Волнение представляет собой такую форму периодического непрерывно меняющегося движения, при котором частицы воды совершают колебания около своего положения равновесия.
Если из-за какой-либо причины частицы воды будут выведены из положения равновесия, то под влиянием силы тяжести они будут стремиться восстановить нарушенное равновесие. Приэтом каждая водная частица будет совершать колебательное движение относительно положения равновесия, не перемещаясь вместе с видимой формой движения волн.
Волны могут возникать под действием разных причин (сил). В зависимости от происхождения, т. е. от вызвавших нх причин, различают следующие виды морских волн.
- Волны трения (илн фрикционные). К этим волнам принадлежат в первую очередь ветровые, возникающие при действии ветра на поверхность моря. К ним относятся также так называемые внутренние, или глубинные, волны, которые возникают на глубинах при перемещении слоя воды одной плотности над слоем вочы другой плотности.
- Барические волны возникают при колебаниях атмосферного давления. Колебания атмосферного давления вызывают поднятия и опускания водных масс, при которых частицы воды стремятся занять новые положения равновесия, но, достигнув их, совершают по инерции колебательные движения.
- Приливо-отливные волны возникают под влиянием явления приливов и отливов.
- Сейсмические волны образуются при землетрясениях и вулканических извержениях. Если очаг землетрясения расположен под водой или же поблизости от берега, то колебания передаются водным массам, вызывая в них сейсмические волны, которые называются еще цунами.
- Сейши. В морях, озерах, водохранилищах, кроме колебания водных частиц в виде поступательных волн, нередко наблюдаются периодические колебания частиц воды только в вертикальном направлении. Такие волны называются сейшами. При сейшах происходят колебания, похожие по своему характеру на колебания, в периодически покачиваемом сосуде. Самый простой вид сейш возникает, когда уровень воды поднимается у одного края водоема и одновременно опускается у другого. При этом по середине водоема наблюдается линия, вдоль которой частицы воды не имеют вертикальных перемещений, а движутся горизонтально. Эта линия называется узлом сейша. Более сложные сейши бывают двухузловымн, трехузловыми и т. д.
Мировой океан находится в постоянном движении. Кроме волн, спокойствие вод нарушают течения, приливы и отливы. Всё это разные виды движения воды в .
Ветровые волны
Трудно себе представить абсолютно спокойную гладь океана. Штиль — полное безветрие и отсутствие волн на его поверхности - большая редкость. Даже при тихой и ясной погоде на поверхности воды можно увидеть рябь.
И эта рябь, и бушующие пенные валы рождены силой ветра. Чем сильнее дует ветер, тем выше волны и больше скорость их движения. Волны могут перемещаться на тысячи километров от того места, где они возникли. Волны способствуют перемешиванию морских вод, обогащению их кислородом.
Наиболее высокие волны наблюдаются между 40° и 50° ю. ш., где дуют самые сильные ветры. Эти широты моряки называют штормовыми или ревущими широтами. Районы возникновения высоких волн расположены также у американских берегов вблизи Сан-Франциско и Огненной Земли. Штормовые волны разрушают береговые постройки.
Самые высокие и разрушительные волны . Причина их возникновения - подводные землетрясения. В открытом океане цунами незаметны. У побережья длина волн сокращается, а высота растёт и может превышать 30 метров. Эти волны приносят бедствия жителям прибрежных территорий.
Океанические течения
В океанах образуются мощные водные потоки - течения. Постоянные ветры вызывают поверхностные ветровые течения. Некоторые течения (компенсационные) возмещают убыль воды, двигаясь из районов её относительного избытка.
Течение, температура воды которого выше температуры окружающих вод, называют тёплым, если ниже - холодным. Тёплые течения переносят более тёплые воды от экватора к полюсам, холодные - более холодные воды в противоположном направлении. Таким образом, течения перераспределяют тепло между широтами в океане и оказывают существенное влияние на климат прибрежных территорий, вдоль которых они несут свои воды.
Одно из самых мощных океанических течений - . Скорость этого течения достигает 10 километров в час, и оно перемещает 25 миллионов кубических метров л воды за каждую секунду.
Приливы и отливы
Ритмические поднятия и опускания уровня воды в океанах называют приливами и отливами. Причина их возникновения - действие силы притяжения Луны на земную поверхность. Два раза в сутки пода поднимается, покрывая часть суши, и два раза отступает, обнажая прибрежное дно. Энергию приливных волн люди научились использовать для получения электричества на приливных электростанциях.
Как образуются волны? Отчёты о состоянии прибоя и прогнозы образования волн составляются по результатам научных исследований и моделирования погоды. Для того чтобы узнать, какие волны будут формироваться в ближайшее время, важно понимать то, как они образуются.
