Очерк Я. ЛЕСНОГО
Если бы мы могли оседлать Уэльсовскую «машину времени», умчаться на ней в туманную даль прошедшего и оттуда взглянуть на наш земной шар, – мы не узнали бы его. Миллионы лет тому назад материки не только имели совсем иные очертания, но и сама поверхность этих материков имела совершенно иной вид: иные, чуждые нам ландшафты покрывали их, произрастали иные растения и водились иные животные. Человека с его городами, распаханными полями и дорогами – тогда еще не было... Лишь одно оставалось неизменным во все геологические периоды: это вид морского простора. Миллионы лет тому назад по нему перекатывались те же волны, которые бороздят его и теперь. Вид волнующейся водной поверхности – это самый древний ландшафт, какой мы знаем на земле. Да и в наши дни он самый распространенный: ведь, две трети всей поверхности нашей планеты покрыты водой!
Но можно ли сказать, что этот древнейший и распространеннейший ландшафт знаком нам лучше всех других? Едва ли. Нас невольно влечет к себе суровая красота бурного моря, она вдохновляет поэтов и художников, – но все же о морских волнах нам известно не много. Даже самый род этого волнообразного движения большинство людей представляет себе совершенно неправильно.
В самом деле, – большинство людей думает, что волны как бы скользят по поверхности моря, движутся по ней, как вода в речном ложе. Но это неверно: в волнующемся море перемещается только форма движения, сами же волны колеблются лишь вверх и вниз. Случалось ли вам видеть, как неспокойное море движет щепку, лодку или вообще какой-нибудь плавающий предмет? Обратите внимание, что быстро бегущие волны вовсе не увлекают с собой этот предмет, а лишь мерно качают его вверх и вниз. Море волнуется совершенно так же, как «волнуется желтеющая нива»: колосья не изменяют своего места на поле, каждый колос лишь немного откачивается вперед, чтобы затем снова стать прямо, – а между тем вы видите, как по полю бегут одна за другой волны. Это бежит форма движения, а не сами колосья.
Пословица «мирская молва – что морская волна» удивительно наглядно иллюстрирует этот своеобразный род движения. Чтобы какая-нибудь весть разнеслась по всему городу, не нужно, чтобы люди сами перебегали из одного конца города в другой: молва передается из уст в уста.
Этим морские волны отличаются от тех песчаных волн, которыми ветер бороздит пустыни и прибрежные местности: здесь волнообразные холмы песка реально, сами по себе, перемещаются, а не движется лишь форма их, как на море.
Вот почему волны моря бегут с такой огромной быстротой, обгоняя часто наши «скорые» поезда: скорость волн в 5...6 сажен в секунду, или 40 верст в час – не редкость. Если бы перемещалась не форма движения, а сами водные массы, такая скорость была бы невозможна.
Но мы еще ничего не сказали о той причине, которая порождает волны. Этой причиной, как известно, является ветер, т.е. течение воздуха. Ударяя по воде, ток воздуха изгибает ее поверхность; образуется углубление, – но в следующий момент опустившиеся частицы воды с силой выталкиваются вверх, так что на месте углубления образуется возвышение. Это возвышение, опускаясь под действием тяжести вниз, вновь заменяется долиной, и т.д. Каждая частица воды в волнующемся море движется только вверх и вниз, – но волнение, начавшись в одной точке, передается соседним частицам, распространяется все далее и далее, захватывая огромный район. Движение волнующегося поля довольно хорошо иллюстрирует это явление.
Но ветер – не единственная причина волнения моря. Другая, более редкая причина, это землетрясения, происходящие близ берегов. Такие волны не высоки, но очень длинны и распространяются с необыкновенной быстротой, иногда свыше 600 верст в час! Но подобного рода волны наблюдаются гораздо реже, чем волны, происходящие от ветра. В дальнейшем мы будем иметь в виду преимущественно эти последние.
Как велики волны? Нам часто приходится слышать о колоссальных размерах морских волн, о водяных горах, высотою с многоэтажный дом. Точные измерения разрушили эту легенду о неимоверной высоте волн, и любопытно, что чем точнее были измерения, тем волны оказывались ниже. В открытом море волны редко достигают более 6-ти сажен высоты; это предельная высота, обычно же волны не бывают выше 3 сажен, так что 5-ти-саженную волну нужно уже рассматривать, как исключение.
