны, она должна быть пропорциональна квадрату разности скоростей ветра и волн на конечной стадии. Отсюда следует, что при всякой скорости ветра предельная фазовая скорость волн может составлять только совершенно определенную долю от соответствующей скорости ветра, — именно 0,82.
Все эти соотношения дали возможность построить простые рабочие диаграммы для расчета размеров волн по заданной скорости ветра, времени его действия на волны и заданному расстоянию от той границы штормовой области в океане, со стороны которой дует ветер (в частном случае — расстоянию от берега, с которого дует ветер, — наветренного берега).
Основные параметры ветровых волн
На рисунке представлена одна из этих диаграмм, построенная применительно к скоростям ветра до 30 м/сек. Через h∞ обозначена предельная возможная высота ветровых волн в океане при соответствующем ветре V, на чрезвычайно большом расстоянии от границы шторма; через Т∞ —предельное значение периода таких волн; величина VT∞ также нужна для расчетов.
Сопоставление теоретических расчетов по методу автора с данными непосредственных измерений волн в глубоких морях и в океане дало хорошие результаты.
В настоящее время необходимо на основе этой физической теории развить статистику элементов волн при сложном и неоднородном волнении, наблюдающемся в природных условиях. При этом надо помнить, что на различных этапах развития волн совсем неодинакова вероятность отклонения волн от средних; совсем неодинакова вероятность перехода от двумерных волн, бегущих правильными параллельными рядами, к трехмерным волнам в форме «холмов» на поверхности моря. Теория показывает, что на первых этапах развития волн быстрее всего нарастает высота их на тех участках первоначально правильного «фронта», на которых возникли случайные возвышения над средним уровнем гребня; нарастание задерживается там, где случайно оказалось понижение гребня по сравнению со средней его высотой. Такая неустойчивость приводит к дроблению рядов волн на отдельные «холмы» и в то же время делает непостоянными высоты волн, бегущих одна вслед за другой.
Иная картина должна возникать на поздних этапах развития волн: теория показывает, что потери энергии на турбулентное внутреннее трение возрастают пропорционально кубу высоты волн. Следовательно, по мере приближения высот волн к установившимся значениям заметнее всего будет замедляться нарастание высот волн там, где они велики, и меньше будет замедляться там, где они малы. В результате будет постепенно сглаживаться неравенство высот в различных частях бывшего «фронта» и неравенство высот между волнами, бегущими одна вслед за другой. По этой причине самые большие штормовые волны в океане снова приобретают правильную двумерную форму: мощная штормовая зыбь бежит правильными рядами, и только на поверхности основных валов этой штормовой зыби громоздятся сложные трехмерные холмы волн — вторичных, третичных и более высоких порядков.
Совсем правильны ряды мертвой зыби, остающейся в океане после прекращения шторма и обладающей весьма большой жизнеспособностью. Иногда такая зыбь распространяется в океане далеко за пределами штормовой области, причем длина ее волн может непрерывно возрастать, достигая громадных размеров, в то время как высота волн постепенно уменьшается.
Теория ветровых волн сейчас разработана не только для условий океана, глубокого моря, но и для совсем иных условий весьма резко выраженного мелководья. Здесь снова сослужил большую службу штормовой бассейн, а выводы из опытов в нем были тщательно проверены А. П. Хваном в настоящей «природной лаборатории» — на озере Белом, почти правильной круглой формы, с диаметром около 40 км и постоянной глубиной около 3—3,5 м.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.