Как зарождаются волны?

Шон Чамберлен

Не важно, являетесь ли вы фанатом серфинга, или нет - огромные волны и смельчаки, которые отваживаются на них кататься, неизменно вызывают восхищение у любого человека. Но как формируются эти большие волны, откуда они возникают? Почему одни волны имеют высоту с многоэтажный дом и обрушиваются на берег со скоростью цунами, в то время как другие нежно ласкают побережье? Попробуем ответить на эти вопросы.

Анатомия волны

Волны пугают, завораживают и вдохновляют людей на протяжении тысячелетий. Несмотря на то, что больше всего нашего внимания мы уделяем большим волнам, волны всех размеров играют важную роль в жизни океана. Большие или маленькие - все они в целом имеют несколько фундаментальных характеристик.

Все волны представляют собой ни что иное, как движение энергии через различные среды (например, воздух и вода). Общий термин "волна" относится к ряду колебаний, пульсаций или волнений в среде типа воды, воздуха или любого излучения. Вспомните разные типы волн, которые вам приходилось наблюдать: волны в океане, развевающиеся флаги, звуковые и даже световые волны. Все это - проявление энергии, перемещающейся через среду.

Морская волна является движением энергии через воду. Виды морских волн, о которых мы говорим - это повышение и понижение уровня воды. Двигаясь, по поверхности океана, волны сохраняют свою целостность, разбиваясь по мере достижения берегов. Пена, которую мы наблюдаем на пляже - это морской прибой, т.е. разбившиеся волны - последний выдох волн, проделавших путешествие длиной в тысячи миль, чтобы обрушить свою энергию на берег прямо у наших ног.

Оставим на время разговор о прибое, мы вернемся к нему позже. А пока поговорим о том, что происходит с волнами прежде, чем они разобьются.

Волна состоит из двух частей: вершины, или гребня, и основания, или подошвы. Горизонтальное расстояние между двумя последовательными вершинами называется длиной волны. Вертикальное расстояние между гребнем и подошвой называется высотой волны.

Все волны имеют змееобразный, синусоидальный характер. Когда мы смотрим на поверхность океана или даже просто озера, мы видим окончательный результат смешения самых разных волн, путешествующих по водной глади, в данный момент времени. Если бы нам пришлось разобрать на составляющие поверхность моря, мы обнаружили бы целый ряд синусоидальных волн различных длин и высот. Другими словами, все эти простые волны сливаются в одну большую сложную волну.

Волны, проходя друг через друга, могут взаимно усиливаться, увеличиваясь в высоту, или, напротив, взаимно ослабляться, нейтрализуя друг друга. Явление, когда наложение волн порождает более сильную волну, называется конструктивным взаимовлиянием. Когда две волны ослабляют друг друга, сливаясь в одну более слабую, чем две предыдущих, возникает деструктивное взаимовлияние.

Это были научные определения. Если же попросить любого серфера определить высоту волны, он, или она, скорее всего, назовут высоту относительно роста человека. Определение высоты волн "в серферах" используют для описания разбивающихся волн, у которых нарушается правильная синусоидальная форма. На практике чаще всего за единицу измерения принимают средний рост человека. Например, волны могут быть высотой по грудь (~3-4 фута, или 0,9-1,2 м), в человеческий рост (~5-6 футов, или 1,5-1,8 м), выше человеческого роста (~7-9 футов, или 2,1-2,7 м) или высотой в два человеческих роста (~10-12 футов, или 3-3,6 м). Пользуясь этой схемой, стоя на берегу, можно легко определить высоту волн, глядя на находящихся в воде серферов.

Высота и длина волны являются ее статическими параметрами. Однако, как мы знаем, волны все время перемещаются по поверхности воды. Следовательно, мы можем ввести такие понятия как скорость волны, ее частоту и период.

Скорость волны определяется просто: это расстояние, которое преодолевает волна за данный период времени. Существует тесная зависимость между длиной волны и ее скоростью. Маленькие волны имеют тенденцию двигаться медленно, со скоростью в несколько узлов (1 узел равен 1 навигационной миле в час и составляет 1,853 км). Волны среднего размера могут двигаться со скоростью в десятки узлов; большие волны перемещаются со скоростью 30-50 узлов и больше. Скорость цунами, которые являются самыми большими из всех волн, может превышать 450 узлов.

