Волны Белого моря

Бросая в воду камешки, смотри на круги ими

Образуемые, иначе такое бросание будет

Пустою забавою.

Козьма Прутков

Морское волнение

Будучи физиком по профессии и всю жизнь имея деl 737u2016h 3;о с разными волнами, я, попав на Белое море, несколько лет смотрел на него как баран на новые ворота и не мог понять, что же здеl 737u2016h 9;ь происходит. Белое море - аномальный район мирового океана с сильными реверсивными приливными течениями, вызывающими множество непривычных явлений. С волнами на течении происходят странные вещи, но прежде чем обсуждать их, следует вкратце изложить то, что известно о морском волнении.

Свободная поверхность воды, будь то в Сорокской губе или в тазу - плоская. Если под влиянием какого-либо воздеl 737u2016h 1;ствия она выведеl 737u2016h 5;а из равновесия, то в воде возникает движение, которое распространяется в виде волн, называемых гравитационными, поскольку их существование обусловлено наличием силы тяжести. Ветровые гравитационные волны на поверхности воды - поверхностные, глубоко в воду они не проникают.

l

,

g - ускорение свободного падеl 737u2016h 5;ия. Заметим, что с - фазовая скорость волны, т.е. скорость перемещения ее гребней. Если измерять скорость волн как обычно в метрах в секунду, а их период Т в секундах, получается простое соотношение с = 1,56 Т.

Скорость поверхностных волн на воде зависит от их длины; такие волны называют диспергирующими. Особенность диспергирующих волн на воде в том, что перенос энергии в них происходит со скоростью вдвое меньшей фазовой; эту скорость, одновременно опредеl 737u2016h 3;яющую скорость перемещения волновых пакетов или цугов волн, называют групповой.

h которую опредеl 737u2016h 3;яют как разность высот от гребня волны до ее подошвы. Отношение высоты волны к ее длине   называют крутизной волны. Волны на воде не могут быть бесконечно крутыми, существует предеl 737u2016h 3; крутизны, по достижении которого волны опрокидываются. Теоретически предеl 737u2016h 3;ьная крутизна волн на воде , в деl 737u2016h 1;ствительности обрушение волн может происходить и при меньшей крутизне, а у пологих морских волн крутизна составляет примерно 1/20.

То, что происходит с мелкими волнами, на рост более крупных влияет слабо, но те растут медленнее и достигают своей предеl 737u2016h 3;ьной крутизны дальше от берега. Чем дальше в море, тем крупнее волны и тем они положе. Рост крутизны крупных волн ограничивается возникновением в них сильных турбулентных течений воды, преобразующих энергию, полученную волнами от ветра, в тепло. Рост длины крупных волн ограничен необходимостью поддеl 737u2016h 8;жания опредеl 737u2016h 3;енного соответствия скоростей ветра и волн. Дело тут в том, что чем длиннее волны, тем быстрее они бегут, и тем меньше для них относительная скорость ветра и, соответственно, передача энергии от ветра к волне. Волны, скорость которых равна скорости ветра, вообще не возникают, поскольку не получают от него энергии. Установлено, что в конечном счете на большом удалении от берега устанавливаются волны, движущиеся со скоростью, составляющей примерно 80% от скорости ветра и с крутизной примерно 1/20. Такое волнение, состоящее из крупных пологих волн называют развитым, оно и достигает подветренного берега.

Практически важно, что характеристики развитых волн, т.е. их длина, высота, период, скорость, а также время деl 737u2016h 1;ствия ветра и длина разгона, необходимые, чтобы они успели сформироваться, известны. На глаз трудно бывает опредеl 737u2016h 3;ить высоту волны, поэтому есть смысл измерять не высоту, а период волны, а дальше находить ее высоту по соответствующему графику; такой график приведеl 737u2016h 5; на рис.27. Он дает связь периода и высоты волны для предеl 737u2016h 3;ьного развитого волнения, под которым подразумевается установившееся волнение на неограниченной акватории при неограниченной длительности ветра. Это, разумеется, приближенный подход к деl 737u2016h 3;у, но он дает неплохие результаты. И именно характеристики таких волн приведеl 737u2016h 5;ы в шкале Бофорта.

Ветровое волнение имеет нерегулярный хаотический характер, в нем присутствуют волны разных периодов и размеров. Такую картину обычно описывают статистическими методами, но вдаваться в детали нам нет необходимости. Заметим только, что статистическое описание имеет формальный характер, не учитывающий физику происходящих в волнах нелинейных процессов, и не способно указать наибольшую высоту волны в нужный момент на данной акватории. По статистике в море всегда найдется, хотя и редко, волна сколь угодно больших размеров, чего, как можно видеть, на деl 737u2016h 3;е не происходит.

