Как образуются волны? Отчёты о состоянии прибоя и прогнозы образования волн составляются по результатам научных исследований и моделирования погоды. Для того чтобы узнать, какие волны будут формироваться в ближайшее время, важно понимать то, как они образуются.
Главной причиной образования волн является ветер. Волны, наилучшим образом подходящие для сёрфинга, формируются в результате взаимодействия ветров над поверхностью океана, вдали от берега. Воздействие ветра - это первый этап образования волны.
Ветры, дующие в той или иной местности с берега, также могут быть причиной образования волн, однако при этом они могут приводить к ухудшению качества разбивающихся волн.
Установлено, что ветры, дующие с моря, обычно приводят к образованию нестабильных и неровных волн, поскольку они воздействуют на направление движения волны. Ветры, дующие с берега, в определённом смысле служат своего рода уравновешивающей силой. Волна проходит многие километры из глубины океана до берега, а ветер с суши оказывает «тормозящий» эффект на лицо волны, позволяя ей дольше не разбиваться.
Области низкого давления = хорошие волны для сёрфинга
Теоретически, области низкого давления способствуют образованию хороших, мощных волн. В глубине таких областей скорость ветра выше, и порывы ветра формируют больше волн. Трение, создаваемое этими ветрами, помогает образовываться мощным волнам, которые проходят тысячи километров, пока не натолкнутся на конечные препятствия, то есть прибрежные территории, на которых живут люди.
Если ветры, образующиеся в областях низкого давления, продолжают дуть на поверхность океана на протяжении долгого времени, то волнение становится более интенсивным, поскольку энергия накапливается во всех образующихся волнах. Кроме того, если ветры из областей низкого давления воздействуют на очень большую акваторию океана, то все образующиеся волны сосредотачивают в себе ещё большую энергию и мощь, что приводит к формированию ещё более крупных волн.
От волн в океане к волнам для сёрфинга: морское дно и другие препятствия
Мы уже проанализировали то, как образуется волнение в море и порождаемые им волны, но после «рождения» таким волнам ещё предстоит пройти огромное расстояние до берега. Волнам, зародившимся в океане, предстоит проделать длинный путь, прежде чем они достигнут суши.
Во время своего путешествия, ещё до того, как на них встанут сёрферы, этим волнам придётся преодолеть другие препятствия. Высота зарождающейся волны не совпадает с высотой волн, на которых катаются сёрферы.
Продвигаясь через океан, волны подвергаются воздействию неровностей морского дна. Когда гигантские движущиеся массы воды преодолевают возвышения на морском дне, общее количество энергии, сосредоточенное в волнах, изменяется.
Например, континентальные шельфы на удалении от берега оказывают сопротивление движущимся волнам за счёт силы трения, а к тому моменту, как волны достигают прибрежных акваторий, где глубина небольшая, они уже теряют свою энергию, силу и мощь.
Когда волны перемещаются по глубоководным акваториям, не встречая препятствий на своём пути, они, как правило, обрушиваются на береговую линию с огромной силой. Глубины океанического дна и их изменения, происходящие со временем, изучаются в рамках батиметрических исследований.
По карте глубин легко найти самые глубокие и самые мелководные акватории океанов нашей планеты. Изучение рельефа морского дна имеет большое значение для предотвращения крушений кораблей и круизных лайнеров.
Кроме того, при изучении структуры дна можно получить ценную информацию для прогнозирования прибоев на определённом серф-споте. Когда волны достигают мелководья, их скорость обычно снижается. Несмотря на это, длина волны сокращается, а гребень увеличивается, в результате чего возрастает высота волны.
Песчаные отмели и увеличение гребня волны
Песчаные отмели, например, всегда изменяют характер бич-брейков. Именно поэтому качество волн со временем меняется в лучшую или худшую сторону. Песчаные неровности на дне океана позволяют образовываться чётким сосредоточенным волновым гребням, с которых сёрферы могут начинать скольжение.
Наталкиваясь на новую песчаную отмель, волна, как правило, образует новый гребень, поскольку подобное препятствие приводит к возвышению гребня, то есть формированию волны, пригодной для сёрфинга. К другим препятствиям для волн относятся буны, затопленные суда либо просто естественные или искусственные рифы.
Волны зарождаются благодаря ветру и по мере движения подвергаются влиянию рельефа морского дна, осадков, приливов, отбойных течений у побережий, местных ветров и неровностей дна. Все эти погодные и геологические факторы способствуют образованию волн, подходящих для сёрфинга, кайтсёрфинга, виндсёрфинга и буги-сёрфинга.
Прогнозирование волн: теоретические основы
- Волны с длинным периодом, как правило, больше и мощнее.
- Волны с коротким периодом, как правило, меньше и слабее.
- Периодом волны называется время между образованием двух чётко выраженных гребней.
- Частота волн - это количество волн, проходящих через определённую точку за определённое время.
- Большие волны движутся быстро.
- Маленькие волны движутся медленно.
- В областях низкого давления образуется интенсивное волнение.
- Для областей низкого давления характерна дождливая погода и облачность.
- Для областей высокого давления характерна тёплая погода и ясное небо.
- В глубоководных прибрежных акваториях образуются более крупные волны.
- Цунами не пригодны для сёрфинга.