По периоду волны можно сделать важные выводы о характере прибоя. Период волны определяется как время между последовательными вершинами. Если вы стоите на краю пирса, включите секундомер, когда волна окажется в определенном месте, и остановите секундомер, когда следующая волна достигнет этого же места. Так измеряется период. Волны с длинным периодом имеют тенденцию быть большими и более сильными, в то время как волны, имеющие короткие периоды, меньшие и несут в себе меньше энергии. Измеряя период волн, серферы могут спрогнозировать силу волнения на ближайшие несколько часов и определить, достигают ли разные волны (зародившиеся различных местах океана) побережья в какое-то определенное время. Вообще, волны с более длинным периодом преодолевают более длинные расстояния, несут большее количество энергии и создают более сильный прибой на берегу.

Частота волны важна для морских инженеров и архитекторов, которые строят причалы, пирсы, и другие искусственные объекты в океане или вблизи от него. Частота волны определяется как количество волн, прошедших через определенную точку за заданный момент времени. Снова беря секундомер, считайте число волн, которые пересекают выбранную точку за 30-ти секундный интервал. Поделите получившееся число на 30, и вы получите частоту волн в секунду.

Все эти параметры связаны между собой и могут быть выражены простыми математическими уравнениями. Например, скорость волны (принимая допущение, что на волну не влияет дно) может быть выражена как V=L/T, или скорость равняется длине волны, деленной на период. Более длинные волны также имеют более длинные периоды. Отношение длины волны к ее периоду определяет скорость волны, как выражено в этом уравнении.

Формирование волн

Итак, мы определили, что волны бывают разные. Но каковы причины их возникновения?

Ветер? Правильно, но откуда берется ветер?

Штормы, атмосферные или небесные явления? Уже ближе, но на самом деле это ветер возникает из-за перепадов давления воздуха. А как они возникают? Давайте разбираться.

Рассмотрим, что случается с воздухом, когда он нагревается. Теплый воздух устремляется вверх и поднимается до тех пор, пока не достигает высоты, на которой окружающий воздух будет иметь такую же плотность (или давление). Если воздух охлаждается, он начинает опускаться, и, аналогично, будет опускаться до тех пор, пока не достигнет слоев с такой же плотностью (или давлением).

Почему воздух поднимается и опускается? Изменение температуры приводит к изменению плотности воздуха. Плотность определяется как масса на единицу объема. Самый простой способ наглядно представить это - рассматривать плотность как о количестве молекул воздуха в данном объеме (к примеру, как о количестве молекул в пустой 2-х литровой бутылке). При повышении температуры воздух расширяется, и теперь мы имеем меньшее количество воздушных молекул на тот же самый объем. Другими словами, его плотность уменьшается. При охлаждении воздуха происходит все наоборот. Более холодный воздух имеет большую плотность, чем более теплый воздух.

Увеличение плотности также вызывает рост давления воздуха; уменьшение плотности делает давление более низким. Когда возникают области с разным давлением, воздух начинает перемещаться и продолжает двигаться до тех пор, пока давление не выровняется. Такое перемещение воздуха порождает хорошо известный нам ветер.

Отношение между плотностью и воздушной температурой можно наглядно проиллюстрировать таким примером. Представьте, что вы находитесь в комнате вместе с сотней человек, и все двери заперты, чтобы никто не мог выйти. Внезапно температура воздуха в комнате опускается до 100 градусов, и люди инстинктивно начинают прижиматься друг к другу, чтобы не замерзнуть. То же самое происходит и с воздухом (и с водой, и со многими другими веществами). Чем холоднее воздух, тем он плотнее, тем ближе друг к другу его молекулы. С другой стороны, если бы мы нагрели воздух в комнате до 100 выше нуля, каждый человек постарался бы как можно дальше отстраниться от остальных. С воздухом происходит то же самое.

Эта взаимосвязь между температурой и плотностью очень важна. Мы вернемся к ней, когда будем говорить о глубоководной циркуляции и о физической структуре водяного столба. Понимание этой взаимосвязи позволяет понять физические изменения в океане, которые затрагивают живые организмы, включая людей.

Теперь поговорим о том, как образуются эти области высокого и низкого давления в атмосфере нашей планеты. Все очень просто - солнце нагревает экваторы больше, чем полюса образуя температурный дифференциал планеты. Холодный плотный воздух опускается на полюсах, теплые легкие воздушные потоки понимаются над экватором.

Если бы наша планеты была идеально круглой, не вращалась и была покрыта однородным материалом, например, асфальтом, повышающийся над экватором и снижающийся на полюсах воздух образовал бы две гигантские конвекционные области, по одной в каждом полушарии. Но поскольку Земля вращается вокруг своей оси, а поверхность состоит из континентов и океанов, то фактически мы имеем три конвекционные области в каждом полушарии. Образование областей с высоким и низким давлением из-за температурного дифференциала и приводит к появлению ветра.

