Скорость распространения ветровых волн. Волны морские

Волнение моря представляет собой колебание водной поверхности вверх и вниз от среднего уровня. Однако в горизонтальном направлении при волнении не перемещаются. В этом можно убедиться, наблюдая за поведением поплавка, качающегося на волнах.

Волны характеризуются следующими элементами: наиболее низкая часть волны называется подошвой, а самая высокая - гребнем. Крутизной склонов называется угол между ее склоном и горизонтальной плоскостью. Расстояние по вертикали между подошвой и гребнем есть высота волны. Она может достигать 14-25 метров. Расстояние между двумя подошвами или двумя гребнями называется длиной волны. Наибольшая длина около 250 м, крайне редко встречаются волны до 500 м. Быстрота продвижения волн характеризуется их скоростью, т.е. расстоянием, пробегаемым гребнем обычно за секунду.

Главной причиной волнообразования является . При малых его скоростях возникает рябь - система мелких равномерных волн. Они появляются с каждым порывом ветра и мгновенно затухают. При очень сильном ветре, переходящем в шторм, волны могут деформироваться, при этом подветренный склон оказывается круче наветренного, а при очень сильных ветрах гребни волны срываются и образуют белую пену - «барашки». Когда шторм кончается, по морю еще долго ходят высокие волны, но уже без острых гребней. Длинные и пологие волны после прекращения ветра называются зыбью. Крупную зыбь с малой крутизной и длиной волны до 300-400 метров при полном отсутствии ветра называют ветровой зыбью.

Преобразование волн происходит также при приближении их к берегу. При подходе к пологому берегу нижняя часть набегающей волны тормозится о грунт; длина уменьшается, а высота увеличивается. Верхняя часть волны движется быстрее нижней. Волна опрокидывается, и гребень ее, падая, рассыпается на мелкие, насыщенные воздухом, пенистые брызги. Волны, разрушаясь у берега, образуют прибой. Он всегда параллелен берегу. Вода, выплеснутая волной на берег, по пляжу медленно стекает обратно.

Когда волна подходит к обрывистому берегу, она со всей силой ударяется о скалы. В этом случае волна взбрасывается вверх в виде красивого, пенистого вала, достигающего высоты 30-60 метров. В зависимости от формы скал и направления волн вал разбивается на части. Сила удара волн доходит до 30 тонн на 1 м2. Но необходимо отметить, что главную роль играют не механические удары масс воды о скалы, а образующиеся воздушные пузырьки и перепады гидравлического , которые в основном и разрушают , слагающие скалы (см. Абразия).

Волны активно разрушают прибрежную сушу, окатывают и истирают обломочный материал, а затем распределяют его по подводному склону. У приглубья берегов сила удара волн очень велика. Иногда на некотором расстоянии от берега находится мель в виде подводной косы. В этом случае опрокидывание волн происходит на отмели, и образуется бурун.

Форма волны все время меняется, производя впечатление бегущей. Это происходит вследствие того, что каждая водная частица равномерным движением описывает круги около уровня равновесия. Все эти частицы движутся в одну сторону. В каждый момент частицы находятся в разных точках круга; это и есть система волн.

Наибольшие ветровые волны наблюдались в Южном полушарии, где океан наиболее обширен и где западные ветры наиболее постоянны и сильны. Здесь волны достигают 25 метров в высоту и 400 метров в длину. Скорость передвижения их около 20 м/с. В морях волны меньше - даже в большом они достигают только 5 м.

Для оценки степени волнения моря применяется 9-балльная шкала. Ее можно использовать при изучении любого водоема.

9-балльная шкала оценки степени волнения моря

Баллы	Признаки степени волнения
0	Гладкая поверхность
1	Рябь и небольшие волны
2	Небольшие гребни волн начинают опрокидываться, но белой пены еще нет
3	Местами на гребнях волн появляются «барашки»
4	«Барашки» образуются всюду
5	Появляются гребни большой высоты, и ветер начинает срывать с них белую пену
6	Гребни образуют валы штормовых волн. Пена начинает вытягиваться полностью
7	Длинные полосы пены покрывают склоны волн и местами достигают их подошвы
8	Пена сплошь покрывает склоны волн, поверхность становится белой
9	Вся поверхность волны покрыта слоем пены, воздух наполнен водяной пылью и брызгами, видимость уменьшается

Для защиты от волн портовых сооружений, причалов, береговых участков моря из камня и бетонных глыб строят волноломы, гасящие энергию волн.

Изучение закономерностей ветрового волнения интересно не только с позиций фундаментальной науки, но и с позиций прак­тических запросов, таких, например, как мореплавание, строи­тельство гидросооружений, портовых комплексов, расчет техни­ческого оснащения нефте- и газопромыслов на шельфе. Около 80% разведанных запасов нефти и газа сосредоточено на дне океанов и морей, и сооружение морских платформ и морское бурение требуют надежных данных о режиме ветрового волне­ния. Знание предельных размеров волн в различных акваториях Мирового океана необходимо и для обеспечения безопасности судоходства в этих местах.

Ветровые волны - явление, которое проявляется на поверх­ности любого водоема. Масштаб же этого явления для различ­ных водоемов будет разным. Леонардо да Винчи в свое время писал: «... волна бежит от места своего возникновения, а вода не Двигается с места. Наподобие волн, образуемых в мае на нивах течением ветров, волны кажутся бегущими по полю, между тем нивы со своего места не сходят». Эта особенность ветровых волн

194_______________________ Г л 10 Волны в океане_________________________

имеет колоссальное практическое значение: если бы вместе с формой, т. е. волной, перемещалась еще и масса, т. е. вода, то ни один корабль не мог бы двигаться против волнения. Ветровое волнение обычно разделяют на три типа:

Ветровые волны, которые находятся под непосредственным
действием ветра;

Волны зыби, которые наблюдаются после прекращения вет­
ра или после выхода волн из зоны действия ветра;

Смешанное волнение, когда ветровые волны накладываются на волны зыби

Поскольку ветры над океанами и морями, особенно в умерен­ных широтах, изменчивы по скорости и направлению, ветровое волнение пространственно неоднородно и существенно изменчи­во во времени. При этом волновые поля еще более неоднородны, чем ветровые, так как волны могут прийти в тот или иной район одновременно из разных (различно расположенных) зон зарождения.

