Виды волн. Морская зыбь

Большинство из нас смотрит на морскую поверхность сверху, с воздуха, и видит границу двух стихий — воды и воздуха, которая почти никогда не бывает идеально спокойной. Море у нас ассоциируется именно с волнами: они приходят из безграничных морских просторов и с грохотом разбиваются о прибрежные скалы или песчаный пляж.

Но давайте зададимся простыми, казалось бы, вопросами: а какими вообще бывают волны? Почему они такие разные — то огромные, как горы, то маленькие и почти незаметные? И почему иногда море неспокойно, хотя ветер, кажется, совсем не дует? Как всё это начинается? Понимаете, изучению волн посвящён целый большой раздел океанологии. Но на некоторые вопросы сможем ответить и мы.

Волны и волновые движения в океанах поражают своим разнообразием. Они бывают совершенно разными по длине, то есть по расстоянию от одного гребня до следующего, и по периоду — это интервал времени, за который мимо неподвижного наблюдателя проходят два соседних гребня.

Самые маленькие из них — это капиллярные волны, их длина всего несколько сантиметров, а период — доли секунды. А самые длинные — приливные волны, расстояние между гребнями у них достигает половины окружности Земли, то есть около 20 тысяч километров! Хотя самый большой период — не у них. Рекордсмены здесь — медленные внутренние волны, которые возникают из-за разной плотности воды на разной глубине. Таким волнам могут потребоваться целые месяцы, чтобы пересечь океан.

Всё это многообразие длин и периодов волн можно наглядно представить на специальном спектральном графике. По горизонтальной оси графика указаны различные типы волн, классифицированные по периоду. Вертикальная шкала характеризует общее количество энергии, заключённое в волнах определённой длины в любой момент времени и суммированное по всем океанам.

На этой же схеме обычно показывают и силы, которые создают волны или, наоборот, мешают им распространяться. К примеру, ветровая волна — её гребень поднят выше среднего уровня моря. Чтобы поднять воду так высоко, ветру приходится совершать работу против силы тяжести. Значит, возмущающей силой здесь является ветер. А вот сила, которая вызывает приливы — это притяжение Луны. Цунами рождается из-за подвижек морского дна, чаще всего из-за землетрясений. И здесь возмущающая сила тоже работает против гравитации. Именно сила тяжести выступает главной возвращающей силой, стремящейся вернуть водную поверхность в спокойное состояние. Но когда мы говорим о капиллярных волнах, всё иначе. Ветер, создавая их, преодолевает силу поверхностного натяжения воды, так что главной возвращающей силой здесь будет именно поверхностное натяжение. А для волн с очень большим периодом серьёзную роль начинает играть сила Кориолиса, которая закручивает и изменяет направление их движения.

Давайте теперь рассмотрим некоторые типы волн более подробно.

Капиллярные волны — это самые маленькие и короткие волны, которые можно увидеть на море. Они рождаются от трения ветра о воду, то есть на границе двух текучих сред — воздуха и воды.

Представьте себе раннее утро, высокий берег и абсолютно спокойное озеро. И вот налетает первый слабый ветерок, и на воде вдруг появляются и тут же исчезают лёгкие пятна ряби, которые иногда в шутку называют «кошачьими лапками». Это и есть участки, где рождаются капиллярные волны с длиной всего 2—5 сантиметров. Дуновение ветра морщит водную гладь, создавая череду этих крошечных волн. А сила поверхностного натяжения постоянно пытается вернуть поверхности её первоначальную гладкость, характеризующуюся минимальной энергией. Вот так капиллярные волны и теряют свою энергию движения — она благодаря молекулярной вязкости воды просто превращается в тепло.

В открытом море капиллярные волны часто не видны на фоне своих огромных собратьев длиной в сотни метров. Но они всё равно возникают, как только скорость ветра превысит несколько метров в секунду. А так как ветер в море дует почти всегда, то увидеть идеально зеркальную поверхность океана — большая редкость.