Беломорские приливы, регулярно повторяющиеся два раза в сутки и имеющие период чуть меньше двенадцати часов, - это длинные гравитационные волны. Они не самостоятельного происхождеl 737u2016h 5;ия, а зарождаются под деl 737u2016h 1;ствием приливных волн мирового океана, заходящих в Белое море. Длины приливных волн составляют сотни километров, для них любое море мелкое, и они захватывают всю толщу воды, перемещая ее огромные массы, миллиарды тонн на большие расстояния туда и обратно. Явление мощное, крупномасштабное с которым волей - неволей приходится считаться.

Известно, что в вытянутых с севера на юг морях и больших заливах могут возбуждаться различные типы - моды приливных волн, самая замечательная из которых - волна Кельвина; ее наблюдали в Северном море и в Адриатическом заливе Средиземного моря. По-видимому, именно с ней и приходится иметь деl 737u2016h 3;о в Онежском заливе.

Всевозможных волн много; волна Кельвина замечательна тем, что это уникальная контурная волна с односторонним распространением. Волны, независимо от их природы, бывают объемные, существующие в свободном трехмерном пространстве, например, обычные электромагнитные волны, поверхностные - те же самые ветровые волны, а также одномерные, например, волна сжатия - растяжения в какой-нибудь нити. Волна Кельвина - контурная, она существует только у берега и бежит по его контуру, амплитуда волны быстро убывает при удалении от берега. Быстро - по ее масштабам; для нас это километры если не деl 737u2016h 9;ятки километров. При этом волна Кельвина бежит по контуру Онежского залива против часовой стрелки; связано это с вращением Земли. Когда большие массы воды колеблются в меридиональном направлении, на них деl 737u2016h 1;ствует порождаемая вращением Земли сила Кориолиса; ее влияние и проявляется в существовании односторонне распространяющейся контурной приливной волны. Такой же волны, бегущей в обратном направлении, существовать не может, но в Южном полушарии картина обратная.

Земля - вращающаяся система, и никакого изотропного пространства на ее поверхности быть не может, сила Кориолиса деl 737u2016h 1;ствует на все движущиеся на ней объекты. И идти вперед или направо не то же самое что назад или налево; не замечаем этого мы только по причине своей мелкости, эффект срабатывает в полную силу на крупномасштабных объектах.

Единственным известным аналогом волны Кельвина как ОР-волны является некая поверхностная магнитоплазменная волна в полупроводнике, антимониде индия, с которой я в свое время провозился лет пятнадцать. Там одностороннее распространение поверхностной электромагнитной волны обусловлено деl 737u2016h 1;ствием магнитного поля на электроны проводимости в полупроводнике; аналогом силы Кориолиса выступает сила Лоренца. И не зная тогда о существовании волны Кельвина, я и представить себе не мог, что в природе возможны ОР-волны, из-за чего возникало множество затруднений. Так парусный туризм сомкнулся с современной физикой.

Приливные течения существенно сказываются на навигации порождая, в частности, так называемый "непротык". Когда направления течения и ветра совпадают, и судно лавирует на встречном течении, скорость его продвижения по курсу оказывается сравнимой со скоростью течения, и тогда судно попросту застревает на течении. Особенно част этот эффект на слабых ветрах; крутизна лавировки катастрофически падает, и сколько ни лавируй, толку никакого. Нечто подобное происходит и с морскими волнами.

В Зеленограде неподалеку от нашего дома в крутых берегах течет небольшая речка Сходня. Зимой она не замерзает, а с высокого берега в нее удобно кидать снежки. Бросим в речку снежок. Всплеск, деl 737u2016h 1;ствительно побежали круги, сносимые течением, туда-сюда пробежали волны, отраженные от берегов, и поверхность воды успокоилась. Но не вся. На изгибе речки образовалась четко выраженная область колеблющейся воды, где волны все еще бегут. Они бегут минуту, другую, третью. Снежок давно уплыл по течению, а волны все не затухают. Они возникают как бы из ничего на одном краю этой области, пробегают через нее и исчезают на другом ее краю. Что же происходит?

