Слава Кан - Океан и атмосфера

Первым пытался объяснить причины волнения Леонардо да Винчи. Этим вопросом занимались также И. Ньютон, П. Лаплас и др. Постепенно развивалась теория морского волнения, накапливались, анализировались и обобщались материалы наблюдений во всех океанах и морях планеты. В настоящее время существует ряд классификаций морских волн по ряду признаков: силам, действию, изменчивости, отношению к глубине моря.

Известно, из каких элементов слагается волна. Это — гребень волны, или наивысшая точка волнового профиля, и подошва, т. е. ложбина, — наинизшая точка. Линия, проходящая вдоль гребня волны, перпендикулярная направлению перемещения волн, называется фронтом волны. Высота волны — это расстояние по вертикали от гребня до ближайшей подошвы. Расстояние по горизонтали между двумя гребнями или двумя подошвами соседних волн — длина волны. Время, в течение которого форма волны пробегает расстояние, равное ее длине, представляет собой период волны. За один период частица волны описывает свою орбиту. И наконец, расстояние, которое форма волны проходит в единицу времени, называется скоростью волны.

Итак, четыре элемента составляют характерные особенности волны: высота, длина, период и скорость. Три из них связаны между собой определенными зависимостями, из которых можно знать лишь два, а третий вычислить, и только высоту необходимо понаблюдать непосредственно в море или океане.

Из элементов морского волнения наиболее непостоянна высота волны — быстро возрастая, она быстро и уменьшается. Сильно изменяется и длина волны, особенно в начале волнения, когда волны наиболее крутые. С усилением шторма длила все более возрастает, но, достигнув известного предела, она еще долго остается прежней, даже когда ветер уже утих. Самый постоянный элемент морского волнения — скорость: она и мало меняется, и долго сохраняется. Период волны зависит от длины и скорости.

Всем, кто бывал в море или на его побережье, случалось наблюдать, как зарождаются, а потом развиваются ветровые волны. Поверхность моря гладкая, зеркальная, ветра нет. Но стоит ему подуть, начинают появляться мельчайшие первичные волны, называемые еще и капиллярными. На вид это — мелкая рябь. Она вызывается тем, что над спокойной поверхностью моря возникают не-большие воздушные вихри. Таким образом, давление над морем пульсирует, и там, где частицы воздуха опускаются, на воде можно заметить впадинки, а в точках восходящих воздушных частиц — возвышения. Рябь равномерна, она образует параллельные дуги, но складки ее невысоки — всего несколько миллиметров. Ветер все усиливается, волны тоже увеличиваются, растет их высота, длина и крутизна. Это происходит не сразу, должно пройти некоторое время, пока поверхность морской воды прореагирует на действие ветра. При этом, оказывается, имеет значение не только сила ветра, но и его продолжительность, и то расстояние, на котором наблюдается ветер, — как говорят, разгон ветра. Отношение скорости волн к скорости ветра называется возрастом волн.

Энергия ветра расходуется в двух направлениях: на увеличение длины и высоты волн и на преодоление трения. Длина волн растет быстрее, чем высота, поэтому крутизна становится меньше. Ветер всегда дует порывами и более или менее изменяет свое направление. Вот почему и волны образуются различные — рядом с большими более мелкие, они обладают различной скоростью, накладываются друг на друга, создают группы волн. И вот ветер начинает стихать, а за ним постепенно спадают и волны, сначала мелкие и значительно медленнее длинные. Как установлено наблюдениями, зыбь и мертвая зыбь (волнение при полном безветрии) заметна на поверхности океанов за сотни и тысячи километров от того места, где она появилась.

Современная наука о волнах имеет два теоретических направления — нахождение физических законов волновых процессов и разработка статистических основ этого явления. Основоположником теоретического направления был академик В. В. Шулейкин. Значительную роль сыграли его многочисленные опыты в специальном штормовом бассейне, построенном в Крыму. Как уже говорилось, ветровые волны на поверхности океанов и морей очень разнообразны. Поэтому статистические методы учитывают вероятность волн различных размеров, для чего строятся кривые повторяемости и обеспеченности тех или иных элементов волн (высот, периодов). На практике обычно используются эмпирические формулы, в которые входят сила, ветра, продолжительность и разгон. Такие формулы существуют уже около 100 лет, впервые их предложил Берген в 1890 г. По мере накопления новых материалов наблюдений эти формулы уточнялись, детализировались, получали физическую интерпретацию.