Если внимательно смотреть на морскую взволнованную по­верхность, то можно прийти к выводу, что волны сменяют друг друга без какой-либо видимой закономерности - за большой волной может придти еще большая, а может и совсем малень­кая волна; иногда приходят несколько больших волн подряд, а порой между волнами расположен участок почти спокойной по­верхности. Большая изменчивость конфигурации взволнованной поверхности моря, особенно в случае смешанного волнения (а это наиболее распространенная ситуация) дала повод известному английскому физику лорду Томсону заявить, что «... основной закон ветрового волнения - это кажущееся отсутствие какого-либо закона». И, действительно, до настоящего времени мы не можем со всей определенностью предсказать последовательность чередования индивидуальных волн даже по какой-либо одной из характеристик, например по высоте, не говоря уже о других характеристиках, таких как форма гребней и ложбин и др.

При сложении двух гармонических колебаний, частоты кото­рых достаточно близки, возникает негармоническое колебание, называемое биением, которое характеризуется периодическим изменением интенсивности с частотой, равной разности взаи­модействующих колебаний (рис. 10 2). Нечто аналогичное на­блюдается и в ветровых волнах. Поскольку волны приходят в какую-либо область из разных зон и частоты их могут быть

Гл. 10. Волны в океане 197

Известность имеет юго-восточный район побережья Африки - здесь сильные ветры, разгоняющие большие волны, зыбь, прихо­дящая с юга, и Северное течение - все это создает необычайно тяжелые условия для плавания. Бартоломео Диаш, об экспеди­ции которого уже упоминалось, в этом районе океана две недели противостоял сильному волнению и, чтобы пройти это место, по легенде, продал душу дьяволу. В тот раз это помогло. Диаш про­шел это место, назвал его мысом Бурь, но через два года погиб там же. Португальский король Жоан II переименовал мыс Бурь в мыс Доброй Надежды, так как за ним открывалась надежда дойти до Индии морским путем. Именно с этим мысом связано возникновение легенды о «Летучем голландце». Именно здесь наблюдаются одиночные волны-убийцы, образующиеся в резуль­тате взаимодействия волн и течений. Эти волны представляют крутое вспучивание воды, имеют очень крутой передний склон и достаточно пологую ложбину. Высота их может превышать 15- 20 м, при этом они возникают часто при относительно спокойном море. Волны этого района представляют серьезную опасность и для современных судов. Большую опасность представляют также волны в тропических ураганах и тайфунах.

Наука о волнах возникла и развивалась как один из разделов классической гидродинамики и до 50-х годов XX в. практически не приступала к описанию такого сложного волнения, каким являются ветровые волны на поверхности водоемов. Степень волнения оценивалась главным образом по шкале Бофорта на глазок (табл. 10.3).

В начале XX в. с переходом от парусного флота к паровому количество аварий и гибели кораблей несколько уменьшилось (было 250-300 судов в год, стало ~150), и появилась недооценка природных сил при определении безопасности мореплавания. Среди судостроителей начала XX в. бытовало мнение, что «силы стихии сдаются перед новыми прочными кораблями». Это мне­ние стоило жизни многим морякам. Морские волны - достаточно грозное явление природы, а природа не терпит пренебрежитель­ного отношения к себе и зачастую мстит людям, инициируя тем самым стремление людей лучше и глубже понять ее законы.

В табл. 10.4 приведено количество судов, погибших из-за штормов и других неблагоприятных гидрометеорологических условий, главным образом, связанных с сильным волнением, за период с 1975 по 1979 г. Эта выборка относится только к торго­вым судам относительно большого размера (более 500 регистро­вых тонн). Количество аварий па более мелких судах за этот же период определяется четырехзначным числом. Стало ясно, что

Гл. 10. Волны в океане 199

Для измерения волн обычно используются акселерометриче-ские буйковые волнографы, основанные на принципе акустиче­ского эхолота, и волнографы гидростатического типа. Волногра­фы обычно измеряют среднюю и максимальную высоту волн, средний период и длину волны, частотный спектр волнения.

В акселерометрическом волнографе элементы волнения опре­деляются путем двойного интегрирования сигнала, получаемого от акселерометрического датчика. Наиболее распространенные зарубежные волнографы устроены именно по такому принци­пу. Принцип действия гидростатических волнографов основан на связи гидростатических колебаний на некоторой глубине с характеристиками колебаний волновой поверхности.

Эхолокация используется при зондировании мгновенных зна­чений высоты возвышения водной поверхности со свободнопла­вающего или заякоренного буя (прямой эхолот). Волнографы, принцип действия которых основан на обратной эхолокации, осуществляют зондирование границы раздела вода-воздух из-под воды.

Радиолокаторы с синтезированной апертурой, альтиметры, установленные на спутниках, позволяют измерять основные ха­рактеристики ветровых волн. Дистанционные методы позволяют получать характеристики ветровых волн на значительных тер­риториях. На основе таких измерений, создаются современные атласы ветрового волнения. Представления о волновых данных можно получить на сервере http://www.waveclimate.com.

Как показала история развития наших фундаментальных знаний о волнении, необходима тесная связь теоретических, экс­периментальных и натурных исследований.

Ветер является существеннейшим параметром, от которого зависят геометрические характеристики волнения. Однако при устойчивом и довольно продолжительном ветре средние харак­теристики волн увеличиваются по пути их распространения, по­ка они находятся под действием ветра. Этот путь называется длиной разгона ветра, или просто разгоном. Трудности наблю­дений морских волн и их регистрации в естественных условиях заставили ученых обратиться к лабораторному моделированию ветрового волнения. На заре изучения морского волнения лабо­раторное моделирование было почти единственным источником количественных характеристик волн. Однако этот источник ока­зался весьма ограниченным - и вот почему. Основная трудность при лабораторном моделировании волнения - обеспечить доста­точно большой разгон волн, т. е. нужно иметь длинные лотки. Средние параметры волн обычно изменяются во времени и в

208_______________________ Гл. 10. Волны в океане_________________________

при этом каждая спектральная составляющая достигает мак­симума, затем уменьшается до минимума, и, наконец, выходит на равновесное значение. Этот эффект называется эффектом превышения. Он был выявлен по измерениям в натурных и лабораторных условиях. Передний участок спектра формируется вследствие экспоненциального развития его составляющих и ме­ханизма нелинейного перераспределения энергии между спект­ральными составляющими. Уравнение баланса ветровой энергии подробно рассмотрено в монографиях .