Но если так, то откуда же, – спросит читатель – пошли эти рассказы о гороподобных морских волнах, рассказы, которые приходится слышать подчас от самых добросовестных очевидцев? Здесь дело кроется в любопытной иллюзии зрения. Волны в открытом море приходится наблюдать, конечно, с палубы кораблей, которая во время волнения не остается горизонтальной, а нагибается во все стороны. Когда палуба, при килевой качке, наклоняет пассажира к морю, он видит перед собой водяные громады волн – и невольно переоценивает их высоту, так как считает ее не от горизонтальной поверхности, а от наклонной палубы. Другими словами, пассажир мысленно измеряет не вертикальное поднятие волны, а длину ее склона. Вследствие этого оптического обмана, который, конечно, не сознается пассажиром, волны и представляются ему такими громадными.
Интересно отметить, что высота волн далеко не одинакова во всех морях. Чем глубже море, чем обширнее его поверхность, чем меньше на нем островов и мелей, мешающих беспрепятственному движению водных масс и ветра – тем волны больше. При этом некоторое значение имеет и соленость воды, – вернее, ее плотность. Соленая вода тяжелее пресной и менее поддается усилиям ветра, чем пресная; оттого-то чем соленее вода, тем волны ниже. Вот почему, при равных площадях, озера бывают более бурны, чем морские бухты, отделенные от моря скалами и песчаными банками. Но если площади водяных бассейнов не равны, то, как мы уже упоминали, волны их будут неодинаковы. На нашем Каспийском море волны гораздо мельче, чем в обширном Средиземном море, а в этом последнем они опять-таки значительно мельче, чем в Атлантическом океане. В свою очередь атлантические волны никогда не достигают тех размеров, которые устрашают плавателей Антарктического океана, свободно раскинувшегося на огромном пространстве южного полушария.
До сих пор мы говорили о высоте волн и еще ничего не сказали об их длине, т.е. о расстоянии между гребнями (или между долинами) двух соседних волн. Чем выше волны, тем больше их ширина, и существует довольно простое соотношение между этими двумя величинами; а именно – ширина примерно в 30...40 раз более высоты. Волны трехсаженной высоты достигают 100 сажен в длину, а 5...6 саженные, т.е. самые высокие волны, могут достигать в длину до полуверсты.
Нас может интересовать здесь еще один вопрос: как глубоко под воду распространяется волнение? Это не праздный вопрос, – он имеет важное практическое значение для подводного плавания, при прокладке морских кабелей и т.п. Еще недавно принималось, что глубина распространения волнения равна 300-кратной высоте волн. Отсюда следует, например, что когда на поверхности моря ходят волны в 3 сажени, то отголоски этого волнения ощущаются еще на глубине 3х300 = 900 сажен, т.е. почти двух верст. В настоящее время сомневаются, что волнение могло бы простираться на такую глубину. Прямыми измерениями установлено, впрочем, что на глубине 100 сажен оно еще ощущается, так что безмятежное плавание Жюль-Верновского «Наутилуса» неглубоко под уровнем бурного моря принадлежит к области фантазии.
Многие даже не подозревают о том громадном значении, какое имеет в природе волнение моря. Для человека, вверяющего морю свои корабли, волнение – явление нежелательное: мы много бы дали, чтобы беспредельный простор океана был всегда покоен и недвижим. Но совсем иначе относятся к этому те многочисленные живые существа, которые живут в его бездонных глубинах. Волнение увеличивает поверхность соприкосновения воды с воздухом, и тем способствует проникновению в толщи водных масс кислорода, без которого невозможна жизнь. Вот какую важную роль играет волнение в экономии природы! Ломая и погребая наши корабли, бури вносят живительный эликсир в беспредельный подводный мир.
Впрочем, недалеко уже время, когда и человек будет извлекать пользу из морских волн, оденет на них ярмо и заставит приводить в движение свои механизмы.
Рис. 1.
