Колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени, называются волнами. Волновой процесс не сопровождается переносом массы, а лишь переносом энергии. То есть, колеблющиеся вертикально частицы воды не перемещаются горизонтально, происходит лишь изменение их энергии
Волны бывают различными - на поверхности жидкости, звуковыми, электромагнитными. Но сейчас мы сосредоточимся на волнах, возникающих на морских просторах. Как явствует из определения, волны возникают, когда некие образовавшиеся колебания начинают распространяться в пространстве. А чтобы эти самые колебания возникли, необходимо действие внешней силы. В зависимости от того, какая внешняя сила является причиной возникновения колебаний (а значит и волн), различают волны трения, барические волны, сейсмические, стоячие и приливные.
К волнам трения относят ветровые волны и внутренние. Ветровые волны возникают на границе воздух - вода. Когда дует ветер , слои воздуха периодически воздействуют на поверхность воды и вызывают ее колебания. Колебания распространяются в пространстве и по морю бегут волны. Обычно их высота не более четырех метров, но в случае штормовых ветров возрастает до пятнадцати метров и выше. Наибольшей высоты волны могут достигать в полосе западных ветров Южного полушария - до 25 метров.
Появлению волн на поверхности моря предшествует рябь. Она возникает при скорости ветра менее одного метра в секунду. С увеличением скорости возрастает величина волн. Высокие и крутые ветровые волны носят образное имя толчея. Когда ветер стихает, волнение еще какое- то время продолжается по инерции, в этом случае говорят, что на море зыбь. Волна, бегущая по мелководью на берег, называется прибоем. В этот процесс вовлекаются значительные массы воды, даже когда высота волны не очень велика. При выходе ее на прибрежное мелководье, частицы воды из- за большого значения энергии, начинают двигаться по горизонтали, взад и вперед, неся с собой камни и песок. Каждый, кто купался в море, знает как бьют эти камешки по ногам. Достаточно сильный прибой в состоянии тащить огромные валуны.
Внутренние волны
Внутренние волны (подводные) возникают под поверхностью моря, на границе двух слоев воды с различными свойствами. Капитан Немо был не совсем точен и слишком идеализировал океан , когда утверждал, что внутри него царит покой. Водная толща океана неоднородна, она состоит из разных слоев. Физические характеристики их (температура, соленость, плотность) меняются от слоя к слою неравномерно, на границе между ними и образуются внутренние волны. Впервые они были обнаружены норвежским полярным исследователем, доктором зоологии, основателем физической океанографии Фритьофом Ведель- Ярлсбергом Нансеном (1861 - 1930 г.г.). Во время плавания на судне "Фрам" на Северный Полюс, Нансен наблюдал в Северном Ледовитом океане периодические изменения температуры и солености морской воды на одной и той же глубине.
Подобные волны могут возникать вблизи устьев рек, в проливах с двухслойными течениями, у кромки тающих льдов. Высота внутренних волн может в десятки раз превышать высоту волн на поверхности, но по скорости они уступают поверхностным. Эти волны несут опасность подводным лодкам, размывают портовые сооружения (волнорезы, дебаркадеры, причалы), способны рассеивать звуковые волны. Такие волны хорошо видны со спутника (на фото). Обычно они невелики, но в проливе Лусон, между Филиппинами и Тайванем, достигают 170 метров в высоту. Это объясняется особенностями водных потоков и рельефом дна.
Барические волны возникают из- за быстрой смены атмосферного давления в местах прохождения циклонов. Это одиночные волны, способные пройти сотни, а то и тысячи километров от места своего возникновения и неожиданно броситься на берег, смывая все на своем пути. Так в сентябре 1935 года барическая волна высотой девять метров обрушилась на берег Флориды и унесла 400 человеческих жизней. Образование таких волн не редкость на побережьях Индии, Китая, Японии.
Сейсмические волны возникают в результате активных процессов в недрах Земли - землетрясений, извержений подводных вулканов, образования трещин и разломов в земной коре на океаническом дне. В результате образуются специфические волны, невысокие в открытом океане и вырастающие до колоссальных размеров при приближении к берегу - цунами . Обычно предвестником появления такой аномальной волны является резкое отступление моря на несколько километров от берега. Это сигнал опасности - море вернется в виде безумствующего пенящегося чудовища, несущего смерть и разрушения. Впрочем, о a href="/tcunami">цунами на нашем сайте есть отдельная статья и мы будем рады, если Вы обратитесь к ней.
