Наука о волнах зародилась в период подготовки высадки войск союзников в Нормандии в 1944 году. Многие тысячелетия - с той поры, как наш неизвестный доисторический предок впервые вышел в море на своем утлом челне, - люди страдают от волн: их швыряет, укачивает, они гибнут в волнах. Аргонавты, викинги, Колумб, отцы-пилигримы, миллионы путешественников взирали на волны с явной неприязнью. Они знали результат действия волн, но не знали их природы.

На Клебекской конференции, которая приняла решение высадке в Нормандии, кто-то спросил: «Как действуют волны?» Получить ответ было важно, потому что для высадки десанта собирались строить искусственные гавани и молы, а также проложить трубопровод через Ла-Манш. В бурю или штиль, но огромные экспедиционные силы нужно было высадить с точностью до секунд.

Никто не мог дать ответа - ни моряки союзного военно-морского флота, ни ученые. Они, конечно, знали о приливных явлениях. Ньютон дал научное объяснение действия сил Луны, а в справочниках они могли найти точное предсказание уровня прилива в любой точке побережья Нормандии. Но никто не задумывался над природой волн - моряки терпели их злой нрав, не задавая никаких вопросов.

Таким образом, ученым пришлось призадуматься. За исключением механизма образования волн, были известны все другие условия: природа Ла-Манша, этой своеобразной «воронки», конфигурация его береговой линии которую жадно разрушали волны, и даже геология морского берега. Тогда длинноволосый английский профессор (даже одев военный мундир, он сохранил свою прическу) вспомнил, как, купаясь на этом побережье после штормовой ночи, он заметил в прибое торф. Имели ли это какое-нибудь отношение к проблеме образование волн? Безусловно, имело, и отряд десантников немедленно получил указание отправиться в рейд для сбора геологических образцов в районе возможной высадки.

Были собраны более или менее подробные сведения о характере волнения в местах предполагаемой высадки. Дальнейшие события показали, что сведения эти были не вполне надежными. Возникла необходимость научного исследования волн, которые до того чаще привлекали внимание поэтов и художников, чем ученых.

В настоящее время ученые пытаются выяснить, почему энергия ветра создает упорядоченные волны сильного шторма, а не просто хаос в океане. Но здесь требуются дальнейшие исследования. Известны штормовые центры, или области образования «главных волн», но существуют и другие системы волн, обусловленные вторичными причинами. Видимые волны, которые мы наблюдаем в какой-либо данный момент времени, появляются в результате наложения нескольких групп волн, распространяющихся в различных направлениях с разными скоростями.

Их необходимо «рассортировать». Это делается при помощи анализатора волн, который сообщает, как распределена энергия между волнами различной длины. Анализатор представляет собой электронный прибор, селектирующий морские волны, так же как радиоприемник - электромагнитные. Он «ловит» волны, возникшие в различных районах, подобно радиоволнам, излучаемым различными передатчиками, и разделяет их.

Известно, что волны различных длин, выйдя из штормовой области, распространяются так, что очень длинные низкие волны, поднимающееся, словно холмы, на мелких банках, возвещают о приближении более короткой и крутой мертвой зыби, несущей большую часть энергии. Сейчас уже достигнут такой уровень точности, что ученые на побережье Корнуэлла и Калифорнии могут измерять очень низкую зыбь, которая принесла энергию волнения из «ревущих» сороковых широт южного полушария.

Разработаны методы, которые могут указать на различие между тем, что моряки зовут «волнением» и «мертвой зыбью». Нужно сказать, что приборы могут сообщить о различии между волнами, созданными местными ветрами, и волнами, место возникновения которых, возможно, находится за тысячи километров. Таким образом, океанографы в содружестве с метеорологами могут предсказывать волнение, основываясь на метеорологических данных.

Благодаря экспериментальным и теоретическим исследованиям ученые могут составить таблицы и диаграммы, представляющие необычайную ценность для береговых и портовых инженеров и морских архитекторов. Уже получено много данных о воздействии волн на морское побережье и отмели, что имеет большое значение для работ по защите береговых линий, веками разрушавшихся под действием волн.