Казалось бы странным говорить о порабощении морских волн человеком, – однако, уже и теперь сооружаются механизмы, приводимые в движение ничем иным, как волнением моря. Для примера мы опишем здесь недавно изобретенную машину американского инженера Рансома. Цель машины – использовать энергию морских волн для сгущения воздуха, которым, как известно, можно приводить в движение всевозможные механизмы. Устройство машины Рансома не сложно. Через блок A перекинута веревка, к которой привешены пустая железная коробка B и груз C . Волна, поднимая плавучую коробку В , тем самым вращает блок A и соединенное с ним зубчатое колесо. Это последнее движет поршни цилиндров D . Когда волна спадает, с ней вместе опускается также коробка B , и зубчатое колесо движется в обратном направлении. Механизм устроен так, что при всяком движении зубчатого колеса поршни в цилиндрах движутся попеременно вперед или назад, все время нагнетая воздух в цилиндры D . Сжатый воздух поступает по трубке E в резервуар F , где и накапливается. Таким образом, в резервуаре всегда имеется даровой источник энергии в форме сжатого воздуха; остается только пустить его в дело.
Существуют и другие типы таких даровых двигателей; пока они не имеют еще практического значения, но в недалеком будущем промышленное использование энергии волн будет, несомненно, поставлено на более широкую ногу. И тогда человек не только покорит море, но и сделает его мятежные волны своими послушными рабами.
Источник информации:
«Природа и Люди».
Иллюстрированный журнал науки, искусства и литературы. 1912, №2
Основная причина образования волн - это дующий над водой ветер. Поэтому величина волны зависит от силы и времени его воздействия. Из-за ветра частицы воды поднимаются вверх, порою отрываясь от поверхности, но по прошествии некоторого времени под действием естественной силы тяжести они неизбежно опускаются вниз. Издалека может показаться, что волна движется вперед, но на самом деле, если эта волна, конечно, это не цунами, (у цунами другая природа возникновения) она лишь опускается и поднимается. Так, например, морская птица, севшая на поверхность волнующегося моря, будет качаться на волнах, но не сдвинется с места.
Лишь у берега, там, где уже не глубоко, вода двигается вперед, накатываясь на берег. Кстати по гребешку брызг из оторвавшихся капель образующих на волне гребень, опытные моряки определяют степень волнения моря, если гребень и пена на нем только стали образовываться, значит, волнение море 3 балла.
Какую морскую волну называют накатом.
Волны на море могут существовать и без ветра это цунами, вызванные природными катаклизмами наподобие подводных извержений вулканов, и волна, которую моряки называют накатом . Она образуется на море после сильного шторма, когда ветер стих, но за счет большой массы воды пришедшей в движение от ветра и явления под названием резонанс волны продолжают раскачиваться. Нужно заметить, что такие волны не намного безопаснее шторма и запросто могут опрокинуть корабль или лодку с неопытными мореплавателями.
Поверхность морей и океанов редко бывает спокойной: она, как правило, покрыта волнами, а о берега непрерывно бьется прибой.
Удивительное зрелище: массивное грузовое судно, которым играют гигантские штормовые волны в открытом океане, кажется не больше ореховой скорлупки. Фильмы-катастрофы изобилуют подобными картинами — волна высотой с десятиэтажный дом.
Волновые колебания поверхности моря возникают во время шторма, когда длительный порывистый ветер в сочетании с перепадами атмосферного давления формирует сложное хаотическое волновое поле.
Бегущие волны, кипящая пена прибоя
Удаляясь от циклона, вызвавшего шторм, можно наблюдать, как преображается волновая картина, как волны становятся более ровными и стройными рядами движутся друг за другом в одном направлении. Эти волны называются зыбью. Высота таких волн (то есть разница уровней между самой высокой и самой низкой точками волны) и их длина (расстояние между двумя соседними вершинами), а также скорость их распространения довольно постоянны. Два гребня может разделять расстояние до 300 м, а в высоту такие волны могут достигать 25 м. Волновые колебания от таких волн распространяются на глубину до 150 м.
Из области образования волны зыби распространяются очень далеко, даже при полном безветрии. Например, циклоны, проходящие у берегов Ньюфаундленда, вызывают волны, которые за три дня достигают Бискайского залива у западных берегов Франции — почти в 3000 км от места их образования.
