Возникновение волн в морях и океанах. Самая большая волна

Австралийский фотограф Мэтт Берджесс (Matt Burgess) на протяжении шести лет снимает океан. Он делает снимки с необычных ракурсов и даже заглядывает «под волну» - большинство людей не видели океан с этой стороны.

Воды Мирового океана постоянно двигаются. На берег то набегают, то откатываются волны. И вода в волнах не перемещается только в горизонтальном направлении - в этом можно легко убедиться, наблюдая за поплавком на воде.

У пологого берега волна «чувствует» дно. От трения нижняя часть слоя жидкости тормозится, а гребень волны продолжает движение, наклоняется вперед и опрокидывается. Так возникает прибой. На берег набегает пенистый водяной вал, а навстречу ему, с берега стекает вода предыдущей волны.

Главной причиной возникновения волн является ветер. Он словно вдавливает водную поверхность и выводит её из состояния равновесия.

Даже слабый ветер может создает волны. Обычно высота волн не превышает 4 метров. Большие волны (более 20 метров) порождаются штормовыми ветрами. Крупнейшая из ветровых волн высотой 34 метра (это высота 10-этажного дома) была зафиксирована в центральной части Тихого океана в 1933 году.

Когда ветер слабеет, высокие волны океана меняются рябью - низким волнением. Чем сильнее, длительный ветер и больший водное пространство, тем выше волны. С глубиной воды волнение уменьшается и становится незаметным.

Волны выполняют разрушительную и созидательную работу. В одних местах они с такой силой бьют о берег, что разрушают горные породы

На берегах Черного моря сила удара волны может достигать 25 тонн на 1 кв.м. Не всякая постройка выдержит такой натиск. При этом, вода поднимается вверх на высоту до 60 метров.

При шторме волны океана способны перемещать камни весом в несколько тонн. Чтобы защитить берега и портовые сооружения от разрушения, строят специальные волнорезы из железобетонных плит.

Творческая работа волн океана - это создание песчаных и галечных пляжей. Кроме того, волны перемешивают воду, способствуют обогащению ее кислородом и теплом. Это необходимо для живых организмов Океана.

Землетрясения и извержения вулканов могут вызывают огромные волны - цунами, которые распространяются во все стороны от места возникновения и охватывают всю толщу воды от дна до поверхности. Цунами идут через весь океан со скоростью реактивного самолета.

Высота цунами в открытом океане невелика - до 1 м при длине волны 200 км. Поэтому среди водных просторов большого волнения нет и цунами трудно заметить.

Все меняется с приближением к берегу. Перед цунами море, обнажая дно, отходит от берегов на сотни метров, будто для разбега. А потом стремительно накатывается волна. Зажатая берегами в узкой гавани, она вырастает до 20-30 м. Вот почему японское слово «цунами» дословно переводится, как «волна в гавани».

Стена воды цунами всей тяжестью обрушивается на побережье. Она переворачивает судна, разрушает здания, а отступая, несет в океан всё, что попадается на её пути. Чаще цунами случаются на западном побережье Тихого океана. Предотвратить цунами невозможно, можно можно лишь заранее предупредить о приближении.

Издавна было замечено, что каждые 6 часов уровень воды в Мировом океане то поднимается, то опускается. Вода то наступает на берег и продвигается далеко на сушу, то отступает от него, обнажая дно. Поднятие уровня воды в Океане называется притоком, а ее спад - оттоком. На побережьях морей ширина приточной полосы достигает иногда нескольких километров. В приток там можно плавать на лодке и ловить рыбу. В отлив - гулять по дну и собирать ракушки.

Приливы - это тоже волны океана. Они вызваны гравитацией Луны и Солнца. Вместе им удается создавать приливную волну. В отличие от обычной, приливная волна носит всепланетный характер. Огромные массы Мирового океана то поднимаются, то опускаются. Океан как-будто дышит.

Луна и, в меньшей степени, Солнце вызывают приливы и отливы, как по расписанию - 2 раза в сутки. Приливы и отливы, как день и ночь, приходят на нашу планету с точностью хороших часов.