Итак, что является источником энергии, перемещающейся в волнах, образуемых на поверхности воды? Это Солнце!!!! В действительности все волны получают свою энергию от солнца.

Когда ветер дует вдоль поверхности воды, вода покрывается рябью. Эта крошечная рябь называется капиллярными волнами. Образование капиллярных волн вызывает появление крошечных "холмов" и впадин, которые, оказывая сопротивление ветру, заставляют его толкать воду с еще большим усилием. Окончательный результат заключается в передаче энергии от ветра к воде. Чем сильнее дует ветер или чем дольше он дует, тем большее количество энергии получит вода.

Итак, мы получили представление о ветре, под воздействием которого образуются волны. Теперь посмотрим, как появляются сами волны, в частности, большие волны, которые нас больше всего интересуют.

Проще говоря, чтобы получить большие волны, ветер должен дуть сильнее, дольше и воздействовать на большую территорию. Таким образом, первичными факторами, затрагивающими формирование волн, являются следующие:

1. скорость ветра;
2. продолжительность ветра;
3. сила, которая определяется площадью области, на которой дует ветер.

Важность силы ветра подтверждает тот факт, что источником самых больших волн никогда не являются ураганы, образуемые самыми быстрыми ветрами. Большие волны порождаются штормовыми системами, которые дуют на площадях в сотни, а иногда и тысячи миль. Ураганы генерируют местные волны на небольших по площади областях. Действительно большие волны возникают из-за сильных штормов в Антарктическом океане или на Севере Тихого океана.

Давайте посмотрим, как формируются волны в открытом море. Метеорологические условия таковы, что в течение зимы в Северном полушарии возникают обширные области низкого давления, которые вызывают большое количество ветра над обширными областями океана. Как правило, эти погодные системы путешествуют с северо-запада на юго-восток, генерируя волнение на поверхности океана. Такие зимние штормы могут порождать волны за тысячи миль от вашего пляжа. Однако, вызванные этими штормами волны, скажем, за 20-секунд могут преодолевать расстояние в 30 узлов (55,5 км). За сутки такая волна может пройти 720 миль (1160 км). Если грубо оценить расстояние между Северной частью Тихого океана и Хантингтон-Бич (Калифорния, США) в 3000 миль, то вновь сформированным волнам потребуется более чем четыре дня на то, чтобы достичь берегов Калифорнии. Чаще всего источником волн для самого лучшего серфинга зимой является Северо-западное волнение.

А как насчет серфинга летом? Помните большие волны, упомянутые выше? Нашим летом [в США, прим. пер.] зимние штормы созревают в Южном полушарии (потому что наше лето - это их зима). Штормовые системы, путешествующие с Юго-запада на Северо-восток, несут в себе огромную силу, поскольку они воздействуют на гораздо большую по площади водную поверхность, чем в Северной части Тихого океана. Посмотрите на мировую карту. Более 60 % поверхности мирового океана приходится на Южное полушарие. Большая протяженность водной поверхности в Южной части Тихого океана позволяет ветру накапливать большую силу и генерировать более сильное волнение, чем в Северном полушарии. Таким образом, волны, как правило, бывают больше, когда они приходят с Юга.

А как же ураганы и тайфуны? Разве они не производят самые большие волны? Это совсем не обязательно. Хотя во время ураганов и тайфунов скорость ветра может превышать 100 узлов (185 км/час), энергия ветра, как правило, концентрируется на намного меньшей области, чем это бывает в типичной погодной системе. Другими словами, сила ветра в ураганах и тайфунах меньше. Несмотря на то, что ветер в этих монстрах развивает невероятную скорость, их действие ограничено определенными областями. Волны могут быть большими в зоне шторма в течение ограниченного срока, но силы ветра обычно бывает недостаточно для генерации устойчивых больших волн.

Еще один аспект формирования волн заслуживает внимания. Ветер определенной скорости может генерировать волны только определенного размера. По истечении некоторого времени воздействия ветра волны уже не становятся больше. В этом случае волнение считается полностью сформированным; создаются максимально большие волны, которые могут быть созданы при данной скорости ветра. Сформировавшись, волны отправляются в свободное путешествие так далеко, как это возможно, попутно изменяясь за счет влияния дна или встречаемых на пути препятствий типа островов или континентов.

Развитие волн с момента, когда ветер начинает дуть, и до момента завершения формирования волнения приводит к появлению серии волн с разными периодами и скоростями. Так как волны с более длинными периодами имеют тенденцию перемещаться быстрее, эти волны вырываются вперед остальных волн из той же серии. Так появляются "пулы", т.е. группы волн, перемещающихся по поверхности океана с одной и той же скоростью. Очевидно, что эти волны разбиваются о берег одновременно, что и создает известное явления сетов волн.