При подходе к берегу, по мере уменьшения глубины, эти волны меняют свой облик. Когда волновые колебания достигают дна, движение волн замедляется, они начинают деформироваться, что завершается обрушением гребней. Такие волны с нетерпением ждут любители серфинга. Особенно эффектными они бывают в тех районах, где морское дно резко понижается у берега, например в Гвинейском заливе на западе Африки. Это место очень популярно у серфингистов всего мира.
Приливы: глобальные волны
Приливы — явление совсем другой природы. Это периодические колебания уровня моря, хорошо заметные у берегов и повторяющиеся приблизительно каждые 12,5 часа. Они вызваны гравитационным взаимодействием вод океана в основном с Луной. Период приливов определяется соотношением периодов суточного вращения Земли вокруг своей оси и вращения Луны вокруг Земли. Солнце также участвует в образовании приливов, но в меньшей степени, чем Луна. Несмотря на превосходство в массе. Солнце слишком удалено от Земли.
Суммарная величина приливов зависит, таким образом, от взаимного расположения Земли, Луны и Солнца, которое меняется в течение месяца. Когда они оказываются на одной линии (что бывает в полнолуние и новолуние), приливы достигают максимальных величин. Самые высокие приливы наблюдаются в заливе Фанди на побережье Канады: разность между максимальным и минимальным положениями уровня моря здесь составляет около 19,6 м.
Voted Thanks!
Возможно Вам будет интересно:
Волны, которые мы привыкли видеть на поверхности моря, образуются главным образом под действием ветра. Однако волны могут возникать и по другим причинам, тогда они называются;
Приливные, образующиеся под действием приливообразующих сил Луны и Солнца;
Барические, возникающие при резких изменениях атмосферного давления;
Сейсмические (цунами), образующиеся в результате землетрясения или извержения вулканов;
Корабельные, возникающие при движении судна.
Ветровые волны являются преобладающими на поверхности морей и океанов. Волны приливные, сейсмические, барические и корабельные существенного влияния на плавание судов в открытом океане не оказывают, поэтому на их описании мы останавливаться не будем. Ветровое волнение - один из основных гидрометеорологических факторов, определяющих безопасность и экономическую эффективность мореплавания, так как волна, набегая на судно, обрушивается на него, раскачивает, бьет в борт, заливает палубы и надстройки, уменьшает скорость хода. Качка создает опасные крены, затрудняет определение места судна и сильно изнуряет команду. Кроме потери скорости, волнение вызывает рыскание и уклонение судна с заданного курса, и для удержания его требуется постоянная перекладка руля.
Ветровым волнением называется процесс формирования, развития и распространения вызванных ветром волн на поверхности моря. Ветровому волнению присущи две основные черты. Первая черта - нерегулярность: неупорядоченность размеров и форм волн. Одна волна не повторяет другую, за большой может следовать малая, а может и еще большая; каждая отдельная волна непрерывно меняет свою форму. Гребни волн перемещаются не только в направлении ветра, но и в других направлениях. Такая сложная структура возмущенной поверхности моря объясняется вихревым, турбулентным характером ветра, образующего волны. Вторая черта волнения заключается в быстрой изменчивости его элементов во времени и пространстве и связана также с ветром. Однако размеры волн зависят не только от скорости ветра, существенное значение имеет продолжительность его действия, площадь и конфигурация водной поверхности. С точки зрения практики нет необходимости знать элементы каждой отдельно взятой волны или каждого волнового колебания. Поэтому изучение волнения сводится в конечном итоге к выявлению статистических закономерностей, которые численно выражаются зависимостями между элементами волн и определяющими их факторами.
3.1.1. Элементы волн
Каждая волна характеризуется определенными элементами,Общими элементами для волн являются (рис. 25):
Вершина - наивысшая точка гребня волны;
Подошва - наинизшая точка ложбины волны;
Высота (h) - превышение вершины волны;
Длина (Л)-горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн;
Период (т) - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль; другими словами, это промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине;
Крутизна (е) - отношение высоты данной волны к ее длине. Крутизна волны в различных точках волнового профиля различна. Средняя крутизна волны определяется отношением:
Рис. 25. Основные элементы волн.
Для практики важное значение имеет наибольший уклон, который приближенно равен отношению высоты волны h к ее полудлине λ/2
- скорость волны с - скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода волны;
Фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяются по множеству волновых профилей, проведенных параллельно генеральному направлению распространения волн.