Так обстоит дело на поверхности океана, где гигантские валы 20-метровой высоты швыряют огромный лайнер, словно крохотный ялик. А что же происходит в глубине? Океаны покрывают около трех четвертей поверхности земного шара, а знаем мы о географии этой затопленной части нашего мира, пожалуй, меньше, чем о поверхности Луны. Средняя глубина океана около четырех километров, но имеются углубления, или желоба, до 10 с лишним километров, намного более «высокие», чем Эверест. И это не «мир безмолвия». Гидрофонами можно обнаружить шумы, часто издаваемые существами, которых мы никогда не видели. И мир этот, конечно, не спокоен, он находится в непрерывном движении.

Моря и климат нераздельны. Океаны действуют, как гигантский аккумулятор, «сберегательная касса» тепла. Вода «запасается» солнечным теплом и отдает его в холодное время, так что существует непрерывная регуляция мирового океана. Чтобы узнать погоду, нужно познать море, и, наоборот, чтобы познать океан, необходимо выяснить процесс циркуляции атмосферы.

Подсчитано, что девять десятых поверхностных течений (а не только волны) приводятся в действие ветром - в том числе Гольфстрим, движение которого изучал еще Бенджамин Франклин (да, тот самый, что изображен на стодолларовой купюре) около двух веков назад, течение Гумбольдта, которое несло плот Кон-Тики к Полинезии, и течение Куросио. И даже глубинные течения находятся до некоторой степени под влиянием ветра, так как поверхностная вода, подталкиваемая им к берегу, направляется вниз, создавая на глубинные слои воды и вынуждая их двигаться в виде течения.

Изучение глубинных течений приносит нам все новые сведения. Необходимо помнить, что вода в океанах имеет неодинаковую плотность и что более легкая вода может лежать над более тяжелой в силу большой солености или холодности - подобно слоеному пирогу. Эти слои могут либо скользить один по другому, либо двигаться в различных направлениях относительно друг друга.

Для изучения природы и движения этих глубинных течений созданы различные приборы. В некотором отношении они аналогичны приборам, которыми пользуются метеорологи. Когда метеорологи хотят исследовать верхнюю атмосферу и изучить воздушные течения высоко над землей, они запускают воздушные шары - «радиозонды»- с передающей аппаратурой, которая сообщает информацию по радио. Океанографы, желающие изучить течения на больших глубинах, применяют нечто подобное.

Они используют две длинные алюминиевые трубки, в которых находятся батареи и простая электронная схема. Схема имеет источник звука, подобный применяемому при эхолотировании. Этот прибор может быть погружен на определенную заданную глубину. Если нагрузить его на поверхности так, чтобы он плавал на глубине 2500 метров, то потребуется только один грамм дополнительного веса для погружения прибора точно на глубину 2530 метров. На определенной глубине он дрейфует по течению и посылает наверх сигналы. Эти сигналы могут быть приняты судном на поверхности. Такие методы использовались объединенной англо-американской экспедицией для изучения Гольфстрима.

Было показано, что северное направление Гольфстрима на поверхности очень сильно. Однако в слое воды между глубинами 1350 и 1800 метров движение либо очень слабо, либо полностью отсутствует. Поплавки, погруженные на еще большую глубину - 2460 и 2760 метров, - дрейфовали на юг, в направлении, противоположном поверхностному течению. Скорость этого противотечения составляла около 0,6 километра в час.

В настоящее время попыток проникнуть в «тайны моря» стало больше: исследователи уже побывали в «мире безмолвия», батискаф спустился на дно одной из тихоокеанских впадин, суда на поверхности проводят регулярные наблюдения. И постепенно мы начинаем узнавать о явлениях, доселе неизвестных.

P. S. И напоследок стоит заметить, что даже если вы приобрели лучшие ласты для плавания , все же рекомендуем вам удержаться от плавания в сильный шторм, когда волны особенно высоки.