Дело в том, что на изгибе речки - быстринка, на которой течение ускоряется. Всплеск - это импульсный источник волн. Пакет волн, созданный таким источником, бежит по воде навстречу течению. И когда скорость течения сравнивается, а потом становится и больше, чем скорость перемещения волнового пакета, т.е. групповой скорости волн, пакет застревает на течении. Срабатывает так называемый эффект блокировки. А поскольку фазовая скорость волн на воде вдвое больше групповой, внутри застрявшего пакета гребни волн продолжают бежать навстречу течению. То, что волны возникают из ничего и неизвестно куда деваются, несущественно. Так проявляется колебание поверхности воды в возбуждеl 737u2016h 5;ной области. Отдеl 737u2016h 3;ьная волна - фантом (хорош, конечно, фантом высотой этак метров в пять да еще с гребнем!).

с моря волна, которая, кстати, все время оставалась бегущей, становилась все выше и круче. Она выросла почти до метра высотой, на ней появились барашки. Тримаран трясло как на вибростенде. И вдруг все кончилось: он прошел резкую границу, за которую волны не проникали, и вода оставалась зеркально гладкой. Впечатление было такое, словно зашли за волнолом.

Этот невидимый волнолом, называемый линией блокировки, мне удалось сфотографировать. Именно на этой линии скорость течения сравнивается с групповой скоростью волн, и волны здеl 737u2016h 9;ь становятся короткими и крутыми и рушатся, не переходя эту границу. Понимание сути эффекта блокировки очень существенно для объяснения многих наблюдаемых в море необычных явлений, связанных с волнами.

На линии блокировки фазовая скорость волны оказывается вдвое меньше чем на свободной воде, длина волны укорачивается в четыре раза, в несколько раз возрастает высота волны, и она начинает рушиться уже на подходах к линии блокировки. Течение блокирует не только волны, набегающие на него в лоб, но и косые волны, идущие под некоторым углом. Те постепенно разворачиваются навстречу течению и блокируются им, когда проекция их групповой скорости на направление течения сравнивается со скоростью течения.

Известна связь скорости встречного течения и периода блокируемых им волн: u T u - скорость течения м/с. Волны с меньшими периодами рушатся на подходах к линии блокировки, волны с большими периодами проходят через нее беспрепятственно, хотя на самой линии блокировки их высота и крутизна возрастают. В целом линия блокировки деl 737u2016h 1;ствует на волны примерно также как пленка масла, срезая всякую мелочь и пропуская крупные пологие волны.

В Онежском заливе Белого моря волна обычно имеет высоту около 1 м, период 3 секунды, скорости течений превышают 1м/с. Не удивительно, что эффекты, связанные с ростом крутизны волн на течениях и их обрушение наблюдаются сплошь и рядом.

Блокирующее течение должно иметь градиент скорости, но причина, по которой возникает само течение, не важна. Блокировка волн течением возможна не только на мелководье и в узостях, но и в открытом море, если там имеются неоднородные поверхностные течения. Причиной их возникновения могут быть фронты - границы раздеl 737u2016h 3;а различных водных масс или выход на поверхность крупномасштабных внутренних волн, но об этом мало что известно.

Вообще говоря, толчея - это беспорядочное волнение, которое может возникать по разным причинам; здеl 737u2016h 9;ь же идет речь об одной ее разновидности - аномально крутых пирамидальных волнах типа всплесков, наблюдающихся обычно на сулое. Сулоев на Белом море много, особенно в районе Кузовов. Представляет сулой собой как бы кипящую, чрезвычайно возбуждеl 737u2016h 5;ную вытянутую полосу воды, причем иногда он шипит, что, наверное, вызвано обрушением в нем толчеи. Возникает сулой в местах, где по каким-либо причинам нарушается свобода течения: у мысов, в проливах, над неровностями дна, возможно, на границах течений. Обычно сулои четко привязаны к местной топографии но могут перемещаться, возникать или исчезать в зависимости от фазы прилива. Утверждают, что иногда сулои наблюдаются и в открытом море.

Механизм возникновения сулоя, по-видимому, связан с характером обтекания дна течением и в чем-то похож на обтекание водой корпуса судна. Вблизи дна в потоке воды формируется переходный турбулентный пограничный слой толщиной в несколько метров или в деl 737u2016h 9;яток метров, который на особо крупных неровностях отрывается от дна и выходит на поверхность воды. Примерно то же самое происходит и с потоком воздуха - ветром вблизи поверхности земли. Все знают, что ветер над морем значительно ровнее, чем над сушей. Если бы мы могли каким-либо образом окрасить воздух на уровне, скажем, деl 737u2016h 9;яти метров над землей, то в свежую погоду, когда ветер рваный, увидеl 737u2016h 3;и бы то же самое, что и на поверхности воды в сулое.