Для мореплавания наибольшее значение имеют такие элементы волн, как высота, период, длина, крутизна и генеральное направление перемещения волн. Все они зависят от параметров ветрового потока (скорости и направления ветра), его протяженности (разгона) над морем и продолжительности его действия.
В зависимости от условий образования и распространения ветровые волны можно подразделить на четыре типа.
Ветровые - система волн, находящаяся в момент наблюдения под воздействием ветра, которым она вызвана. Направления распространения ветровых волн и ветра на глубокой воде обычно совпадают или же различаются не более чем на четыре румба (45°).
Ветровые волны характерны тем, что подветренный склон их круче, чем наветренный, поэтому верхушки гребней обычно заваливаются, образуя пену, или даже срываются сильным ветром. При выходе волн на мелководье и подходе их к берегу направления распространения волн и ветра могут различаться более чем на 45°.
Зыбь - вызванные ветром волны, распространяющиеся в области волнообразования после ослабления ветра и/или изменения его направления, или вызванные ветром волны, пришедшие из области волнообразования в другую область, где дует ветер с другой скоростью и/или другим направлением. Частный случай зыби, распространяющейся при отсутствии ветра носит название мертвой зыби.
Смешанные - волнение, образующееся в результате взаимодействия ветровых волн и зыби.
Трансформация ветровых волн - изменение структуры ветровых волн при изменении глубины. В этом случае форма волн искажается, они становятся круче и короче и при небольшой глубине, не превышающей высоты волны, гребни последних опрокидываются, и волны разрушаются.
По своему внешнему виду ветровые волны характеризуются разными формами.
Рябь - начальная форма развития ветрового волнения, возникающая под действием слабого ветра; гребни волн при ряби напоминают чешую.
Трехмерное волнение - совокупность волн, средняя длина гребня которых в несколько раз превышает среднюю длину волны.
Регулярное волнение - волнение, в котором форма и элементы всех волн одинаковы.
Толчея - беспорядочное волнение, возникающее вследствие взаимодействия волн, бегущих в разных направлениях.
Волны, разбивающиеся над банками, рифами или камнями, носят название бурунов. Волны, обрушивающиеся в прибрежной зоне, называются прибоем. У крутых берегов и у портовых сооружений прибой имеет форму взброса.
Волны на поверхности моря подразделяются на свободные, когда сила, вызвавшая их, прекращает действовать и волны свободно перемещаются, и вынужденные, когда действие силы, вызвавшей образование волн, не прекращается.
По изменчивости элементов волн во времени их разделяют на установившиеся, т. е, ветровое волнение, в котором статистические характеристики волн не изменяются во времени, и развивающиеся или затухающие - изменяющие свои элементы во времени.
По форме волны делятся на двухмерные - совокупность волн, средняя длина гребня которых во много раз больше средней длины волн, трехмерные - совокупность волн, средняя длина гребня которых в несколько раз превышает длину волн, и уединенные, имеющие только куполообразный гребень без подошвы.
В зависимости от отношения длины волны к глубине моря волны подразделяются на короткие, длина которых значительно меньше глубины моря, и длинные, длина которых больше глубины моря.
По характеру перемещения формы волны они бывают поступательные, у которых наблюдается видимое перемещение формы волны, и стоячие - не имеющие перемещения. По тому, как располагаются волны, их делят на поверхностные и внутренние. Внутренние волны образуются на той или иной глубине на поверхности раздела между слоями воды разной плотности.
3.1.2. Методы расчета элементов волн
При изучении морского волнения используются некоторые теоретические положения, объясняющие те или иные стороны этого явления. Общие законы строения волн и характера движения их отдельных частиц рассматриваются трохоидальной теорией волн. Согласно этой теории, отдельные частицы воды в поверхностных волнах движутся по замкнутым эллипсоидным орбитам, совершая полный оборот за время, равное периоду волны т.Вращательное движение последовательно расположенных частиц воды, сдвинутых на фазовый угол в начальный момент движения, создает видимость поступательного движения: отдельные частицы движутся по замкнутым орбитам, в то время как профиль волны перемещается поступательно в направлении ветра. Трохоидальная теория волн позволила математически обосновать строение отдельных волн и связать между собой их элементы. Были получены формулы, позволяющие рассчитать отдельные элементы волн
где g -ускорение свободного падения, Длина волны К скорость ее распространения С и период t связаны между собой зависимостью К=Сх.