Волна (Wave, surge, sea) - образуется благодаря сцеплению частиц жидкости и воздуха; скользя по гладкой поверхности воды, поначалу воздух создаёт рябь, а уже затем, действует на ее наклонные поверхности, развивает постепенно волнение водной массы. Опыт показал, что водяные частицы не имеют поступательного движения; перемещается только вертикально. Морскими волнами называют движение воды на морской поверхности, возникающее через определённые промежутки времени.

Высшая точка волны называется гребнем или вершиной волны, а низшая точка - подошвой . Высотой волны называется расстояние от гребня до её подошвы, а длина это расстояние между двумя гребнями или подошвами. Время между двумя гребнями или подошвами называется периодом волны.

Основные причины возникновения

В среднем высота волны во время шторма в океане достигает 7-8 метров, обычно может растянуться в длину - до 150 метров и до 250метров во время шторма.

В большинстве случаев морские волны образуются ветром.Сила и размеры таких волн зависят от силы ветра, а так-же его продолжительности и «разгона» - длины пути, на котором ветер действует на водную поверхность. Иногда волны, которые обрушиваются на побережье, могут зарождаются за тысячи километров от берега. Но есть ещё много других факторов возникновения морских волн: это приливообразующие силы Луны, Солнца, колебания атмосферного давления, извержения подводных вулканов, подводных землетрясений, движением морских судов.

Волны, наблюдаемые и в других водных пространствах, могут быть двух родов:

1) Ветровые , созданные ветром, принимающие по прекращении действия ветра установившийся характер и называемые установившимися волнами, или зыбью; Ветровые волны создаются вследствие воздействия ветра (передвижение воздушных масс) на поверхность воды, то есть нагнетания. Причина колебательных движений волн становится легко понятна, если заметить воздействие того же ветра на поверхность пшеничного поля. Хорошо заметна непостоянность ветровых потоков, которые и создают волны.

2) Волны перемещения , или стоячие волны, образуются в результате сильных толчков на дне при землетрясениях или возбужденные, например, резким изменением давления атмосферы. Данные волны носят также название одиночных волн.

В отличие от приливов, отливов и течений волны в не перемещают массы воды. Волны идут, но вода остается на месте. Лодка, которая качается на волнах, не уплывает вместе с волной. Она сможет немного переместиться по наклонной, только благодаря силе земной гравитации. Частицы воды в волне движутся по кольцам. Чем дальше эти кольца от поверхности, тем меньше они становятся и, наконец, исчезают совсем. Находясь в субмарине на глубине 70-80 метров, вы не ощутите действие морских волн даже при самом сильном шторме на поверхности.

Виды морских волн

Волны могут проходить огромные расстояния, не изменяя формы и практически не теряя энергии, долго после того, как вызвавший их ветер утихнет. Разбиваясь о берег, морские волны высвобождают огрмную энергию, накопленную за время странствия. Сила непрерывно разбивающихся волн по-разному изменяет форму берега. Разливающиеся и накатывающиеся волны намывают берег и поэтому называются конструктивными . Волны, обрушивающиеся на берег, постепенно разрушают его и смывают защищающие его пляжи. Поэтому они называются деструктивными .

Низкие, широкие, закругленные волны вдали от берега называются зыбью. Волны заставляют частички воды описывать кружки, кольца. Размер колец уменьшается с глубиной. По мере приближения волны к покатому берегу частицы воды в ней описывают все более сплющенные овалы. Приближаясь к берегу, морские волны больше не могут замкнуть свои овалы, и волна разбивается. На мелководье частицы воды больше не могут замкнуть свои овалы, и волна разбивается. Мысы образованы из более твердой породы и разрушаются медленнее, чем соседние участки берега. Крутые, высокие морские волны подтачивают скалистые утесы у основания, образуя ниши. Утесы порой обрушиваются. Сглаженная волнами терраса - это все, что остается от разрушенных морем скал. Иногда вода поднимается по вертикальным трещинам в скале до вершины и вырывается на поверхность, образуя воронку. Разрушительная сила волн расширяет трещины в скале, образуя пещеры. Когда волны подтачивают скалу с двух сторон, пока не соединятся в проломе, образуются арки. Когда верх арки падает в море, остаются каменные столбы. Их основания подтачиваются, и столбы обрушиваются, образуя валуны. Галька и песок на пляже - это результат эрозии.