Гравитационные волны — это волны, которые возникают в поле силы тяжести. Именно гравитация стремится вернуть деформированную поверхность жидкости назад, в равновесное состояние. (Только не путайте их с недавно открытыми гравитационными волнами в космосе, которые рождаются при движении ускоряющихся масс!)

Сила, возвращающая воду в состояние покоя, появляется из-за разницы в высотах: гребень волны высокий, а впадина — низкая. В теории гравитационных волн есть два важных предельных случая. Первый называется приближением мелкой воды. Оно работает, когда длина волны (обозначим её буквой L) намного больше, чем глубина водоёма (h). В этом случае скорость волны (υ) связана с глубиной водоёма соотношением, представленным на экране:

υ = √(gh).

Второй случай — это приближение глубокой воды, когда длина волны, наоборот, намного меньше глубины. Здесь скорость волны определяется уже другой формулой:

υ = √(gL/(2π)).

Эти формулы помогают понять, почему волны всегда поворачивают к берегу. Если волна подходит к берегу под углом, то её часть, которая ближе к суше, попадает на мель и замедляется. А та часть, что ещё на глубине, продолжает двигаться быстрее. Из-за этой разницы скоростей фронт волны постепенно разворачивается и становится параллельным береговой линии. На глубокой же воде, как видно из формулы, скорость волны зависит только от её длины.

В ветровых волнах заключена огромная энергия — больше, чем в любом другом типе океанских волн. Это не значит, что каждая отдельная волна у берега такая уж мощная. Нет, это значит, что в любой момент времени бесчисленные ветровые волны, покрывающие всю гигантскую поверхность океанов, несут в себе колоссальный суммарный запас энергии. На спектральном графике этому соответствует высокий и широкий пик энергии между периодами в 5 и 30 секунд. Большая часть этой энергии в конечном счёте добирается до какого-нибудь побережья и с шумом рассеивается в турбулентности прибойной зоны.

Плотность энергии в волне растёт как квадрат её высоты. Значение этой энергии трудно переоценить. К примеру, в волне с периодом 10 секунд и высотой 2 метра, на каждом метре длины гребня содержится энергии достаточно, чтобы зажечь 250 ярких ламп накаливания или, если брать современные аналоги, в десять раз больше энергосберегающих лампочек.

Но распределена эта энергия по Мировому океану очень неравномерно.

Поскольку возбудителями этих волн являются ветра, то и самые энергичные волны рождаются там, где дуют самые сильные приповерхностные ветра — в поясе между 40 и 50° ю. ш.. Там, где ветер, не ослабевая, дует вокруг всего Земного шара, возникают и самые длинные поверхностные волны: длина некоторых из них превышает 500 метров, а скорость доходит до 25 м/с. Неудивительно, что обогнуть мыс Горн, то есть проплыть вокруг оконечности Южной Америки (примерно на 54° южной широты), было серьёзнейшим испытанием для первых мореплавателей, проверкой их силы, мужества и надёжности их кораблей.

Во время шторма резкие вздымания волн вместе с мощными порывами ветра заставляют их часто обрушиваться, создавая на гребнях белые гребешки — так называемые «барашки». То же самое происходит, когда волна выходит на мелководье. Высота волны (a) становится сравнимой с глубиной (H). Скорость верхушки волны, которая равна √(g(H + a)), начинает значительно превышать скорость движения воды у её основания, равную √(gH). Верхушка просто-напросто обгоняет основание, и волна с грохотом падает вперёд.

В середине нашего спектрального графика располагаются приливы. Их периоды составляют от 12 до 24 часов. Эти волны тоже распространяются очень быстро, проходя сотни километров за час, но длина у них такая огромная, что время прохождения одного полного цикла очень велико.