Наиболее известным и изученным видом длинных волн яв­ляются приливы. Приливы вызываются гравитационными (при-ливообразующими) силами Луны и Солнца. В океанах и морях приливы проявляются в виде периодических колебаний уровня водной поверхности и течений. Приливные движения существу­ют и в атмосфере, а приливные деформации - в твердой Земле, однако здесь они проявляются менее выражено, чем в океане.

В прибрежных зонах величина колебаний уровня достигает 5-10 м. Максимальные значения колебаний уровня достигаются в заливе Фанди (Канада) - 18 м. У берегов России самый высокий прилив наблюдается в Пенжинской губе - 12,9 м. Скорость приливных течений в прибрежной зоне достигает 15 км/час. В открытом океане колебания уровня и скорости течений много меньше.

Приливообразующая сила Луны примерно в два раза боль­ше приливообразующей силы Солнца. Вертикальные составля­ющие приливообразующей силы много меньше силы тяжести, поэтому их эффект ничтожен. Но горизонтальная составляющая приливообразующей силы вызывает значительные перемещения частиц воды, которые и проявляются в форме приливов.

Совместное действие Луны и Солнца приводит к формиро­ванию сложных форм колебаний уровня. Выделяют следующие основные виды приливов: полусуточный, суточный, смешанный, аномальный. В полусуточном приливе период колебаний водной поверхности равен половине лунных суток. Амплитуда полусу­точного прилива изменяется в соответствие с фазами Луны. По­лусуточный прилив наиболее распространен в Мировом океане. Период колебаний уровня в суточном приливе равен лунным суткам. Амплитуда суточного прилива зависит от склонения Луны. Смешанные приливы подразделяются на неправильные полусуточные и неправильные суточные. Аномальные приливы

Гл. 10. Волны в океане 209

Имеют несколько разновидностей, но все они достаточно редки в Мировом океане.

Для морской практики большое значение имеет прогноз (или предвычисление) приливных уровней. Предвычисление прили­вов основано на гармоническом анализе данных наблюдений за колебаниями уровня. Выделив по данным наблюдений основ­ные гармонические составляющие, производят расчет уровня в будущем. Наиболее полное гармоническое разложение приливо-образующего потенциала, выполненное А. Дудсоном, содержит более 750 составляющих. Методы предвычисления приливов по­дробно рассмотрены в .

Первая теория приливов была разработана И.Ньютоном и называется статической. В статической теории океан счита­ется покрывающим всю Землю, которая рассматривается как недеформируемая, вода считается невязкой и безынерционной. При океане, покрывающем всю Землю, статический прилив с точностью до постоянного множителя описывается приливным потенциалом. Водная поверхность океана описывается так на­зываемым «приливным эллипсоидом», большая ось которого направлена на возмущающее светило (Луна, Солнце) и следует за ним. Земля же вращается вокруг своей оси и внутри этого «при­ливного эллипсоида». Статическая теория, несмотря на слабость основных допущений, правильно описывает основные свойства приливов.

Более совершенная динамическая теория приливов, в кото­рой уже рассматривается движение волн в океане, была по­строена Лапласом. В динамической теории уравнения движения и уравнение неразрывности записываются в форме приливных уравнений Лапласа. Приливные уравнения Лапласа являются уравнениями в частных производных, записанными в сфери­ческой системе координат, поэтому их аналитическое решение может быть получено только для идеальных случаев, например узкий глубокий канал, опоясывающий всю Землю (так называ­емая каналовая теория приливов). Для небольших акваторий приливные уравнения Лапласа могут быт записаны в декартовой системе координат. Результаты расчетов приливов в Мировом океане представляются в форме специальных карт, на которых наносится положение гребня приливной волны в различные мо­менты времени (обычно лунного). Современные карты приливов строят на основе численных методов с учетом данных наблюде­ний .

210 Гл. 10 Волны в океане

Теория длинных волн исходит из предположения, что глубина жидкости Н мала по сравнению с длиной волны А, т.е. А ^> Н. В рамках теории длинных волн описываются приливные явле­ния, волны цунами, а также ветровые волны и зыбь, распростра­няющиеся на мелководье. К длинным волнам относятся также волны паводка и бор, наблюдающиеся на водохранилищах и реках.

мплитуда длинных волн а много меньше их длины А го можно проводить описание, используя линейную теирию. шсли же эти условия не выполняются, то необходимо учитывать нелинейные эффекты .

Цунами в дословном переводе с японского - «большая волна в гавани». Под цунами принято понимать гравитационные волны, возникающие в море вследствие крупномасштабных, непродол­жительных возмущений (подводные землетрясения, извержение подводных вулканов, подводные оползни, падение в воду метео­ритов, обломков скал, взрывы в воде, резкое изменение метеоро­логических условий и т. п.).

Характерная временная длительность волны цунами состав­ляет 10-100 мин; длина - 10-1000 км; скорость распространения L™Am,m ..^^ч^ тт^г,л,„„ ть на основе длинноволнового приближе-

ускорение силы тяжести, Я -- глубина а высота при накате на берег может достигать десятков метров. Эти волны очень длинные, в первом приближении к ним применима теория «мелкой воды».

По числу погибших в год в результате стихийных бедствий на Земле цунами занимает 5-е место после наводнений, тайфу­нов, землетрясений, засухи. Распределение цунами по регионам характеризуется сильной неоднородностью, основное количество цунами происходит в морях Тихого океана.

Распределение цунами в океанах и морях характеризуется следующим образом:

Тихий океан (его периферия) 75%

i Атлантический океан 9%

Индийский океан 3%

Средиземное море 12%

остальные моря 1%

Для того чтобы получить представление о цунами, приве­дем характеристики крупнейших цунами за столетний интервал (1880-1980) в табл. 10 6.