Деструктивные волны постепенно размывают берег и уносят песок и гальку с морских пляжей. Обрушивая всю тяжесть своей воды и смытого материала на склоны и обрывы, волны разрушают их поверхность. Они вжимают воду и воздух в каждую трещину, каждую расщелину, часто с энергией взрыва, постепенно разделяя и ослабляя скалы. Отколовшиеся обломки скал используются для дальнейшего разрушения. Даже самые твердые скалы постепенно уничтожаются, и суша на берегу изменяется под действием волн. Волны могут разрушать морской берег с поразительной быстротой. В графстве Линкольншир, в Англии, эрозия (разрушение) надвигается со скоростью 2 м в год. С 1870 г., когда был построен самый большой в США маяк на мысе Гаттерас, море смыло пляжи на 426 м в глубину побережья.

Цунами

Цунами - это волны огромной разрушительной силы. Они вызываются подводными землетрясениями или извержениями вулканов и могут пересекать океаны быстрее, чем реактивный самолет: 1000 км/ч. В глубоких водах они могут быть ниже одного метра, но, приближаясь к берегу, замедляют свой бег и вырастают до 30-50 метров, прежде чем обрушиться, затопляя берег и сметая все на своем пути. 90% всех зарегистрированных цунами отмечено в Тихом океане.

Наиболее распространённые причины.

Около 80% случаев зарождения цунами являются подводные землетрясения . При землетрясении под водой происходит взаимное смещение дна по вертикали: часть дна опускается, а часть приподнимается. На поверхности воды происходят колебательные движения по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню, - среднему уровню моря, - и порождает серию волн. Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Цунамигенным (то есть порождающим волну цунами) обычно является землетрясение с неглубоко расположенным очагом. Проблема распознавания цунамигенности землетрясения до сих пор не решена, и службы предупреждения ориентируются на магнитуду землетрясения. Наиболее сильные цунами генерируются в зонах субдукции. Также, необходимо чтобы подводный толчок вошёл в резонанс с волновыми колебаниями.

Оползни . Цунами такого типа возникают чаще, чем это оценивали в ХХ веке (около 7 % всех цунами). Зачастую землетрясение вызывает оползень и он же генерирует волну. 9 июля 1958 года в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйя возник оползень. Масса льда и земных пород обрушилась с высоты 1100 м. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высоты более 524 м. Подобного рода случаи достаточно редки и, не рассматриваются в качестве эталона. Но намного чаще происходят подводные оползни в дельтах рек, которые не менее опасны. Землетрясение может быть причиной оползня и, например, в Индонезии, где очень велико шельфовое осадконакопление, оползневые цунами особенно опасны, так как случаются регулярно, вызывая локальные волны высотой более 20 метров.

Вулканические извержения составляют примерно 5% всех случаев цунами. Крупные подводные извержения обладают таким же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических взрывах образуются не только волны от взрыва, но вода также заполняет полости от извергнутого материала или даже кальдеру, в результате чего возникает длинная волна. Классический пример - цунами, образовавшееся после извержения Кракатау в 1883 году. Огромные цунами от вулкана Кракатау наблюдались в гаванях всего мира и уничтожили в общей сложности более 5000 кораблей, погибло около 36 000 человек.

Признаки появления цунами.