На самом дальнем конце спектра находятся явления с невероятно длинными периодами. Например, медленные изменения океанских течений, вызванные сезонными ветрами, можно рассматривать как волнообразные возмущения с периодом в целый год или даже несколько лет, как в случае с явлением Эль-Ниньо — течением в Тихом океане, которое сильно влияет на климат всей нашей планеты.

Если вы просто посмотрите на море, то одновременно увидите волны самых разных типов. Самые маленькие, капиллярные, создают на воде крошечные блики отражённого солнечного света. Чуть крупнее — очень короткие гравитационные волны, они придают поверхности морщинистый вид. И, наконец, ещё более длинные — это обычные ветровые волны, которые мы все хорошо знаем.

Ветер, раскачав массу воды, может стихнуть, но созданные им волны не исчезают сразу. Они продолжают своё путешествие на десятки и сотни километров.

Зыбью как раз и называют это волнение моря, которое продолжается уже в полном отсутствие ветра.

Это уже достаточно крупные волны, их длина может достигать многих десятков метров, и, как мы теперь знаем, для таких волн силами поверхностного натяжения можно спокойно пренебречь. Значит, при анализе зыби нам нужно учитывать всего две силы — силу давления и силу тяжести.

Движение всей этой массы воды удобно представлять как движение отдельных слоёв. Давайте обозначим скорость движения самой волны как с, а скорость движения маленького объёма воды относительно профиля волны как V.

Тогда скорость движения этого элемента воды относительно дна или берега будет равна векторной сумме этих скоростей:

Если предположить, что вода не перетекает из слоя в слой, то легко понять, что с глубиной резкость изгибов этих слоёв уменьшается, и на достаточной глубине мы увидим практически горизонтальное течение воды.

Всё дело в том, что для одного выделенного слоя его толщина между гребнями волн больше, чем толщина между впадинами. Ведь толщина слоя становится меньше там, где скорость течения больше. А скорость минимальна как раз на гребне и достигает максимума, когда вода скатывается с него, то есть у впадины.

Ускорение маленького объёма воды в волне вызывается двумя факторами — перепадом давления и силой тяжести. При этом для каждого выделенного слоя перепад давления на его верхней и нижней границах в точности уравновешивается силой тяжести.

Картина движения частиц воды в зыби выглядит очень красиво. Маленькие элементы объёма воды движутся по окружностям. Для каждого слоя радиус этой окружности постоянен, и все они движутся с одинаковой частотой. От слоя к слою меняется только радиус окружности. Со временем сдвиг между радиусами по углу Δφ = ωΔt остаётся постоянным, а картина профиля смещается как единое целое со скоростью движения самой волны c.

За время, равное периоду вращения (T = 2π/ω), частица воды совершает полный оборот и возвращается в исходную точку на своей окружности, но уже в составе следующей волны.

За это же время Т сама волна проходит расстояние, равное своей длине λ. Это расстояние можно выразить формулой, представленной на экране: λ = cT. Отсюда, объединив формулы, мы можем получить уже известное нам выражение для скорости волны в приближении глубокой воды: c = √(gλ/2π).

В итоге мы приходим к интересному выводу. Оказывается, частицы воды в зыби не имеют средней скорости переноса, то есть в целом они остаются на месте. Это полностью соответствует описанию поперечных волн в школьном курсе физики, где считается, что частицы колеблются лишь вверх-вниз. Но если проследить за траекторией отдельной частицы, выясняется, что движется она вовсе не вертикально, а по окружности. И чем глубже мы опускаемся, тем меньше радиус этих окружностей. Интенсивность движения быстро убывает с глубиной, и уже на глубине, равной нескольким длинам волн, волнения практически нет.

Именно поэтому подводные лодки, в отличие от надводных кораблей, могут спокойно двигаться под водой, не испытывая никаких проблем с волнами на поверхности.

Мир волн оказался сложным и увлекательным, не правда ли? Надеемся, теперь, глядя на море, вы увидите в его волнах не просто движение воды, а целую науку, живую и постоянно меняющуюся.