Разбивающиеся волны

Зародившись в открытом океане, волны проходят тысячи миль прежде, чем достигнуть берегов. Так что же происходит с волной, пока она перемещается через океан, и почему волны разбиваются, когда они достигают берега?

Чтобы понять волны, важно понимать, что происходит с частицами воды, составляющими волну, в процессе движения энергии через воду. Вода в волне в чистом виде не движется вперед или назад - частицы воды циркулируют по кругу. Около поверхности волны частицы движутся по бОльшим орбитам, чем частицы в глубине водного столба. На некоторых глубинах частицы не двигаются вообще. Эта глубина называется глубиной обездвиживания.

Причины того, как и почему это происходит, доступны пониманию ученых-океанологов. Нам же достаточно знать, что обездвиживание волны наступает, когда расстояние от поверхности моря до дна равно половине длины волны. Это означает, что перемещение происходит беспрепятственно, если вода, имеет глубину большую, чем половина длины волны. Но если волна входит в зону, где глубина меньше этого расстояния, говорят о том, что волна "чувствует дно", т.е. возникает трение о дно, которое приводит к двум фундаментальным изменениям в структуре волны.

"Чувство дна" заставляет энергию волны, которая до этого была распределена равномерно, сжиматься и искать выход. Выбирая путь наименьшего сопротивления, волна растет вверх, заставляя расти в высоту гребень волны. Это - одно из двух изменений, происходящих с волной, почувствовавшей дно.

Второе изменение заключается в том, что волна начинает замедляться. А поскольку основание волны чувствует дно первым, то и замедляться оно начинает раньше. Частицы воды на дне волны больше не могут завершить движение по своим орбитам - орбиты приобретают эллиптическую форму и вытягиваются в длину.

В результате этих трансформаций гребень волны заостряется, а сама волна одновременно максимально вытягивается вверх. В конечном счете, волна становится настолько высокой, что больше не может сохранять форму. Частицы на гребне движутся по своим вытянутым эллиптическим орбитам быстрее, чем частицы в основании волны. Волна наклоняется вперед и обрушивается. Так, в результате путешествия в тысячи миль волна встречается с берегом, на который и изливает свою энергию. Если ей повезет, то итогом ее непродолжительной жизни в 5-6 дней станет 2-3 секундное разбивание о берег, которое, возможно, останется в памяти какого-нибудь удачливого серфера.

Есть много видов разбивающихся волн. На Восточном побережье США большинство волн довольно мягкие и разбиваются о берег с небольшой силой. Полной их противоположностью являются волны, достигающие таких мест как Пайплайн (Pipeline) или Оаху (Oahu) на Гавайях, где формирование великолепных труб - обычное явление. В чем причины таких различий в формах и размерах волн на разных берегах?

Причиной всему - характер океанического дна. Если дно пологое, то волна в процессе долгого путешествия к берегу потеряет большую часть своей энергии, и сила трения при приближении к берегу будет небольшой. Волны, прошедшие большие расстояния по пологому дну, замедляются прежде, чем разбиться. С другой стороны, если дно повышается очень резко, то волна чувствует его буквально в последнюю секунду, не успевая замедлиться, и ударяется о берег на большой скорости. При этом вся энергия волны устремляется вверх и вперед в одном большом рывке, образуя БОЛЬШИЕ волны, какие мы можем наблюдать, например в Челюстях (Jaws) и Маверикс (Mavericks).

Характер преломления волн говорит нам о том, что волны принимают форму дна. Как только волна начинает чувствовать дно, она начинает следовать его контурам, искривляясь в соответствии с формой дна.

Теперь, когда вы знаете, что на изгиб волн влияет форма дна, подумайте о том, где волны разбиваются раньше. Конечно, в первую очередь это происходит на более мелкой воде. Придя на пляж, понаблюдайте за волнами. Вы увидите, что не все они разбиваются в одном и том же месте. Дело в том, что в одних местах вода глубже, чем в других. Любой профессиональный спасатель без труда укажет вам на песчаные отмели, на разрывы в отмелях, на углубления и возвышения в морском дне, которые имеются на его территории. Опытный серфер тоже сможет кое-что рассказать о форме дна, посмотрев на то, как разбиваются волны.

В завершении статьи предлагаем вам несколько вопросов к размышлению. Что происходит, если волны приближаются к берегу под углом? Как влияют подводные каньоны на характер прибоя? Как день за днем может изменяться форма дна?

Попробуйте понаблюдать за волнами и ответить на эти вопросы, когда окажетесь на пляже.

Источник: www.crazy-surfclub.ru