• Внезапный быстрый отход воды от берега на значительное расстояние и осушка дна. Чем дальше отступило море, тем выше могут быть волны цунами. Люди, которые находятся на берегу и не знающие об опасности , могут остаться из любопытства или для сбора рыбы и ракушек. В данном случае необходимо как можно скорее покинуть берег и удалиться от него на максимальное расстояние - таким правилом следует руководствоваться, находясь, например, в Японии, на Индоокеанском побережье Индонезии, Камчатке. В случае телецунами волна обычно подходит без отступления воды.
• Землетрясение . Эпицентр землетрясения находится, как правило, в океане. На берегу землетрясение обычно гораздо слабее, а часто его нет вообще. В цунамоопасных регионах есть правило, что если ощущается землетрясение, то лучше уйти дальше от берега и при этом забраться на холм, таким образом заранее подготовиться к приходу волны.
• Необычный дрейф льда и других плавающих предметов, образование трещин в припае.
• Громадные взбросы у кромок неподвижного льда и рифов, образование толчеи, течений.

Волны-убийцы

Волны-убийцы (Блужда́ющие во́лны, волны-монстры, freak wave - аномальная волна) - гигантские волны, возникающие в океане, высотой более 30 метров, обладают несвойственным для морских волн поведением.

Еще каких-то 10-15 лет назад ученые считали истории моряков об исполинских волнах-убийцах, которые возникают из ниоткуда и топят корабли, всего лишь морским фольклором. Долгое время блуждающие волны считались выдумкой, так как они не укладывались ни в одну существовавшую на то время математические модели расчётов возникновения и их поведения, потому как волны высотой более 21 метра в океанах планеты Земля не могут существовать.

Одно из первых описаний волны-монстра относится к 1826 году. Её высота была более 25 метров и заметили её в Атлантическом океане недалеко от Бискайского залива. Этому сообщению никто не поверил. А в 1840 году мореплаватель Дюмон д"Юрвиль рискнул явиться на заседание Французского географического общества и заявить, что своими глазами видел 35-метровую волну. Присутствующие подняли его на смех. Но историй о громадных волнах-призраках, которые появлялись внезапно посреди океана даже при небольшом шторме, и своей крутизной походили на отвесные стены воды, становилось все больше.

Исторические свидетельства "волн-убийц"

Так, в 1933 году корабль ВМС США "Рамапо" попал в шторм в Тихом океане. Семь суток корабль бросало по волнам. А утром 7 февраля сзади внезапно подкрался невероятной высоты вал. Вначале судно швырнуло в глубокую пропасть, а потом подняло почти вертикально на гору пенящейся воды. Экипаж, которому посчастливилось выжить, зафиксировал высоту волны - 34 метра. Двигалась она со скоростью 23 м/сек, или 85 км/ч. Пока что это считается самой высокой когда-либо измеренной волной-убийцей.

Во время Второй мировой войны, в 1942 году, лайнер "Королева Мария" вез 16 тыс. американских военных из Нью-Йорка в Великобританию (между прочим, рекорд по количеству человек, перевозимых на одном судне). Неожиданно возникла 28-метровая волна. "Верхняя палуба была на обычной высоте, и вдруг - раз! - она резко ушла вниз", - вспоминал доктор Норвал Картер, находившийся на борту злополучного корабля. Корабль накренился под углом 53 градуса - если бы угол составил хотя бы на три градуса больше, гибель была бы неизбежной. История "Королевы Марии" легла в основу голливудского фильма "Посейдон".

Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые приборно зафиксирована волна высотой в 25,6 метров, названная волной Дропнера. Проект "Максимальная волна" позволил по-новому посмотреть на причины гибели сухогрузов судов, которые перевозили контейнеры и другие немаловажные грузы. Дальнейшие исследования зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 20 метров. Новый проект получил название Wave Atlas (Атлас волн), в котором предусматривается составление всемирной карты наблюдавшихся волн-монстров и её последующую обработку и дополнение.

Причины возникновения

Существует несколько гипотез о причинах возникновения экстремальных волн. Многие из них лишены здравого смысла. Наиболее простые объяснения построены на анализе простой суперпозиции волн разной длины. Оценки, однако, показывают, что вероятность экстремальных волн в такой схеме оказывается слишком мала. Другая заслуживающая внимания гипотеза предполагает возможность фокусировки волновой энергии в некоторых структурах поверхностных течений. Эти структуры, однако, слишком специфичны для того, чтобы механизм фокусировки энергии мог объяснить систематическое возникновение экстремальных волн. Наиболее достоверное объяснение возникновения экстремальных волн должно основываться на внутренних механизмах нелинейных поверхностных волн без привлечения внешних факторов.

Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. Дальнейшее исследование привлекает эффекты нелинейности в ветровых волнах, способные приводить к образованию небольших групп волн (пакетов) или отдельных волн (солитонов), способных проходить большие расстояния без значительного изменения своей структуры. Подобные пакеты также неоднократно наблюдались на практике. Характерными особенностями таких групп волн, подтверждающими данную теорию, является то, что они движутся независимо от прочего волнения и имеют небольшую ширину (менее 1 км), причем высоты резко спадают по краям.

Впрочем, полностью прояснить природу аномальных волн пока не удалось.

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

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.

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

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

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

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

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.

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 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).

В этой статье мы расскажем о том, откуда берутся волны и о том, какие они бывают. Ведь волны — уникальный природный феномен, который дарит сёрферам множество эмоций и ощущений, заставляя отказаться от многого. Сёрфинг — это волны. А хороший серфинг невозможен без знаний о том, как рождаются волны, что влияет на их скорость, силу и форму, а также без понимания того, что каждая волна непохожа на другую.

Откуда берутся волны в океане

Всё дело в свелле. Если бы не свелл - не было бы волн. Что такое свелл? Свелл это энергия ветра, переданная волнам. Свеллы бывают нескольких видов, ветровой и донный (groundswell, накат):

1. Исходя из названия, ветровой свелл образуется из-за ветра. Такой свелл появляется, когда ветер дует прямо у берега (например, во время шторма) и создаёт чоп (хаотичное волнение на поверхности океана). Ветровой свелл не очень подходит для сёрфинга.
2. Свелл, благодаря которому на берегу океана образуются серфовые волны, называется донным. Это именно то, откуда берутся волны, интересующие серферов.

Как зарождается свелл

Далеко в океане бушует шторм с сильными ветрами. Эти ветры начинают волнение на воде. Чем сильней ветер, тем больше размер волны. Определённой скорости ветра соответствует совершенно определённый размер волны. Она работает как парус и позволяет ветру себя разогнать и сделать больше.

Когда волны достигают максимально возможных размеров, они начинают путешествие к дальним берегам в ту сторону, куда дует ветер. Через некоторое время волны становятся похожими друг на друга — бОльшие из них поглощают маленькие, а быстрые съедают медленные. Получившаяся в результате группа волн, примерно одного размера и одной мощности, называется свеллом. Свелл может пройти сотни, а то и тысячи километров, прежде чем достигнет береговой линии.

Когда свелл приближается к меньшим глубинам, нижние потоки воды сталкиваются с дном, замедляются и им некуда деваться кроме как двигаться наверх, выталкивая всю воду над ними. Когда вода уже не может выдержать собственный вес - она начинает рушиться. Собственно, вот откуда берутся волны, на которых можно серфить.

1. Клозауты (close-out) закрываются по всей длине целыми секциями. Не самый подходящий вариант для катания, если только вы не учитесь кататься в пене. Когда размер волн больше 2 метров, то такие волны могут быть опасны. Распознать клозауты можно по ширине пика волны, который может достигать нескольких метров.
2. Пологие волны (Spilling waves) неспеша подходят к берегу и, благодаря небольшому уклону дна, неторопливо начинают ломаться, не образуя резкой стенки и трубы. На такие волны нужно заранее начинать разгребаться, и они больше подходят для начинающих сёрферов и лонгбордистов.
3. Трубящиеся волны (Plunging waves) . Быстрые, мощные, резкие волны, которые образуют трубу. Возникают, когда свелл сталкивается с препятствием на своём пути. Например, это может быть выступающий риф или каменная плита. Такие волны мы привыкли видеть на сёрф-фото и в сёрф-видео. Позволяют делать проезды в трубе и эйры (прыжки). Опасны для начинающих сёрферов.