Для классификации цунами академик С.Л.Соловьев пред­ложил полуколичественную шкалу (на основе анализа историче­ских цунами), в основе которой лежит высота подъема уровня.

Катастрофические цунами (интенсивность 4). Средний подъ­ем уровня на участке берега длиной 400 км (и более) достига­ет 8 м. Волны местами имеют высоту 20-30 м. Происходит раз­рушение всех сооружений на берегу. Такие цунами происходят по всему побережью Тихого океана.

Очень сильные цунами (интенсивность 3). На берегу про­тяженностью 200-400 км вода поднимается на 4-8 м, местами до 11 м. Такие цунами наблюдаются на большей части Мирового океана.

Сильные цунами (интенсивность 2). На берегу длиной 80-200 км средний подъем уровня воды составляет 2-4 м, места­ми 3-6 м.

Умеренные цунами (интенсивность 1). На участке 70-80 км вода поднимается на 1-2 м.

Слабые цунами (интенсивность 0). Подъем уровня мень­ше 1 м.

212 Гл. 10 Волны в океане

Прочие цунами имеют интенсивность от -1 до -5.

Чем сильнее цунами, тем реже они происходят. Цунами ин­тенсивностью 4 происходят 1 раз в 10 лет, причем в Тихом океане; интенсивностью 3 - один раз в 3 года; интенсивностью 2 - 1 раз в 2 года; интенсивностью 1 - 1 раз в год; интенсивностью 0 - 4 раза в год.

Основные причины цунами: землетрясения, взрывы вулкани­ческих островов и извержение подводных вулканов, обвалы и оползни. Рассмотрим кратко указанные причины в отдельности.

Около 85% цунами вызывается подводными землетрясения­ми. Это обусловлено сейсмичностью многих океанических райо­нов. В среднем ежегодно происходит 100 000 землетрясений, из них 100 имеют катастрофический характер. В среднем 1 раз в 10 лет землетрясение вызывает в Тихом океане цунами высотой (средней) до 8 м (в отдельных пунктах до 20-30 м) (интенсив­ность 4). Цунами высотой 4-8 м (сейсмического происхождения) возникает раз в 3 года, высотой 2-4 м - ежегодно.

На Дальнем Востоке (РФ) за 10 лет происходит 3-4 цунами высотой более 2 м. Самое трагическое цунами в России произо­шло 4 ноября 1952 г. в Северо-Курильске. Город был практически полностью разрушен. Ночью началось землетрясение, примерно через 40 минут после его окончания на город обрушился водяной вал, который отступил через несколько минут. Морское дно обна­жилось на несколько сот метров, но примерно через 20 минут на город обрушилась волна высотой более 10 м, которая уничтожи­ла практически все на своем пути. После отражения от сопок, окружающих город, волна скатилась в низину, где ранее был центр города, и довершила разрушение. Цунами застали жителей города врасплох.

На Земле выделяются две зоны очагов землетрясений. Одна расположена в меридиональном направлении и проходит вдоль восточного и западного берегов Тихого океана. Эта зона дает основную массу цунами (до 80%). Вторая зона очагов земле­трясений занимает широтное положение - Апеннины, Альпы, Карпаты, Кавказ, Тянь-Шань. В пределах этой зоны цунами про­исходят на берегах Средиземного, Адриатического, Аравийского, Черного морей, в северной части Индийского океана. В пределах этой зоны происходит менее 20% всех цунами.

Механизм генерации цунами при землетрясениях следующий. Основная причина - быстрое изменение рельефа морского дна

Гл. 10 Волны в океане 213

(подвижка), вызывающее отклонения поверхности океана от рав­новесного положения. В виду малой сжимаемости воды происхо­дит быстрое опускание или подъем значительной массы воды в области подвижки. Образовавшиеся возмущения распространя­ются в виде длинных гравитационных волн.

Для количественного описания землетрясений используются интенсивность и магнитуда. Интенсивность оценивается в баллах (12-балльная шкала MSK-64). (В Японии действует 7-балльная шкала). Балл - единица измерения сотрясения грунта, почвы. Главная характеристика, определяющая балльность, - реакция грунтов на сейсмические волны. Энергия землетрясения опреде­ляется магнитудой М.

Важнейшая задача в прогнозе цунами сейсмического про­исхождения - установление признаков цунамигенности земле­трясений. Сейчас считают, что если магнитуда землетрясения превышает некоторое пороговое значение М п, очаг расположен под дном моря, то землетрясение будет цунамигенным.

Для Японии предложены эмпирические формулы, связываю­щие магнитуду цунамигенных землетрясений и глубину очага Н (в километрах):

В энергию цунами преобразуется не более 0,1 энергии, выделив­шейся при землетрясении.

В результате анализа натурных данных установлены сле­дующие свойства очага цунамигенных землетрясений. Энергия распространяется, в основном, по нормали к главной оси очага. Степень направленности зависит от вытянутости очага. Оча­ги крупных цунами, как правило, сильно вытянуты. Их оси ориентированы параллельно ближайшему берегу, впадине или островной дуге, поэтому основной источник энергии направлен в сторону моря. Отношение амплитуды волны вдоль разлома и амплитуды волны в направлении, перпендикулярном разлому, приблизительно равно 1/10-1/15. Отдельные измерения подтвер­ждают это, например, цунами, вызванное Аляскинским земле­трясением 1964 г., волны от которого были зарегистрированы на нескольких сейсмических станциях Тихого океана. Это позволи­ло построить достаточно подробную диаграмму направленности цунами.