Время наступления приливов не везде одинаково. Кроме того, в океане высота таких волн составляет менее 1 м, поэтому там они незаметны. Высокие приливы наблюдаются в узких заливах, устьях рек. Так, высота прилива в Черном море может быть всего несколько сантиметров, а в узких заливах Охотского моря достигает 13 метров. Самые высокие приливы в Мировом океане, достигающие 18 м, наблюдаются в заливе Фанди у восточного побережья Северной Америки.

Мореплавателями давно были составлены специальные таблицы, которые позволяли проводить корабли с учетом высокой или низкой волны. В наши дни таблицы заменили компьютеры.

А еще приливные волны имеют огромную энергию, которую человек использует для получения электроэнергии.

Интересно, что в результате строительства «приливной» гидроэлектростанции, как полагают, Земля замедлит вращение вокруг своей оси на один день в 2 тысячи лет.

Любопытно, что на больших глубинах в океане возникают волны высотой до 100 метров, однако на поверхности воды эти волны незаметны.

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.

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.

1. Воды Мирового океана постоянно двигаются. На берег то набегают, то откатываются волны. И вода в волнах не перемещается только в горизонтальном направлении - в этом можно легко убедиться, наблюдая за поплавком на воде.

2. У пологого берега волна «чувствует» дно. От трения нижняя часть слоя жидкости тормозится, а гребень волны продолжает движение, наклоняется вперед и опрокидывается. Так возникает прибой. На берег набегает пенистый водяной вал, а навстречу ему, с берега стекает вода предыдущей волны.

3. Главной причиной возникновения волн является ветер. Он словно вдавливает водную поверхность и выводит её из состояния равновесия.

4. Даже слабый ветер может создает волны. Обычно высота волн не превышает 4 метров. Большие волны (более 20 метров) порождаются штормовыми ветрами. Крупнейшая из ветровых волн высотой 34 метра (это высота 10-этажного дома) была зафиксирована в центральной части Тихого океана в 1933 году.

5. Когда ветер слабеет, высокие волны океана меняются рябью - низким волнением. Чем сильнее, длительный ветер и больший водное пространство, тем выше волны. С глубиной воды волнение уменьшается и становится незаметным.

6. Волны выполняют разрушительную и созидательную работу. В одних местах они с такой силой бьют о берег, что разрушают горные породы

ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ, возмущения физических параметров океана (плотности, давления, скорости, положения морской поверхности и др.) относительно некоторого среднего состояния, способные распространяться от места их возникновения или колебаться внутри ограниченной области. В физических задачах волновые движения в океане принято классифицировать по типу сил, ответственных за их возникновение и распространение. Выделяют пять основных типов волн в океане: акустические (звуковые), капиллярные, гравитационные, гироскопические (инерционные) и планетарные.

Акустические волны распространяются в океане благодаря сжимаемости воды. Скорость распространения волн (скорость звука) зависит от состояния воды (температуры, солёности), глубины океана и изменяется в пределах 1450-1540 м/с. Высокочастотные акустические волны (с частотами от единиц до десятков кГц) используются для гидроакустической связи и подводной локации, включающей в себя измерение глубин, определение параметров морской среды (в частности, измерение скоростей морских течений на основе эффекта Доплера), локацию скоплений морских животных, подводных судов и тому подобное. С эффектом подводного звукового канала связано явление сверхдальнего распространения звука, позволяющее использовать низкочастотные звуковые волны для дальней гидроакустической локации и диагностики крупномасштабной изменчивости океанской среды.

Капиллярные волны связаны с силой поверхностного натяжения воды, которая является преобладающей для достаточно коротких поверхностных волн. Характерная длина таких волн определяется отношением коэффициента поверхностного натяжения к ускорению свободного падения и составляет для чистой воды 1,73 см. Эти волны играют важную роль во взаимодействии океана и атмосферы, существенно влияя на тепло- и газообмен. Различные процессы в приповерхностном слое океана (течения, ветер, загрязнение морской поверхности) сильно изменяют поле капиллярных волн, а следовательно, и отражательные характеристики морской поверхности. Это явление широко используется при дистанционном зондировании океана: в задачах альтиметрии (определение формы поверхности океана со спутников), в задачах диагностики состояния морской поверхности (выяснение наличия и характера загрязнений, измерение характеристик приповерхностных течений, ветрового волнения и др.).