Приливные волны
В результате действия гравитационных сил на водную оболочку Земли со стороны Солнца и Луны образуются приливные волны. Эти волны чаще всего невелики, в открытом океане их высота до двух метров. У берега она возрастает. Максимальной величины высота прилива достигает на Атлантическом побережье Северной Америки - до 18 метров. В нашем Охотском море - почти 13 метров. Самое сильное воздействие наблюдается в новолуние и полнолуние, когда складываются гравитационные притяжения Солнца и Луны. В это время приливы становятся максимально высокими, а отливы - низкими.
Во внутренних морях приливная волна и вовсе незначительна, так на Балтике у Санкт- Петербурга ее высота составляет пять сантиметров. А вот в некоторых реках движение ее представляет собой замечательную картину. Например, в Амазонке (на фото), когда приливная волна движется против течения и ее высота достигает пяти метров. Это явление ощущается на расстоянии 1400 километров от устья.
Стоячие волны (сейши) появляются как результат интерференции (сложения) волн, возникающих под действием внешних сил (ветровых, барических) и волн, отраженных от уступов берега или подводных препятствий достаточной протяженности.
Сейши
Такие волны вырастают в высоту, чередуя гребень с впадиной и остаются на месте, поднимаясь и опускаясь. Их легко смоделировать в ванне, если совершать вертикальные колебательные движения на поверхности воды, например, периодически опуская в воду крышку от сливного отверстия ванны. Через некоторое время установятся правильно распределенные во времени и пространстве остроконечные валы, стоящие на одном месте. Это и есть объект наших исследований.
Сейши возникают в неожиданных местах, где, казалось бы, нет отраженных волн, так как препятствия не видны, они находятся под поверхностью воды. Они могут быть причиной гибели морских судов. В частности, такая версия существует для района таинственного и ужасного Бермудского треугольника, как одно из возможных объяснений исчезновения кораблей. Это место вообще считается сложным для судоходства в связи с различными факторами - наличие мелководных выступов, слияние нескольких морских течений с разной температурой воды, сложным рельефом дна. Здесь континентальный шельф сперва постепенно углубляется, а затем внезапно уходит на приличную глубину. Подводная топография региона оказывает влияние на образование стоячей волны. Она возникает при ясной безветренной погоде и поэтому коварна вдвойне. Современное многотонное судно, поднятое такой волной, расколется на части под действием собственной силы тяжести и исчезнет с поверхности в считанные минуты.
Морские волны - одно из завораживающих природных явлений. Их бесконечное разнообразие и вечное движение успокаивает, заряжает энергией. Недаром еще народам древних цивилизаций были известны целительные свойства талассотерапии (морелечения). Солевой состав крови человека близок к составу морской воды, эта стихия родственна нам, а в шуршании прибоя о берег чудится биение большого и доброго сердца.
Друзья! Мы потратили много сил на создание проекта. При копировании материала, пожалуйста, ставьте ссылку на оригинал!
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.
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.
Откуда берутся гигантские волны?
Чем обусловлено появление большинства волн в океанах и морях, об энергии волн и о самых гигантских волнах.
Основная причина появления океанических волн – влияние ветров на водную поверхность. Скорость некоторых волн может развиться и даже превысить 95 км в час. Гребень от гребня может быть разделен 300-ми метрами. Они проходят по поверхности океана огромные расстояния. Большая часть их энергии расходуется еще до того, как они достигнут суши, может быть, минуя при этом самое глубокое место в мире – Марианскую впадину. Да и размеры их становятся меньше. А если ветер успокаивается, то и волны становятся более спокойными и гладкими.
Если в океане сильный бриз, то высота волн обычно достигает 3 метров. Если ветер начинает становиться штормовым, то они могут стать 6 м. При сильном штормовом ветре их высота уже может быть выше 9 м и они становятся крутыми, с обильными брызгами.
Во время шторма, когда в океане видимость затрудняется, высота волн превышает 12 метров. А вот во время сильнейшего шторма, когда море сплошь покрыто пеной и даже небольшие корабли, яхты или суда (а не то, что рыба, даже самая большая рыба ) могут просто затеряться между 14-ми волнами.
Удары волн
Большие волны постепенно размывают берега. Маленькие волны могут потихоньку выровнять пляж с наносом. Волны ударяются о берега под определенным углом, поэтому, нанос, смытый в одном месте, вынесется и будет отложен на другом.