Подводные землетрясения вызывают не только волны цуна­ми, они способны вызывать сильные возмущения водного слоя в эпицентральной области, что может проявляться в виде резкого увеличение вертикального обмена в океане . Вертикальный

214 Гл 10 Волны в океане

Обмен приводит к трансформации полей температуры, солено­сти и цветности океана. Выход глубинных вод на поверхность приведет к образованию обширной аномалии температуры по­верхности океана. Вынос биогенов в обычно обедненный этими веществами поверхностный слой приводит к увеличению кон­центрации фитопланктона. Так как фитопланктон является пер­вичным звеном в трофической цепи и определяет биопродук­тивность вод, возможны явления типа миграции рыбы, морских животных и т. п. Непосредственно над эпицентральной областью наблюдаются сильные возмущения водного слоя, проявляющие­ся в бурлении воды, выбросах водяных столбов, формировании крутых стоячих волн амплитудой до 10 м. Среди моряков это яв­ление известно как моретрясение. В результате анализа спутни­ковых данных температуры поверхности океана и сейсмических данных было выявлено понижение температуры поверхности океана и увеличение концентрации хлорофилла «а», которые по­следовали за серией сильных подводных землетрясений в районе острова Сулавеси (Индонезия, 2000). Серия лабораторных экс­периментов позволила установить, что колебания дна бассейна могут приводить к генерации вертикальных потоков, способных разрушить имеющуюся устойчивую стратификацию и привести к выходу холодных и насыщенных биогенами глубинных вод на поверхность, что приведет к образованию аномалии температу­ры поверхности океана и концентрации хлорофилла.

На земле около 520 действующих вулканов, две трети ко­торых находится на берегах и островах Тихого океана. Их из­вержения часто приводят к возникновению цунами. Приведем некоторые примеры.

При взрыве вулкана Кракатау 26 августа 1883 г. в Индонезии высота волны цунами достигла 45 м, погибло 36000 человек. Волны цунами обежали весь мир. Энергия этой катастрофы эквивалентна энергии взрыва 250-500 тыс. атомных бомб типа хиросимской.

Взрыв вулканического острова Тир в Эгейском море 35 веков назад (вулкан и остров называли раньше Санторин) явился при­чиной гибели Минойской цивилизации. Это событие, вероятно, послужило прообразом Атлантиды. Сотрудники Союзморнии-проекта С.Стрекалов и Б.Дугинов так описывают гибель Ми­нойской цивилизации.

«Великая Минойская цивилизация отличалась непревзойден­ными произведениями искусства и художественного ремесла, ве­личественными дворцами. В середине XV в. до н. э. на Крит обрушилась катастрофа. Почти все дворцы были разрушены,

Г л 10. Волны, в океане 215

Поселения покинули их обитатели. Существуют две гипотезы гибели. Согласно одной ее разрушили варвары - греки-ахейцы, согласно другой, причиной стал природный катаклизм. Пример­но 3,5 тыс. лет назад в Эгейском море произошел взрыв вулка­нического острова Санторин. В результате катастрофы образо­вались гигантские волны, которые обрушились на остров Крит и распространились до Египта, затопив дельту Нила. Так ли это было? Могла ли она стать действительной причиной гибели цивилизации? Эти вопросы определили постановку нижеследую­щей гидродинамической задачи: «Катастрофическое цунами на побережье Крита и в Египте XV-XIV вв. до н.э.»

В прибрежной зоне Крита под водой на глубинах от 8 до 30 м обнаружены керамические изделия, а на глубинах 30-35 м - строительные блоки, относящиеся к античному времени. Исхо­дя из того, что отливная волна равна приливной, первая так­же имела высоту 30-35 м. В поиске аналогов подобной волны в примерно соответствующем подводном и надводном рельефе местности мы обратились к наиболее мощной природной катаст­рофе последних столетий - взрыву вулкана Кракатау (в конце XIX в.). Там волна цунами, по имеющимся данным, достигла в очаге высоты 40 м. Исходя из аналога, мы предположили, что в районе острова Санторин на глубине около 300 м про­изошло землетрясение силой 8,5 балла. Далее, направление оси очага мы приняли совпадающим с направлением изобат в районе острова Санторин и параллельным продольной острова Крит. Затем, в результате расчетов, выполненных по оригинальной методике, разработанной в Союзморниипроекте, установили, что в соответствии с исходными данными, должна была возникнуть одиночная волна цунами типа солитона высотой 44 м и длиной около 100 км; при этом длина продольной оси очага равна 220 км, а его ширина - 50 км. Распространение подобной волны дает возможность предположить нижеследующее.

К югу очага волна уменьшается, и у северного побережья Крита ее высота составляет 31 м. С прохождением в заливы острова высота волны возрастает до 50 м, а после ее отраже­ния от обрывистых берегов и материкового склона отдельные заплески могут достигать высоты 60-100 м. В Средиземное море волна проходит через проливы, ослабевая за счет экранирования островами. По выходе из пролива Касос у южного побережья Крита высота волны составляет 9,3 м. После пересечения Среди­земного моря и взаимодействия волны с материковым склоном и шельфом в районе дельты Нила ее высота становится рав­ной 4 м. По дельте Нила, имеющей малый уклон поверхности

216 Гл 10. Волны в океане.

(порядка 5,5 10~ 5), волна распространяется на расстояние 73 км вплоть до устьевой части на коренном берегу, т. е. практически вся мористая часть дельты подвергается затоплению. В дельте Нила в течение исторического периода времени в несколько ты­сяч лет скорость отложения аллювия была практически посто­янной и равной 0,9-1,3 мм в год. Исключение составляет второе тысячелетие до н.э., когда заметных отложений аллювия по не вполне понятным причинам обнаружить не удалось. Можно предположить, что волна цунами, затопившая в этот период времени дельту, смыла и унесла в море весь поверхностный аллювиальный слой.

Катастрофа, произошедшая на острове Санторин, наряду с экологическими, имела, вероятно, и серьезные социальные по­следствия. Громадные волны, высотой 30-50 м были вполне в состоянии уничтожить существовавшую на Крите Минойскую цивилизацию. Затопление дельты Нила в период конца XVIII- начала XIX династии фараонов имело прежде всего следствием резкое ухудшение экологической обстановки, связанное с исчез­новением плодородного слоя почвы, засолением и образовани­ем болот. Социальные последствия из-за кризиса земледелия в дельте, в конечном счете, могли способствовать началу упадка Египетского царства.»

В недавнее время (8.01.1933) вулканический взрыв на остро­ве Харимкатан привел к образованию цунами, при этом волны достигали 9 м (Курильская гряда).