Следует отметить, что трохоидальная теория волн справедлива только для правильных двухмерных волн, которые наблюдаются в случае свободных ветровых волн - зыби. При трехмерном ветровом волнении орбитальные пути частиц не являются замкнутыми круговыми орбитами, так как под воздействием ветра возникает горизонтальный перенос вод на поверхности моря в направлении распространения волны.
Трохоидальная теория морских волн не вскрывает процесса их развития и затухания, а также механизма передачи энергии от ветра к волне. Между тем, решение именно этих вопросов необходимо с целью получения надежных зависимостей для расчета элементов ветровых волн.
Поэтому развитие теории морских волн пошло по пути разработки теоретических и эмпирических связей между ветром и волнением с учетом разнообразия реальных морских ветровых волн и нестационарности явления, т. е. с учетом их развития и затухания.
В общем виде формулы для расчета элементов ветровых волн могут быть выражены в виде функции от нескольких переменных
H, t, Л,C=f(W , D t, H),
Где W - скорость ветра; D - разгон , t - продолжительность действия ветра; Н - глубина моря.
Для мелководных районов морей для расчета высоты и длины волн можно использовать зависимости
Коэффициенты а и z переменны и зависят от глубины моря
А = 0,0151H 0,342 ; z = 0,104H 0,573 .
Для открытых районов морей элементы волн, обеспеченность высот которых составляет 5%, и средние значения длины волн рассчитываются по зависимостям:
H = 0,45 W 0,56 D 0,54 A,
Л = 0,3lW 0,66 D 0,64 A.
Коэффициент А вычисляется по формуле
Для открытых районов океана элементы волн рассчитываются по следующим формулам:
где е - крутизна волны при малых разгонах, D ПР - предельный разгон, км. Максимальную высоту штормовых волн можно рассчитать по формуле
где hmax - максимальная высота волн, м, D - длина разгона, мили.
В Государственном океанографическом институте на основании спектральной статистической теории волнения были получены графические связи между элементами волн и скоростью ветра, продолжительностью его действия и длиной разгона. Эти зависимости следует считать наиболее надежными, дающими приемлемые результаты, на основе которых в Гидрометцентре СССР (В. С. Красюк) были построены номограммы для расчета высоты волн. Номограмма (рис. 26) разделена на четыре квадранта (I-IV) и состоит из серии графиков, расположенных в определенной последовательности.
В квадранте I (отсчет ведется из нижнего правого угла) номограммы дана градусная сетка, каждое деление которой (по горизонтали) соответствует 1° меридиана на данной широте (от 70 до 20° с. ш.) для карт масштаба 1:15 000000 полярной стереографической проекции. Градусная сетка необходима для перевода расстояния между изобарами п и радиуса кривизны изобар R, измеренных на картах другого масштаба, в масштаб 1:15 000000. В этом случае мы определяем расстояние между изобарами п и радиус кривизны изобар R в градусах меридиана на данной широте. Радиус кривизны изобар R - радиус Окружности, с которой участок изобары, проходящей через точку, для которой ведется расчет, или вблизи нее имеет наибольшее соприкосновение. Определяется он с помощью измерителя путем подбора таким образом, чтобы дуга, проведенная из найденного центра, совпадала с данным участком изобары. Затем на градусной сетке откладываем измеренные величины на данной широте, выраженные в градусах меридиана, и раствором циркуля определяем радиус кривизны изобар и расстояние между изобарами, соответствующее масштабу 1:15000 000.
В квадранте II номограммы приведены кривые, выражающие зависимость скорости ветра от барического градиента и географической широты места (каждая кривая соответствует определенной широте- от 70 до 20° с. ш.). Для перехода от рассчитанного градиентного ветра к ветру, дующему вблизи поверхности моря (на высоте 10 м), была выведена поправка, учитывающая стратификацию приводного слоя атмосферы. При расчетах для холодной части года (устойчивая стратификация t w 2°С)-коэффициент 0,6.
Рис. 26. Номограмма для
расчета элементов волн
и скорости ветра по картам
приземного поля давления,
где изобары проведены с интервалом 5 мбар (а)
и 8 мбар (б).
1 - зима, 2 - лето.
В квадранте III производится учет влияния кривизны изобар на скорость геострофического ветра. Кривые, соответствующие различным значениям радиуса кривизны (1, 2, 5 и т. д.), даны сплошными (зима) и штриховыми (лето) линиями. Знак оо означает, что изобары прямолинейны. Обычно при радиусе кривизны, превышающей 15°, учета кривизны при расчетах не требуется. По оси абсцисс, разделяющей кйадранты III и IV, определяется скорость ветра W для данной точки.
В квадранте IV расположены кривые, позволяющие по скорости ветра, разгону или продолжительности действия ветра определять высоту так называемых значительных волн (h 3H), имеющих обеспеченность 12,5%.
Если имеется возможность при определении высоты волн использовать не только данные о скорости ветра, но и о разгоне и продолжительности действия ветра, расчет выполняется по разгону и продолжительности действия ветра (в часах). Для этого из квадранта III номограммы опускаем перпендикуляр не до кривой разгона, а до кривой продолжительности действия ветра (6 или 12 ч). Из полученных результатов (по разгону и продолжительности) берется меньшее значение высоты волны.
Расчет с помощью предлагаемой номограммы можно производить лишь для районов «глубокого моря», т. е. для районов, где глубина моря не меньше половины длины волны. При разгоне, превышающем 500 км, или продолжительности действия ветра больше 12 ч используется зависимость высот волн от ветра, соответствующая океанским условиям (утолщенная кривая в квадранте IV).
Таким образом, для определения высоты волн в данной точке необходимо выполнить следующие операции:
А) найти радиус кривизны изобары R, проходящий через данную точку или вблизи нее (с помощью циркуля путем подбора). Радиус кривизны изобар определяется только в случае циклонической кривизны (в циклонах и ложбинах) и выражается в градусах меридиана;
Б) определить разность давления п путем измерения расстояния между соседними изобарами в районе выбранной точки;
В) по найденным значениям R и п в зависимости от времени года находим скорость ветра W;
Г) зная скорость ветра W и разгон D или продолжительность действия ветра (6 или 12 ч), находим высоту значительных волн (h 3H).
Разгон находится следующим образом. От каждой точки, для которой ведется расчет высоты волн, в направлении против ветра проводится линия тока до тех пор, пока ее направление не изменится по отношению к начальному на угол 45° или не достигнет берега, или кромки льда. Приблизительно это и будет разгон или путь ветра, на протяжении которого должны формироваться (волны, приходящие в данную точку.
Продолжительность действия ветра определяется как время, в течение которого направление ветра неизменно или отклоняется от первоначального не более чем на ±22,5°.
По номограмме на рис. 26 а можно определить высоту волны по карте приземного поля давления, на которой изобары проведены через 5 мбар. Если изобары проведены через 8 мбар, то следует использовать номограмму, приведенную на рис. 26 б.
Период и длину волны можно рассчитать по данным о скорости ветра и высоте волны. Приближенный расчет периода волн может быть произведен по графику (рис. 27), на котором представлена зависимость между периодами и высотой ветровых волн при различных скоростях ветра (W). Длина волн определяется по ее периоду и глубине моря в данной точке по графику (рис. 28).
Многие природные явления человек воспринимает как сами собой разумеющиеся. Мы привыкли к лету, осени, зиме, дождю, снегу, волнам и не задумываемся о причинах. И все же, почему в море образуются волны? Почему на водной глади появляется рябь даже в полный штиль?
Происхождение
Есть несколько теорий, объясняющих возникновение морских и океанических волн. Они образуются из-за:
- перепадов атмосферного давления;
- приливов и отливов;
- подводных землетрясений и вулканических извержений;
- движения судов;
- сильного ветра.
Чтобы понять механизм образования, нужно вспомнить, что вода волнуется и колеблется вынужденно – в результате физического воздействия. Галька, лодка, рука, коснувшаяся ее, приводят жидкую массу в движение, создавая колебания разной силы.
Характеристики
Волны – это тоже движение воды по поверхности водоема. Они являются результатом сцепления частиц воздуха и жидкости. Поначалу водно-воздушный симбиоз вызывает рябь на поверхности воды, а затем заставляет двигаться водные толщи.
Размер, длина и сила меняются, в зависимости от силы ветра. Во время шторма мощные столпы поднимаются на 8 метров и растягиваются в длину почти на четверть километра.
Иногда сила настолько разрушительная, что обрушивается на прибрежную полосу, вырывает с корнем зонты, душевые и другие пляжные постройки, сносит все на своем пути. И это при том, что формируются колебания за несколько тысяч километров от берега.
Все волны можно разделить на 2 категории:
- ветровые;
- стоячие.
Ветровые
Ветровые, как следует из названия, образуются под воздействием ветра. Его порывы проносятся по касательной, нагнетая воду и вынуждая ее двигаться. Ветер подталкивает жидкую массу вперед перед собой, но сила тяжести тормозит процесс, толкая ее обратно. Движения на поверхности, возникающие в результате влияния двух сил, напоминают подъемы и спуски. Их пики называются гребнями, а основания – подошвами.
Выяснив, почему образуются на море волны, открытым остался вопрос о том, почему они совершают колебательные движения вверх и вниз? Объяснение простое – непостоянство ветра. Он то стремительно и порывисто налетает, то стихает. Высота гребня, периодичность колебаний напрямую зависят от его силы и мощности. Если скорость перемещения и сила воздушных потоков превышают показатели нормы, поднимается шторм. Еще одна причина – возобновляемая энергия.
Возобновляемая энергия
Иногда на море полный штиль, а волны образуются. Почему? Океанографы и географы объясняют это явление возобновляемой энергией. Водные колебания являются ее источником и способы сохранять потенциал длительное время.
В жизни это выглядит примерно так. Ветер создает определенное количество колебаний в водоеме. Энергии этих колебаний хватит на несколько часов. За это время жидкие образования преодолевают расстояние в десятки километров и «швартуются» в районах, где солнечно, нет ветра, и водоем спокоен.
Стоячие
Стоячие или одиночные волны возникают вследствие толчков на океаническом дне, характерном для землетрясений, извержений вулканов, а также из-за резкого изменения атмосферного давления.
Это явление называется сейши, что переводится с французского языка как «раскачиваться». Сейши характерно для бухт, заливов и некоторых морей, представляет опасность для пляжей, сооружений в прибрежной полосе, пришвартованных у причала кораблей и людей, находящихся на борту.
Конструктивные и деструктивные
Образования, преодолевающие большие расстояния и при этом не меняющие форму и не утрачивающие энергию, ударяются об берег и разбиваются. При этом каждый накат по-разному влияет на прибрежную полосу. Если он намывает берег, то классифицируется как конструктивный.
Деструктивный накат воды обрушивается своей мощью на побережье, разрушая его, постепенно смывая песок и гальку с пляжной полосы. В этом случае природное явление классифицируется как деструктивное.
Деструкция бывает разной разрушительной силы. Иногда она настолько мощная, что обрушивает склоны, раскалывает утесы, разделяет скалы. Со временем даже самые твердые скалы разрушаются. Крупнейший маяк Америки построили на мысе Гаттерас в 1870 году. С тех пор море продвинулось почти на 430 метров в глубину побережья, смыв прибрежную полосу и пляжи. Это лишь один из десятков фактов.
Цунами – разновидность деструктивных водных образований, характеризующихся большой разрушительной силой. Скорость их перемещения доходит до 1000 км/ч. Это выше, чем у реактивного самолета. На глубине высота гребня цунами небольшая, но возле берега они снижают скорость, зато наращивают высоту до 20 метров.
В 80% случаев цунами являются следствием подводных землетрясений, в оставшихся 20% — извержений вулканов и оползней. Вследствие землетрясений дно смещается по вертикали: одна его часть опускается, а вторая – параллельно поднимается. На поверхности водоема образуются колебания разной силы.
Аномальные убийцы
Они также известны как блуждающие, монстры, аномальные и больше характерны для океанов.
Еще 30-40 лет назад рассказы моряков об аномальных колебаниях воды считали небылицами, потому что в существовавшие научные теории и расчеты свидетельства очевидцев не укладывались. Высота 21 метр считалась предельной для океанических и морских колебаний.