Во время сильнейших ураганов или штормов могут произойти такие изменения, что громадные участки берега могут значительно трансформироваться внезапно.
Да и не только берега. Когда-то, в очень далеком от нас 1755 году, волны 30-ти метровой высоты снесли с лица земли Лиссабон, погрузив под тоннами воды постройки города, превратив их в руины и погубив более полумиллиона человек. И случилось это в большой католический праздник – День всех святых.
Волны-убийцы
Самые большие волны обычно наблюдают по Игольному течению (или течению Агульяс), что у берегов Южной Африки. Здесь же была отмечена и самая высокая волна в океане . Ее высота составила 34 м. А вообще самая большая из когда-либо замеченных волн, была зафиксирована лейтенантом Фредериком Марго на судне, держащем свой путь из Манилы в Сан-Диего. Было это 7 февраля 1933 года. Высота той волны тоже была около 34 метров. Таким волнам моряки дали прозвище «волны-убийцы». Как правило, необыкновенно высокой волне всегда предшествует такая же глубокая впадина (или провал). Известно, что в таких впадинах-провалах исчезло большое количество кораблей. Кстати, волны, образующиеся во время во время приливов, с приливами-то и не связаны. Они бывают вызваны подводным землетрясением или извержением вулкана на морском или океаническом дне, которое создает перемещение огромных масс воды и, как следствие, большие волны.
Волны на воде вызываются прежде всего ветром. На пруду, зеркально гладком в тихую погоду, при ветре появляется рябь, на озере — волны. В океане есть места, где высота ветровых волн достигает 30-40 м. Это объясняется тем, что в мелком пруду близкое дно гасит колебания воды. И лишь на океанских просторах ветер может не на шутку взбудоражить поверхность воды.
Однако даже огромные волны не всегда страшны. Ведь вода в волне не бежит в направлении ветра, а лишь движется вверх-вниз. Точнее, продвигается по небольшому кругу внутри волны. Лишь при сильном ветре верхушки волн, подхватываемые ветром, опережают остальную часть волны, вызывая обрушения — тогда на волнах появляются белые барашки.
Нам кажется, что волна бежит по морю. На самом деле вода внутри волны движется по небольшому кругу. У берега волна нижней своей частью задевает за дно, и аккуратный круг разрушается.
Волна может причинить серьезный вред высокому кораблю, особенно парусному, у которого высота мачты намного превышает высоту бортов. Такой корабль подобен человеку, которого толкают под коленку. Иное дело плот. Он совсем немного выступает над водой, и опрокинуть его — все равно, что перевернуть матрас, лежащий на полу.
Когда морская волна приближается к берегу, где глубина постепенно уменьшается, нижняя ее часть тормозится о дно. При этом волна поднимается вверх, и обрушения появляются даже на самых скромных волнах. Верхняя ее часть обрушивается на берег и тут же уходит назад по дну, продолжая свое круговое движение. Поэтому так сложно выйти на берег даже при легком волнении.
Волны у берега могут обретать разрушительную силу.
У крутых скалистых берегов волна не тормозится постепенно о дно, а сразу обрушивает на берег всю свою мощь. Поэтому, вероятно, волны у берега так и называются — прибой.
Если поверхность озера может быть гладкой, то океан покрыт волнами почти постоянно. Дело в том, что в огромном океане всегда есть место, где образуются ветровые волны. И редко отыщется суша, способная эти волны остановить. Самые высокие ветровые волны на планете бывают в 40-50-х широтах Южного полушария. Там дуют постоянные западные ветры и почти нет суши, тормозящей волны.
Такой шторм вызывают ветровые волны (фрагмент картины И.К. Айвазовского «Волна»).
Землетрясение или извержение вулкана колеблет морскую гладь не так часто, как ветер, но несравненно сильнее. Иногда при этом возникают мощные волны, распространяющиеся со скоростью сотен метров в секунду. Они могут обежать Тихий океан, а иногда и всю Землю вокруг, прежде чем начнут затухать. Называются они цунами. Высота цунами в открытом океане всего 1-2 м. Зато длина волны (расстояние между гребнями) велика. Поэтому получается, что каждая волна несет в себе огромную массу воды, движущейся с колоссальной скоростью. Когда такая волна приближается к берегу, она вырастает порой до 50 м. Мало что может устоять против цунами на берегу. Человечество до сих пор не придумало ничего лучше, чем эвакуировать жителей прибрежных районов в глубь материка.