Наиболее впечатляющий пример образования волны цунами при обвале имел место 10 июля 1958 г. Сход лавины с поро­дой объемом 300 млн м 3 со склонов горы Фейруэзер (Аляска) в бухту Литуя создал цунами высотой 60 м с максимальным заплеском 524 м (заплеск - высота подъема воды относительно невозмущенного уровня при накате волны на берег).

Цунами высотой до 15 м возникли от падения с высоты 200 м обломки скалы (остров Мадейра, 1930). В Норвегии в 1934 г. цунами высотой 37 м возникли от падения скалы массой 3 млн т с высоты 500 м.

Оползни на склоне океанической впадины (Пуэрто-Рико) в декабре 1951 г. вызвали волну цунами. Оползни, мутьевые по­токи часто наблюдаются на материком склоне океана, при этом роль индикаторов образования и прохождения оползней или му-тьевых потоков играют разрывы кабелей, трубопроводов.

6 октября 1979 г. цунами высотой 3 м обрушились на Лазур­ный Берег в районе Ниццы. Тщательный анализ сейсмической

Гл. 10. Волны в океане 217

Обстановки, метеоусловий позволил заключить, что причиной цу­нами явились подводные оползни. Инженерные работы на шель­фе могут спровоцировать образование оползней и, как следствие, возникновение цунами .

Взрывы в воде атомных и водородных бомб способны вызвать волну типа цунами. Например, на атолле Бикини взрыв «Бей-кер» создал волны высотой около 28 м на расстоянии 300 м от эпицентра. Военными рассматривался вопрос об искусственном создании цунами. Но так как при образовании цунами в вол­новую энергию превращается только небольшая часть энергии взрыва, и направленность волны цунами низка, энергетические затраты на создание искусственного цунами (мощного волнового наката в определенной части побережья) очень велики.

В развитии цунами обычно выделяют 3 стадии: 1) формиро­вание волн и их распространение вблизи очага; 2) распростране­ние волн в открытом океане большой глубины; 3) трансформа­ция, отражение и разрушение волн на шельфе, набегание их на берег, резонансные явления в бухтах и на шельфе. Исследован-ность этих стадий существенно различна.

Для решения гидродинамической задачи расчета волн необ­ходимо задать начальные условия - поля смещений и скоростей в очаге. Эти данные можно получить прямым измерением цуна­ми в океане или косвенно, путем анализа характеристик про­цессов, порождающих цунами. Первые регистрации цунами в открытом океане проведены С.Л.Соловьевым и др. в 1980 г. у Южно-Курильских островов. Существует принципиальная воз­можность определения параметров в очаге на основе решения обратной задачи - на основе немногочисленных проявлений цу­нами на берегу определить его параметры в очаге. Однако натур­ных данных для корректного решения такой обратной задачи, как правило, очень мало.

Для предсказания проявления цунами в прибрежной зоне и решения других инженерных задач нужно знать изменение высо­ты, периода, направления фронта волны вследствие рефракции. Этой цели служат рефракционные диаграммы, на которых ука­зывают положение гребней волн (фронтов) на разных расстояни­ях в один и тот же момент времени, или положения гребня одной и той же волны в разные моменты времени. Лучи (ортогональные положению фронтов) проводятся на этой же карте. Считая, что поток энергии между двумя ортогоналями сохраняется, можно оценить изменение высоты волны. Пересечение лучей приводит к неограниченному росту высоты волны. Мощность, переносимая

220 Г л 10. Волны в океане

Вздымающийся бурун - волна накатывается без обрушения на крутых откосах.

Волнение сопровождается перемещением водных масс. Движение частиц воды при волнении происходит по незамкнутым орбитам и представляет собой сложный для теоретического описания случайный неупорядоченный процесс, зависящий от многих факторов.

Основные элементы морских ветровых волн следующие: высота h - расстояние по вертикали от впадины волны до гребня; длина X - горизонтальное расстояние между двумя последовательно расположенными гребнями или впадинами; период Т, - интервал времени между прохождением вершин двух последовательно идущих волн через фиксированную вертикаль.

Высота морских ветровых волн уменьшается по мере движения от поверхности к дну моря. Согласно классической тро- хоидальной теории волн их высота уменьшается с глубиной по экспоненциальному закону

h 2 = hе -2яг/ ^ (3.1)

где z - глубина от поверхности моря; h z и h - высота волн на глубине z и на поверхности моря соответственно.

В действительности затухание волн с глубиной происходит несколько быстрее, чем это следует из классической теории волн. Результаты натурных исследований показывают, что уменьшение высоты поверхностных волн с глубиной для аква-

торий, глубина которых в 2 раза и более превосходит длину волны, правильнее оценивать по выражению

h z = he -5,5(z/Х)0,8 . (3.2)

Однако для инженерных расчетов такие уточнения не существенны. На указанных акваториях приближенно рассчитать высоту волны h z на глубине z можно, исходя из несложного правила: если глубина увеличивается в арифметической прогрессии, то высота волн уменьшается в геометрической прогрессии (табл. 3.1).

Ветровые волны подразделяют на вынужденные, возникающие и находящиеся под воздействием ветрового давления, и свободные, имеющие место после прекращения ветра или вышедшие за зону его действия. Свободные волны иначе называют волнами зыби. Результаты многочисленных наблюдений за волнением в натурных условиях показывают, что для глубоководных акваторий, где дно не влияет на форму и размеры ветровых волн, можно считать, что X « 20h для ветровых волн и X « 30h для волн зыби (табл. 3.2). Встречающиеся на пути волн преграды подвергаются гидродинамическим нагрузкам. Согласно современным представлениям гидродинамики основными компонентами общей силы давления волн на любую цилиндрическую преграду являются сила лобового сопротивления, инерционная сила и сила удара воды о преграду.