Главной причиной образования волн является ветер. Волны, наилучшим образом подходящие для сёрфинга, формируются в результате взаимодействия ветров над поверхностью океана, вдали от берега. Воздействие ветра - это первый этап образования волны.
Ветры, дующие в той или иной местности с берега, также могут быть причиной образования волн, однако при этом они могут приводить к ухудшению качества разбивающихся волн.
Установлено, что ветры, дующие с моря, обычно приводят к образованию нестабильных и неровных волн, поскольку они воздействуют на направление движения волны. Ветры, дующие с берега, в определённом смысле служат своего рода уравновешивающей силой. Волна проходит многие километры из глубины океана до берега, а ветер с суши оказывает «тормозящий» эффект на лицо волны, позволяя ей дольше не разбиваться.
Области низкого давления = хорошие волны для сёрфинга
Теоретически, области низкого давления способствуют образованию хороших, мощных волн. В глубине таких областей скорость ветра выше, и порывы ветра формируют больше волн. Трение, создаваемое этими ветрами, помогает образовываться мощным волнам, которые проходят тысячи километров, пока не натолкнутся на конечные препятствия, то есть прибрежные территории, на которых живут люди.
Если ветры, образующиеся в областях низкого давления, продолжают дуть на поверхность океана на протяжении долгого времени, то волнение становится более интенсивным, поскольку энергия накапливается во всех образующихся волнах. Кроме того, если ветры из областей низкого давления воздействуют на очень большую акваторию океана, то все образующиеся волны сосредотачивают в себе ещё большую энергию и мощь, что приводит к формированию ещё более крупных волн.
От волн в океане к волнам для сёрфинга: морское дно и другие препятствия
Мы уже проанализировали то, как образуется волнение в море и порождаемые им волны, но после «рождения» таким волнам ещё предстоит пройти огромное расстояние до берега. Волнам, зародившимся в океане, предстоит проделать длинный путь, прежде чем они достигнут суши.
Во время своего путешествия, ещё до того, как на них встанут сёрферы, этим волнам придётся преодолеть другие препятствия. Высота зарождающейся волны не совпадает с высотой волн, на которых катаются сёрферы.
Продвигаясь через океан, волны подвергаются воздействию неровностей морского дна. Когда гигантские движущиеся массы воды преодолевают возвышения на морском дне, общее количество энергии, сосредоточенное в волнах, изменяется.
Например, континентальные шельфы на удалении от берега оказывают сопротивление движущимся волнам за счёт силы трения, а к тому моменту, как волны достигают прибрежных акваторий, где глубина небольшая, они уже теряют свою энергию, силу и мощь.
Когда волны перемещаются по глубоководным акваториям, не встречая препятствий на своём пути, они, как правило, обрушиваются на береговую линию с огромной силой. Глубины океанического дна и их изменения, происходящие со временем, изучаются в рамках батиметрических исследований.
По карте глубин легко найти самые глубокие и самые мелководные акватории океанов нашей планеты. Изучение рельефа морского дна имеет большое значение для предотвращения крушений кораблей и круизных лайнеров.
Кроме того, при изучении структуры дна можно получить ценную информацию для прогнозирования прибоев на определённом серф-споте. Когда волны достигают мелководья, их скорость обычно снижается. Несмотря на это, длина волны сокращается, а гребень увеличивается, в результате чего возрастает высота волны.
Песчаные отмели и увеличение гребня волны
Песчаные отмели, например, всегда изменяют характер бич-брейков. Именно поэтому качество волн со временем меняется в лучшую или худшую сторону. Песчаные неровности на дне океана позволяют образовываться чётким сосредоточенным волновым гребням, с которых сёрферы могут начинать скольжение.
Наталкиваясь на новую песчаную отмель, волна, как правило, образует новый гребень, поскольку подобное препятствие приводит к возвышению гребня, то есть формированию волны, пригодной для сёрфинга. К другим препятствиям для волн относятся буны, затопленные суда либо просто естественные или искусственные рифы.
Волны зарождаются благодаря ветру и по мере движения подвергаются влиянию рельефа морского дна, осадков, приливов, отбойных течений у побережий, местных ветров и неровностей дна. Все эти погодные и геологические факторы способствуют образованию волн, подходящих для сёрфинга, кайтсёрфинга, виндсёрфинга и буги-сёрфинга.
Прогнозирование волн: теоретические основы
- Волны с длинным периодом, как правило, больше и мощнее.
- Волны с коротким периодом, как правило, меньше и слабее.
- Периодом волны называется время между образованием двух чётко выраженных гребней.
- Частота волн - это количество волн, проходящих через определённую точку за определённое время.
- Большие волны движутся быстро.