Ко многим явлениям, происходящим на нашей планете, мы уже давно привыкли, совершенно не задумываясь о природе их возникновения и механике действия. Это и изменение климата, и перемена времен года, и перемена времени суток, и образование волн на море и в океанах.
И сегодня мы как раз хотим уделить внимание последнему вопросу, вопросу о том, почему образуются волны на море.
Почему возникают волны на море
Существуют теории о том, что волны на морях и в океанах возникают по причине перепадов показателей давления. Однако зачастую это лишь предположения людей, которые быстро пытаются найти объяснение подобному природному явлению. В действительности все обстоит несколько иначе.
Вспомните, что заставляет воду «волноваться». Это физическое воздействие. Бросив что-либо в воду, проведя по ней рукой, резко ударив по воде, по ней непременно начинают идти колебания разного размера и частоты. Исходя из этого, можно понять, что волны – это результат физического воздействия на поверхность воды.
Однако почему на море появляются большие волны, приходящие к берегу издалека? Виной всему является другое природное явление – ветер.
Дело в том, что порывы ветра проходят над водой по касательной линии, оказывая на морскую поверхность физическое воздействие. Именно это воздействие нагнетает воду и заставляет её двигаться волнами.
Кто-то, разумеется, задастся и другим вопросом о том, почему волны на море и в океане идут колебательными движениями. Однако ответ на данный вопрос является еще более простым, чем сама природа волн. Дело в том, что ветер оказывает непостоянное физическое воздействие на поверхность воды, ведь он направляется к ней порывами разной силы и мощности. Это и влияет на то, что волны имеют разный размер и частоту колебания. Разумеется, сильные волны, настоящий шторм, возникают тогда, когда ветер превышает показатели нормы.
Почему на море волны без ветра
Весьма резонным нюансом является вопрос о том, почему на море присутствуют волны даже в том случае, если наблюдается абсолютный штиль, если ветер полностью отсутствует.
И здесь ответом на вопрос станет тот факт, что водяные волны являются идеальным источником возобновляемой энергии. Дело в том, что волны способны очень долгое время хранить свой потенциал. То есть, ветра, который привел воду в действие, создав определенное количество колебаний (волн), может быть достаточно для того, чтобы волна продолжала свое колебание очень продолжительное время, а сам потенциал волны не исчерпал себя даже через десятки километров с точки зарождения волны.
Вот и все ответы на вопросы о том, почему на море волны.
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
Вроде бы банальный вопрос, но есть некоторые интересные нюансы.
Волны возникают по разным причинам: из-за ветра, прохождения судна, падения в воду какого-либо предмета, притяжения Луны, землетрясения, извержения подводного вулкана или схода оползня. Но если от проходящего судна или падения предмета они вызываются вытеснением жидкости, притяжение Луны и Солнца способствует появлению приливных волн, а землетрясение может вызвать цунами, с ветром сложнее.
Вот как это происходит...
Здесь дело в движении воздуха - в нем существуют беспорядочные вихри, маленькие у поверхности и большие вдалеке. При прохождении их над водоемом давление уменьшается, и на его поверхности образуется выпуклость. Ветер начинает давить сильнее на ее наветренный склон, что приводит к разнице давлений, а из-за нее движение воздуха начинает «закачивать» энергию в волну. При этом скорость волны пропорциональна ее длине, то есть чем больше длина, тем больше скорость. Связаны между собой высота волны и ее длина. Поэтому, когда ветер разгоняет волну, скорость ее увеличивается, следовательно, увеличивается длина и высота. Правда, чем ближе скорость волны к скорости ветра, тем меньше энергии может ветер отдать волне. Если же их скорости равны, ветер вовсе не передает волне энергию.
Теперь разберемся, как вообще образуются волны. За их формирование отвечают два физических механизма: сила тяжести и сила поверхностного натяжения. Когда часть воды поднимается, сила тяжести старается вернуть ее обратно, а когда опускается, вытесняет соседние частицы, которые тоже пытаются вернуться обратно. Силе поверхностного натяжения все равно, в какую сторону прогнута поверхность жидкости, она действует в любом случае. В результате частицы воды колеблются подобно маятнику. От них «заражаются» соседние участки, и возникает поверхностная бегущая волна.
Энергия волн хорошо передается только в том направлении, в каком частицы могут свободно перемещаться. На поверхности это делать проще, чем на глубине. Все потому, что воздух не создает никаких ограничений, в то время как на глубине частицы воды находятся в весьма стесненных условиях. Причина - плохая сжимаемость. Из-за нее волны могут перемещаться на большие расстояния по поверхности, но очень быстро затухают вглубь.
Важно, что во время волны частицы жидкости почти не двигаются. На большой глубине траектория их движения имеет форму окружности, на малой - вытянутого горизонтального эллипса. Благодаря этому корабли в гавани, птицы или кусочки дерева качаются на волнах, фактически не перемещаясь по поверхности.
Особый вид поверхностных волн составляют так называемые волны-убийцы - гигантские одиночные волны. Почему они возникают, так до сих пор и неизвестно. Они редко встречаются в природе, и их нельзя смоделировать в лабораторных условиях. Тем не менее большинство ученых считает, что волны-убийцы образуются из-за резкого уменьшения давления над поверхностью моря или океана. Но более тщательное их изучение впереди.
Вот тут мы подробно
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.