Сила лобового сопротивления пропорциональна квадрату линейной скорости орбитального движения. Ее максимальное значение достигается при прохождении у моноопоры вершины гребня волны. Сила лобового сопротивления обусловлена тем, что на поверхности преграды при обтекании ее вязкой жидкостью возникает, а при определенных условиях периодически отрывается, пограничный слой вихревой структуры. Энергия,

Таблица 3.1

Уменьшение высоты волн с глубиной моря (в относительных единицах)

Таблица 3.2

Шкалы степени ветрового волнения (числитель) и зыби (знаменатель)

		< 0, 25 - 0,75
Умеренное		затрачиваемая иа образование вихрей и на преодоление трения воды о преграду, создает силу лобового сопротивления. Инерционная сила объясняется тем, что в условиях волнового режима преграда обтекается переменным по скорости потоком воды. Изменение во времени скорости движения воды создает силу, величина которой прямо пропорциональна ускорению потока. Максимальное значение этой силы достигается на участке волны, положение которого примерно соответствует невозмущенному уровню моря. Таким образом, по отношению к силе лобового сопротивления инерционная сила имеет смещение по фазе, равное я/2. Сила удара обусловлена внезапной потерей скорости потока и сопровождается всплеском. Эта сила пропорциональна квад- рату скорости потока. Ее максимальное значение достигается синфазно с максимумом силы лобового сопротивления. Роль отдельных составляющих в общей силе для волн и преград различных параметров различна. Для сравнительно небольших волн, не сопровождаемых всплеском, наибольшую роль играет инерционная составляющая. Для больших крутых волн, особенно при всплеске, основную роль играют силы лобового сопротивления и удара. Одним из важных критериев в определении сил волнового давления является параметр относительной глубины - отношение глубины акватории Н к длине волны X. Если Н/ X > 0,5, то акватория считается глубоководной и предполагается, что морское дно не оказывает существенного влияния на процесс обтекания преграды. Из табл. 3.1 видно, что уже при 2/X = 5/9 высота волны составляет всего около 3 % от поверхностной. Очевидно, что на глубине, где высоты волн малы, невелико и волновое давление на преграды. Это обуславливает независимость значений равнодействующей волнового давления на преграду от глубины акватории, если Н/X > 0,5. Устойчивый характер зависимости между элементами волн X и h (см. табл. 3.2) позволяет от параметра Н/X перейти к более удобному при расчетах на практике параметру H/h. Тогда можно сделать вывод, что при определении силы волнового давления влияние дна на характер обтекания волнами преграды можно не учитывать, если H/h > 10. На мелководье и в прибойной зоне рост длины волн отстает от увеличения их высоты. Пологость волн здесь уменьшается и достигает значения X/h = 8+12. Поэтому влияние дна на процесс обтекания преграды на мелководье можно не учитывать при меньших значениях параметра H/h.

Основной причиной возникновения волн на поверхности воды является воздействие ветра на водную поверхность. Волны возникают также от движения судов, а на водохранилищах и от пропусков через плотины.

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.

По силам, вызывающим волновое движение, т. е. по происхождению, можно выделить в океане (море) следующие типы волн:

• * ветровые - вызванные ветром и находящиеся под его воздействием;
• * приливные - возникающие под действием периодических сил притяжения Луны и Солнца;
• * анемобарические - связанные с отклонением поверхности океана от положения равновесия под действием ветра и атмосферного давления;
• * сейсмические (цунами) - возникающие в результате динамических процессов, протекающих в земной коре и, в первую очередь, подводных землетрясений, а также извержений вулканов, как подводных, так и прибрежных;
• * корабельные - создающиеся при движении корабля.

Основные элементы волны.

• Ш Средняя волновая линия - горизонтальная линия, пересекающая волновой профиль так, что суммарные площади выше и ниже этой линии равны.
• Ш Гребень - часть волны, располагающаяся выше средней волновой линии.
• Ш Вершина волны - самая высокая точка гребня.
• Ш Впадина (ложбина) - часть волны, располагающаяся между двумя соседними гребнями ниже средней волновой линии.
• Ш Подошва волны - самая низкая точка впадины.
• Ш Фронт волны - линия вершин гребней в плане.
• Ш Главное направления распространения волны - направление перпендикулярное фронту волны.
• Ш Высота волны - превышение вершины волны над подошвой.
• Ш Длина волны - расстояние между соседними вершинами или подошвами.
• Ш Система волнения - ряд последовательных волн, развивающихся в определенных условиях.
• Ш Крутизна волны - отношение высоты волны к длине.
• Ш Период волны - промежуток времени, в течение которого частицы совершают полный оборот по всем орбитам, или промежуток времени между прохождением вершин двух соседних волн через фиксированную точку водоема.
• Ш Скорость волны - скорость перемещения гребня волны в главном направлении ее движения.
• Ш Возраст волны - отношение скорости волны к скорости ветра.

Ветровые волны.

Воздействуя на поверхность воды, ветер, благодаря трению о воду, создает касательные напряжения и влекущие усилия, а также вызывает местные колебания давления воздуха. В результате на поверхности воды даже при ветре со скоростью 1 м/с, образуются маленькие волны, имеющие высоту, измеряемую в миллиметрах, и длину - в сантиметрах. Эти едва зародившиеся волны имеют вид ряби. Так как существование таких волн связано с поверхностным натяжением, их называют капиллярными. 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.

Рост волн приводит к их объединению в группы и удлинению до нескольких метров. Волны становятся гравитационными. 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.

Ветровое волнение зависит от величины водного пространства, открытого для разгона волны, скорости ветра и времени действия его в одном направлении, а также глубины. С уменьшением глубины волна становится крутой. Слабый ветер, дующий длительное время на большом водном пространстве, может вызвать волнение более значительное, чем сильный кратковременный ветер на малой водной поверхности.

Ветровые волны несимметричны, наветренный склон их пологий, подветренный -- крутой. Так как ветер на верхнюю часть волны действует сильнее, чем на нижнюю, гребень волны рассыпается, образуя «барашки».

В ветровых волнах содержится больше энергии, чем в океанских волнах любого другого типа. 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 часто (практически всегда) на поверхности морей и океанов наблюдаются ветровые и приливные волны, при этом ветровые волны доставляют наибольшие неприятности мореплавателям: вызывают качку корабля, заливают палубу, уменьшают скорость хода, уклоняют его от заданного курса, могут наносить повреждения, а подчас вызывают гибель судна, разрушают берега и береговые сооружения.

Классификация морских волн.