- Маленькие волны движутся медленно.
- В областях низкого давления образуется интенсивное волнение.
- Для областей низкого давления характерна дождливая погода и облачность.
- Для областей высокого давления характерна тёплая погода и ясное небо.
- В глубоководных прибрежных акваториях образуются более крупные волны.
- Цунами не пригодны для сёрфинга.
Волны – понятие из «арсенала» физики. Чтобы проще и доходчивее объяснить, что это такое, можно привести пример, казалось бы далекий от темы.
…Коронация Екатерины II происходила в Москве. Новоиспеченная императрица пожелала, чтобы о торжественном моменте возвестили салютом в Санкт-Петербурге, но как передать сигнал? Ведь тогда не существовало ни Интернета, ни телефона, ни даже телеграфа. И все же выход был найден: от Москвы до Санкт-Петербурга расставили солдат с флажками в руках на расстоянии прямой видимости друг от друга. В нужный момент первый солдат поднял флажок, следующий, увидев это, сделал то же самое и т.д. Сигнал был получен в Санкт-Петербурге менее, чем через четверть часа!
Что мы видим в данном случае? Ни один человек не перемещался, но перемещалось, передаваясь от человека к человеку, определенное состояние. Если нечто подобное происходит в некой среде (твердой, жидкой или газообразной) или же в электромагнитном поле – не происходит перемещения материи, но перемещается определенное изменение физических характеристик – это называется волной (это будет еще понятнее, если мы снова вспомним выражение, далекое от физики: «По стране прокатилась волна забастовок» – опять же, «прокатилось» изменение состояния).
Частный случай волны – это те колебательные возмущения, которые распространяются в толще воды или по ее поверхности.
У любой волны есть вершина (самая высокая точка ее гребня), подошва (самая низкая точка ложбины), высота (превышение вершины), длина (расстояние между вершинами гребней двух смежных волн), период (временной интервал, за который волна пройдет расстояние, равное ее длине) и крутизна (соотношение высоты и длины волны). Также оценивается скорость, с которой волна перемещается в том направлении, в котором она распространяется.
Причины образования волн на поверхности морей и океанов многообразны. Чаще всего можно наблюдать ветровые волны. Их размер и форма не отличаются упорядоченностью, за малой волной вполне может последовать большая, гребни волн не обязательно перемещаются в направлении ветра. Это связано с тем, что ветер, образующий волны, имеет вихревой, турбулентный характер. Размер ветровых волн зависит не только от скорости ветра, но и от его продолжительности.
Ветер – не единственная причина возникновения морских волн. Существуют приливные волны. Вопреки распространенному заблуждению, они появляются не потому, что Луна «притягивает» воду, а потому, что Земля вместе со своей водной оболочкой «растягивается» между самой отдаленной от Луны точкой и самой близкой к ней, это происходит из-за разницы в гравитационном притяжении между этими двумя точками.
Барические волны возникают из-за резких перепадов атмосферного давления. Это бывает там, где проходит циклон, особенно тропический. Если такие волны совпадут с высокими приливными – жди беды! Особенно часто такое случается на побережье Флориды, Японии, Китая, Индии, на Антильских островах.
Особенно опасны для моряков глубинные волны. Они возникают там, где есть два слоя воды с разными свойствами, и происходит их смешение – например, поблизости от тающих льдов или в проливах.
Волны цунами образуются при землетрясениях на морском дне. Японское происхождение названия не случайно – это страна особенно часто страдает от такого стихийного бедствия.
Когда прекращается действие ветра, сейсмических толчков и прочих сил, вызывающих волны, во внутренних морях и заливах по инерции возникают стоячие волны большого периода – сейши. Так, на Азовском море период таких волн может достигать 23 часов.
Наконец, существуют корабельные волны. Ведь проходящее по морю судно тоже вызывает возмущение водой среды, а значит – и образование волн.
Существуют многочисленные теории образования волн. Ни одна из теорий не описывает явление полностью, но поскольку практический интерес представляют следствия, а не причины, то такое состояние науки не должно нас особенно беспокоить. На начальной стадии волны вызываются, видимо, трением между движущимся воздушным потоком и неподвижной поверхностью воды. Вода замедляет воздушный поток, вызывая в нем вихри, при этом поверхность воды становится неровной, на ней образуется рябь Возникает порочный круг: из-за того, что поверхность воды стала неровной, трение увеличивается и усиливаются вихри над поверхностью воды.