К поверхностным гравитационным волнам (смотри Волны на поверхности жидкости) относятся, прежде всего, ветровые волны, длины которых лежат в диапазоне от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров, а амплитуды могут превышать 20 м. Существующие модели прогноза ветровых волн позволяют с высокой точностью предсказывать средние характеристики волнения (период, амплитуду), но не дают возможности прогнозировать редкие экстремальные события, например «волны-убийцы». Амплитуда таких волн более чем в четыре раза превышает среднюю амплитуду волнения, причём довольно часто «волны-убийцы» имеют вид ямы, а не гребня. Данное явление представляет серьёзную опасность для судоходства и морского строительства. Поверхностные гравитационные волны могут возбуждаться не только ветром, но и другими внешними воздействиями (землетрясениями, над- и подводными оползнями и др.). Изредка такие воздействия приводят к возникновению цунами, которые способны производить катастрофические разрушения в прибрежной зоне. Важный случай гравитационных волн - приливные волны (смотри Приливы и отливы), возникающие вследствие периодического изменения притяжения Луны и Солнца в данной точке Земли, что приводит к периодическому (как правило, два раза в сутки) изменению уровня моря.

Внутренние гравитационные волны (смотри Внутренние волны) развиваются в толще океана благодаря её вертикальной стратификации (зависимости плотности воды от глубины). Характерная частота таких волн, так называемая частота плавучести или частота Брента - Вяйсяля, изменяется в очень широких пределах (от десятков секунд до десятков часов). Длины внутренних волн могут составлять от нескольких метров до сотен километров. Эти волны играют важную роль в вертикальном перемешивании вод и динамике крупномасштабных течений, существенно влияют на распространение звуковых волн в океане. Внутренние гравитационные волны могут представлять серьёзную опасность для подводного судоходства в областях их интенсивной генерации, вызванной особенностями рельефа, крупномасштабными течениями и тому подобное.

Гироскопические волны (инерционные волны) обусловлены силой Кориолиса. Минимальный период этих волн определяется географической широтой φ места и равен 12ч/sin φ, то есть составляет половину суток на полюсе и стремится к бесконечности на экваторе. В открытом море инерционные волны проявляются как инерционные колебания - почти не распространяющиеся в пространстве периодические колебания горизонтальной скорости течения, легко возбуждаемые ветром. Поскольку океан сильно стратифицирован по глубине, в нём чаще всего наблюдаются волны смешанного типа - гравитационно-гироскопические, в которых существенны вертикальные движения воды. Такие волны способны значительно влиять на вертикальное перемешивание верхнего слоя океана.

Планетарные волны (Россби волны) создаются изменчивостью параметра Кориолиса по широте, что приводит к возникновению возвращающей силы для движений, имеющих восточную составляющую. Характерный масштаб этих волн, так называемый масштаб Россби, может составлять сотни километров. С волнами Россби связывают синоптическую изменчивость океана и атмосферы и соответствующие динамические структуры - синоптические вихри в океане и атмосфере. Изменение глубины океана может создавать эффект, аналогичный переменному вращению. Возникающие вследствие этого волновые движения получили название топографических волн Россби.

Особый класс волновых движений в океане составляют краевые волны, возникающие в прибрежных областях (волны Пуанкаре, Кельвина). Их существование определяется наличием горизонтальной границы (берег, кромка океанского шельфа и т.п.), вдоль которой происходит распространение волн, в комбинации с другими физическими факторами, такими, как изменение глубины, вращение Земли, вертикальная стратификация, наличие вдольбереговых сдвиговых течений и др.

В природе, как правило, наблюдаются сложные смешанные типы волновых движений: гравитационно-капиллярные, гравитационно-гироскопические и др.

Лит.: LeBlond Р. Н., Mysak L. А. Waves in the ocean. Amst., 1978; Бреховских Л.М., Гончаров В. В. Введение в механику сплошных сред. М., 1982.