План

Лекция № 4. Тема. Морские волны

УДК: 656.62.052.4:551.5 (075) Кузнецов Ю.М. к.т.н., доцент,

кафедры «Судовождение»

1. Классификация морских волн.

2. Элементы волн.

3. Наблюдение за волнами.

В результате воздействия на воды океанов и морей различных природных сил возникают колебательные и поступательные движения частиц воды.

Под морскими волнами понимают такую форму периодического, непрерывно меняющегося движения, при котором частицы воды совершают колебания около своего положения равновесия.

Морские волны классифицируются по различным признакам:

По происхождению выделяют следующие виды волн:

Ветровые, образующиеся под действием ветра,

Приливные, возникающие под действием притяжения Луны и Солнца,

Анемобарические, образующиеся при отклонении уровня поверхности моря от положения равновесия, происходящего под действием ветра и изменения атмосферного давления,

Сейсмические (цунами), возникающие в результате подводных землетрясений и извержения подводных или прибрежных вулканов,

Корабельные, образующиеся при движении судна.

По силам, стремящимся возвратить частицу воды в положение равновесия:

Капиллярные волны (рябь),

Гравитационные.

По действию силы после образования волны:

Свободные (действие силы прекратилось),

Вынужденные (действие силы не прекратилось.

По изменчивости элементов во времени:

Установившиеся (не изменяют своих элементов),

Неустановившиеся, развивающиеся, затухающие, (изменяющие свои элементы во времени).

По расположению в толще воды:

Поверхностные, возникающие на поверхности моря,

Внутренние, возникающие на глубине.

По форме:

Двухмерные, представляющие собой следующие друг за другом длинные параллельные валы,

Трехмерные, не образующие параллельных валов. Длина гребня соизмерима с длиной волны (ветровое волнение),

Уединенные (одиночные),имеющие только куполообразный гребень без подошвы волны.

По соотношению длины волны и глубины моря:

Короткие (длина волны значительно меньше глубины моря),

Длинные (длина волны значительно больше глубины моря).

По перемещению формы волны:

Поступательные, характеризующиеся видимым перемещением профиля волны Частицы воды движутся по круговым орбитам.

Стоячие (сейша), не перемещаются в пространстве. Частицы воды совершают движение только в вертикальном направлении. Сейши возникают тогда, когда уровень воды поднимается у одного края водоема и одновременно опускается у другого обычно после прекращения ветра.

В небольших бассейнах (в гавани, бухте и т. п.) сейша может возникать при прохождении судов.

Наиболее часто в морях и океанах судоводителям приходится встречаться с ветровыми волнами, которые вызывают качку судна, заливаемость палубы, уменьшают скорость хода, а при сильном шторме наносят повреждения, которые приводят к гибели судна.

Ветровое волнение подразделяется на три основных типа:

Ветровое – это волнение, которое образуется ветром, дующим в данном месте в данный момент. При ослаблении или полном прекращении ветра волнение переходит в зыбь.

Зыбь – это волнение, распространяющееся по инерции в виде свободных волн после ослабления или прекращения ветра. Зыбь, распространяющаяся при штиле, называется мертвой. Волны зыби обычно длиннее ветровых, более пологи и имеют почти симметричную форму. Направление зыби может отличаться от направления ветра и нередко зыбь распространяется навстречу ветру или под прямым углом к нему.

Прибой – это волны, образуемые ветровыми волнами или зыбью вблизи берегов. Распространяясь с глубокой воды открытого моря в сторону берега на мелководье, волны трансформируются. Трехмерные волны превращаются в двухмерные, имеющие вид длинных гребней, параллельных друг другу, Их высота, крутизна и разрушительная сила увеличиваются Сила удара прибойной волны может достигать 90 т/м 2 . В зоне прибоя возникают опрокидывающие и переворачивающие моменты, опасные для плавсредств.

Поэтому плавание в мелководной прибрежной зоне и высадка на берег здесь очень затруднительна, опасна, а иногда и невозможна.

Предупреждениями о подводных препятствиях могут служить буруны.

Бурун – это явление, когда волны опрокидываются и разбиваются над мелями, банками, рифами и другими повышениями дна.

Одной из разновидностей волн является толчея - это встреча волн с разных направлений, в результате чего они утрачивают определенное направление движения и представляют собой беспорядочные стоячие волны.

Каждая волна характеризуется определенными элементами, такими как:

Гребень волны – часть волны, расположенная выше спокойного уровня.

Вершина волны – наивысшая точка гребня волны.

Ложбина волны – часть волны, расположенная ниже спокойного уровня.

Волны характеризуются следующими элементами (Рис.1):

Рис. 1 Элементы волн

Подошва - наинизшая точка ложбины волны;

Высота h - расстояние по вертикали от подошвы до вершины волны;

Длина λ - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней;

Крутизна – отношение высоты волны к ее длине ();

Период τ – промежуток времени, между прохождением двух смежных вершин через одну и ту же фиксированную точку;

Фронт – линия, проходящая вдоль гребня данной волны; линия, перпендикулярная фронту волны, называется волновым лучом;

Скорость распространения c - расстояние, проходимое определенной точкой волны в единицу времени;

Направление распространения - угол, отсчитываемый от норда в сторону движения волн (или истинный румб, откуда движутся волны).

На основании гидродинамической теории волн получены формулы, связывающие отдельные элементы волн на глубокой воде (когда глубина моря >);

с = 1,56 τ,

λ = 0,64 с 2 ,

τ = 0,64 с,

Высота волны измеряется непосредственно или определяется приближенно с помощью специальной номограммы.

Установлено, что с глубиной волнение быстро затихает и распространяется до глубин, равных длине волны. Так, на глубине, равной половине длины волны, высота волны меньше, чем на поверхности, в 23 раза, а на глубине, равной длине волны в 535 раз.

В навигации следует учитывать, что большие волны возникают при очень сильном ветре постоянного направления, дующем продолжительное время

(более суток), в значительных по размерам и глубинам бассейнах, и что в прибрежной зоне большое влияние на волнообразование, кроме глубины, оказывает конфигурация береговой черты и направление ветра относительно берега (ветер с берега или с моря).