Сразу после образования волн начинает работать так называемый механизм экранирования Джеффриса, согласно которому воздушный Поток над крупными волнами существенно искажается. Это влияет на парус маленьких яхт типа швертботов-одиночек. Согласно теории Джеффриса, поток воздуха давит на наветренный склон волны, более или менее плавно поднимается по склону и на гребне направлен несколько вверх, а затем, падая, давит на склон следующей волны; разрыв под гладким воздушным потоком на наветренном склоне волны заполняется турбулентным вихрем таким образом, что эта часть волны экранируется от действия ветра. Рисунок 27 помогает понять этот механизм*.
Теория Джеффриса не является полностью справедливой, так как в ней не учитывается скорость самых быстрых волн, которые могут двигаться со скоростью ветра или еще быстрее, тогда как обычно при устойчивом в течение значительного времени ветре волны движутся со скоростью, составляющей примерно 3 / 4 от скорости ветра. Тем не менее в образовании более медленных волн механизм экранирования играет важную роль Восходящие потоки воздуха над гребнями используют парящие морские птицы.
Теоретически рябь появляется при ветре около 2 узлов, но при этом настоящие волны не образуются и не поддерживается существование уже сформировавшихся волн, уходящих в районы с меньшей скоростью ветра Если ветер, образовавший рябь, стих, то поверхность воды опять становится гладкой как зеркало.
Следовательно, темные полосы ряби в тихий день являются хорошим индикатором скорости ветра у поверхности воды, хотя это не обязательно означает, что там, где ветровых полос нет, несколько выше поверхности воды ветер отсутствует. Для яхтсмена наблюдение за ветровыми полосами в штиль очень важно, но эти полосы не всегда являются безошибочными признаками лучшего парусного ветра, так как яхту движет ветер не у самой поверхности, а несколько выше.
Необходимо подчеркнуть, что рябь вызывается относительным движением воды и воздуха непосредственно над поверхностью. Поэтому при наличии течения рябь может образовываться при штиле. Таким образом, темные полосы на воде не всегда говорят о ветре, в равной степени они могут быть следствием течения. Необходимо также отметить, что ветер, при котором обычно появляется рябь, не образует ее, если вода движется примерно в том же направлении и с той же скоростью, что и воздух При таких условиях гладкие участки водной поверхности могут означать наличие попутного течения. Аналогично, если легкий ветер дует в направлении течения, а ери штиле течение уже образовало рябь, то ветер может ее уничтожить. Следовательно, используя рябь как индикатор наличия ветра или течения, необходимо помнить все перечисленные обстоятельства. (См также с. 71-76.)
На размеры волн влияет расстояние, на котором развивались ветровые волны. Это расстояние называется разгоном ветра (или волн). Для понимания влияния разгона на волны рассмотрим, как на них действует волнолом Один и тот же ветер может быть как до, так и после волнолома, но волнение будет существенно различным За волноломом оно образовано ветром при ограниченном разгоне и поэтому относительно невелико и может быть безопасным.
На образование волн влияет также вязкость: в натурных условиях крупные волны при скоростях ветра менее 8 узлов образуются редко. Непрерывное воздействие усиливающегося ветра формирует большие волны, но затем диссипация и турбулентность ограничивают размеры волн, и дальнейшая энергия, поступающая от ветра, расходуется только на увеличение их длины и скорости. Например, известно, что при сильном шквале образуются крутые, беспорядочные маленькие волны, которые, в отличие от сравнительно высоких волн, не имели достаточно времени, чтобы достигнуть значительной длины или скорости.
Зыбь
Абсолютно правильные большие волны сравнительно редки даже в открытом океане, в прибрежных водах они встречаются еще реже. Волны, образованные сильными ветрами, затухают медленно и поэтому проходят большие расстояния; такие волны, которые движутся без помощи ветра, называют зыбью. Очень часто в одном и том же районе одновременно могут наблюдаться две или три системы зыби. Часто при местном ветре на гребнях зыби образуются волны меньших размеров и другого направления. Все это может происходить в открытом море, в сотнях миль от суши, поэтому легко представить сложную картину интерференции на мелководье у подветренного берега и при наличии течений.
Достаточно странно и, вероятно, противоречит распространенному представлению мое мнение о том, что волнение на соревнованиях швертботов и других маленьких яхт часто более регулярно, чем в центре Атлантики; причина заключается в ограниченности разгонов в районах соревнований, поэтому волны здесь молодые, следовательно, совпадают с наблюдающимся ветром и не «перепутаны» с волнами, зародившимися в других районах.
Хорошо известно, что зыбь, образовавшаяся при сильном ветре, может существовать долго после того, как ветер стих. Неудивительно, что скорость зыби очень часто существенно превышает скорость местного ветра. Менее известно (об этом мы уже упоминали), что при достаточно большом разгоне и устойчивом ветре скорость волн может быть значительно больше скорости породившего их ветра. Имеется запись волн со скоростью 60 узлов; 30 узлов- скорость вполне обычная.