Виды сёрф-спотов

Характер волны определяется местом, где она встаёт, гакое место называется сёрф-спотом. Сёрф-споты разделяют на несколько видов.

1. Бич-брейк (Beach-break): свелл приходит к пляжу с песчаным дном и волна, столкнувшись с намывом песка на дне, начинает ломаться. Особенность бич-брейков состоит в том, что пики встают в местах, где образуются песчаные намывы, а их форма и положение может меняться каждый день, в зависимости от ветра, подводных течений, движения приливов/отливов и других факторов.
   С изменением формы и величины намыва меняется и характеристика волн, то есть волны могут быть как резкими трубящимися, так и пологими. Песчаное дно не представляет особой опасности, поэтому бич-брейки отлично подходят для обучения сёрфингу. На Бали бич-брейками является весь пляж вдоль Куты, Легиана и Семиньяка, а также Брава-бич, Эко-бич и другие.
2. Риф-брейк (Reef-break). Этот вид сёрф-спота характеризуется наличием рифа на дне. В качестве рифа могут выступать как коралловые рифы, так и каменное дно в виде отдельных камней или целых плит. Форма, мощность и длина волны зависят от того, какой формы риф на дне океана. На споте с риф-брейком всегда можно предсказать, где будет вставать пик волны. Риф-брейки гораздо более опасны, чем бич-брейки, за счёт острых рифов и камней на дне. На Бали большинство сёрф-спотов является риф-брейками. Улувату, Баланган, Паданг-Паданг, Бату-Болонг и множество других.
3. Поинт-брейк (Point-break) — это когда свелл сталкивается с какой-то преградой, выступающей из берега. Это может быть каменная гряда, мыс, небольшой полуостров. После столкновения волны огибают это препятствие и начинают ломаться друг за другом. В таких местах встают волны наиболее правильной формы, идут одна за одной, и могут подарить вам очень и очень длинные проезды. Примером пойнт-брейка на Бали является спот Медеви (Medewi).

Ветер и количество воды

Кроме места и свелла на то, откуда берутся волны для серфинга, влияют также ветер и высота воды (приливы и отливы).

Откуда берутся волны для катания или «унесенные ветром»
От ветра на берегу зависит качество волн. Самый правильный ветер для сёрфинга - это его отсутствие. Именно поэтому сёрферы встают в 4 утра или раньше, чтобы добраться до спота до рассвета, когда ветер не успел проснуться, а вода ещё зеркально-гладкая (glassy).

Если ветер всё-таки дует, то волны не испортятся (а иногда станут даже лучше), если он будет направлен с берега в океан. Такой ветер называют оффшор (offshore) . Оффшор поддерживает волны от обрушения, делая их более резкими.

Ветер, который дует с океана на берег, называется оншор(onshore) . Он ломает волны, заставляя их закрываться раньше времени, сдувая пики. Наименее предпочтительный ветер из всех. Сильный оншор вообще может убить всю каталку.

Также ветер может дуть вдоль берега, его называют кроссшор (cross shore) . Здесь многое зависит от его силы и направления. Иногда кроссшор может несильно портить волны, а иногда может действовать также негативно, как оншор.

Приливы и отливы
Про приливы и то, как они влияют на волны, можно прочитать в этой статье

Анатомия волны

В строении волны выделяют несколько элементов:
Стенка (face/wall) — секция волны, где сёрфер проводит большую часть времени.
Лип (lip) — падающий гребень волны.
Плечо (shoulder) — место, где волна постепенно сходит на нет.
Подошва (trough) — самый низ волны.
Труба (tube/barrel) — место, где вода окружает сёрфера со всех сторон.

Теперь вы знаете, откуда берутся волны, но теория теорией, а по-настоящему познать волны можно лишь в процессе сёрфинга. Чем больше будете наблюдать за волнами и кататься на них, тем лучше вы будете читать океан, а это позволит вам ловить всё больше и больше отличных волн. А теперь доску подмышку и бегом кататься! 🙂

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: