Океан и атмосфера

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.

Когда волны приближаются к берегу, особенно по мелководью, они изменяются, деформируются: гребни делаются крутыми, а подошвы — пологими. Трение воды о дно становится все ощутимее: частицы, находящиеся у подошвы, движутся медленнее, чем на гребне, который начинает опрокидываться, разрушаться. У берега при этом возникает прибой. У глубокого берега, особенно когда его достигает океанская волна, образуется взброс. Когда волна опрокидывается не у самого берега, а над отмелями или рифами, возникает бурун, грохочущий как пушечный выстрел. Во всех морях нашей страны бывают буруны, особенно большие в Черном море и у берегов дальневосточных морей. Заметив и услышав шум буруна, мореплаватель знает, даже не глядя на карту, что там находятся рифы или подводные мели — и, значит, это место нужно обойти.

Можно ли ответить однозначно на вопрос, приносят волны вред или пользу берегам? Нет. С одной стороны, они их разрушают, с другой — участвуют в формировании новых, распределяя продукты разрушений и перенося их на новые места. Волны размывают породы, мельчат их, окатывают в гальку, песок, ил. Породы послабее разрушаются довольно быстро. Известно, что в Англии был утес, который размывало со скоростью 5—15 м в год, а другой утес, высотой 25 м, на котором жили люди, ныне погрузился в море на глубину 7 м. Взбросы могут достигать высоты 60 м. Те, кто бывал на Черном море вблизи Симеиза, видели разбитую на три куска скалу, называемую «Монахом». Еще в первых числах января 1931 г. эта скала была единым монолитом, пока гигантский шторм 19 января того же года не разбил его на части. В Шотландии дважды строился мол (первый — весом 1950 т, второй — почти вдвое тяжелее), и волны опрокидывали его в гавань. Такого рода примеров можно привести немало, и каждый из них содержит историю стихийного бедствия, часто трагедию. Во внутренних морях таких крупных разрушений не происходит, но и они могут быть достаточно серьезными. К ним относятся, в частности, постоянные разрушения волнами берега Черного моря.

Когда судно, идущее в море, попадает в район сильного волнения, оно испытывает качку, зависящую и от величины самого судна и от размеров волн. При определенном (предельном) наклоне корабля он может перевернуться. Эту катастрофу можно предупредить, изменив скорость и направление судна. С древних времен для уменьшения волнения используется масло — растекаясь по поверхности топким слоем, оно вследствие своей большой вязкости не дает ветру срывать гребни волн. Этот, в сущности, довольно простой способ спасает от несчастных случаев, когда волны, заливая палубу, смывают в море людей, грузы, спасательные шлюпки, ломают надстройки. Всего 3 кг масла (например, рыбьего или тюленьего жира) сглаживают гребни больших волн — точнее, превращают их в волны, подобные зыби. Такое же действие оказывают скопления водорослей и льдов (даже лишь кристаллы льда), дождь.

Тысячи наблюдений над волнением, производящиеся уже более 100 лет, позволили сделать некоторые общие заключения. Самые большие волны в открытом океане встречаются в южном полушарии, там, где Мировой океан охватывает Землю сплошным кольцом. Это объясняется и отсутствием суши, и характером ветров. В этих районах волны достигают 400 м длины, 12–13 м высоты, скорость распространения — до 22 м/с. Исключительно крупные, штормовые волны сравнительно редки. Обычно же штормовые волны, развивающиеся в южных широтах при северо-западных ветрах, имеют длину до 150 м и высоту 7–8 м.

Зыбь, так же как и ветровые волны, весьма различна по размерам. За двое-трое суток она может пересечь океан, сохраняя большую длину и период волн. Громадная зыбь зарождается преимущественно в 40°—50° с. и ю. ш., где зимой и ранней весной проходят штормовые циклоны, создающие, сильное волнение. Расходясь от этих широт, зыбь обычно достигает штилевой экваториальной зоны. В Атлантике такое явление наблюдается часто — зыбь приходит или из области штормовых циклонов Гольфстрима, или от штормов южных широт. Иногда она пересекает экватор. Часто вдоль океанического побережья Европы наблюдается пришедшая издалека зыбь с очень большими периодами.

Во внутренних морях ветровое волнение, естественно, не достигает таких размеров, как в открытом океане, что связано с их глубиной и площадью. В Средиземном море высота волн порядка 5–5,5 м, в Балтийском — до 5 м.

Воздействуя на берега, волны способны нанести ущерб народному хозяйству, разрушить различные постройки: маяки, здания, стенки набережных. В открытом море волнение часто небезопасно для судов — понижает управляемость и скорость. Для того чтобы точно и экономно рассчитать крепость, плавучесть, устойчивость судов различного класса, плавающих в разных районах Мирового океана, нужно знать элементы волн.

Советскими океанологами разработана и широко применяется система обслуживания судов, находящихся в открытом океане, рекомендованными курсами. Сущность этой работы состоит в том, что на основе учета реально сложившейся обстановки и ее прогноза судам сообщаются наиболее выгодные, оптимальные курсы их движения. Можно подумать, что кратчайший путь и есть самый выгодный. Однако в действительности это не всегда так. В океане часто приходится отклоняться от наикратчайшего пути и прокладывать курс в обход больших встречных волн, которые сильно снижают скорость. Таким образом, несмотря на удлинение пути, скорость выигрывается, в порт назначения суда приходят раньше. Четко налаженная служба обеспечения судов рекомендованными курсами, применение современных средств расчетов и связи дают положительные результаты.

При проектировании и строительстве морских портов исключительно важно знать основные характеристики ветрового волнения данного района — средние и, особенно, экстремальные, потенциально несущие в себе возможность будущих катастроф. Подход ко многим портам морских судов идет по искусственным морским каналам, которые постоянно нуждаются в очистке.

В перспективе — применение энергии волнения. Сущность ее основана на движении поплавка на волне: это колебание приводит в движение насосы, которые в свою очередь поднимают воду вверх, а падая, вода заставляет работать турбину. Есть и другой способ: ударяя в лопасти турбины, волны заставят их производить работу.

Огромная и бесполезная пока (а часто вредная) сила прибоя может быть направлена в специальные русла. Вода при этом будет подниматься прибоем и также использоваться для работы турбин. Разумно, со знанием характера волнения, выбранное для этого место и правильный расчет сооружений принесли бы большую пользу. Это — задачи будущего.