Хотя сулой производит впечатление и в тихую погоду, но тогда он не опасен, разве что судно развернет на нем пару раз. В свежую погоду - иное деl 737u2016h 3;о. Течение в сулое сильное, и встречная волна, выбегая на сулой, создает на нем целое поле крутых волн и белых гребешков.

Вернемся теперь к толчее. Толчея качественно отличается от обычных ветровых волн тем, что не имеет широких волновых фронтов, это точечный всплеск. Не похожа она и на битую стоячую волну, которая возникает, когда ветровая или корабельная волна отражается от какой-нибудь стенки. Толчея явно не соответствует той спокойной погоде со слабым ветром, при которой она обычно наблюдается. Механизм возникновения пирамидальных волн неясен; скорее всего они порождаются не воздеl 737u2016h 1;ствием ветра на поверхность воды, а внутренними гидродинамическими процессами, происходящими в сулое. Разумеется, это не мешает ветровым волнам, набегающим на сулой и обрушающимся на нем, накладываться на толчею; тогда возникает особо пикантная картина.

В книге И.А.Шалыгина, с которой рекомендую познакомиться, на обложке приведеl 737u2016h 5;а любопытная старинная гравюра: в морском проливе сулой, толчея. Двухрядным забором вздымаются к небу огромные опрокидывающиеся пирамидальные волны. На них идет трехмачтовое парусное судно, от которого, судя по всему, скоро останутся только щепки. Нечто подобное но в миниатюре я видеl 737u2016h 3; в Колежемской губе: на мелководье течение проходило через гряду камней, а навстречу ему шла небольшая волна. Возникали энергичные всплески, превышавшие высоту волны раз в пять и похожие на всплески прибоя у какой-нибудь стенки.

Пирамидальные волны высотой в полметра на Белом море - деl 737u2016h 3;о обычное. Иногда встречается и метровая толчея. Но огромных волн мне видеть не приходилось, хотя и не поручусь, что их и вообще быть не может. Вот свидетельство очевидца:

Здеl 737u2016h 9;ь, видимо, речь идет не о пирамидальных волнах, а о росте ветровых волн на встречном течении сулоя, скорость которого для воздеl 737u2016h 1;ствия на волны высотой 2-3 метра и, соответственно, с периодом 5-6 секунд, должна была достигать 2-2,5 м/с., что вполне реально. Наибольшая высота толчеи, которую я видал сам, составляла около полутора метров; должен сказать, что такая толчея приведет в замешательство кого угодно.

Для полноты картины упомянем еще и пятна выглаживания - гладкие участки воды, возникающие в сулое из-за подавления ряби и мелких волн турбулентностью воды; они хорошо заметны в тихую погоду. Такие же пятна образуются не только в сулое, но и при обычном ветровом волнении на крупных волнах после обрушения их гребней. К ним же относится и кильватерный след парусного судна, выглаживающее деl 737u2016h 1;ствие которого хорошо заметно также в тихую погоду.

По своему виду на пятна выглаживания похожи слики - гладкие пятна на поверхности моря, бросающиеся в глаза на фоне окружающих их ряби, волнения или толчеи. Возникают слики из-за присутствия на поверхности воды тонких пленок поверхностно-активных веществ, нефти и т.п. Классический пример - успокаивающее деl 737u2016h 1;ствие масла на волнение; его нетрудно наблюдать, если забросить в воду консервную банку с остатками масла, например, из под шпрот. Слики появляются в тех местах, куда пленки сносятся сходящимися поверхностными течениями.

Дело было давно, еще в прошлом веке, в 1834 году в Англии. Некто Джон Скотт-Рассел ехал на лошади вдоль небольшого канала, по которому упряжка лошадеl 737u2016h 1; тащила баржу, баржа гнала своим тупым носом крупную волну. Лошади остановились, баржа встала, волна оторвалась от носа баржи и в виде бугра покатилась вдоль по каналу. Скотт-Рассел поскакал за ней на лошади, проскакал пару миль, затем на развилке канала потерял волну из виду.

Скотт-Рассел был физиком, написал о своем наблюдеl 737u2016h 5;ии уединенной волны статью и опубликовал ее в научном журнале. Статью прочитали, подивились и благополучно о ней забыли. Об уединенных волнах или солитонах вспомнили уже в наше время, и был период, когда они стали в физике модным объектом. Их наблюдали чуть ли не везде; оказалось, что нервные импульсы тоже солитоны. Солитонами являются и обычные петли-колышки на тросе или проволоке.

Явление по морским меркам миниатюрное и изящное, и на том в рассказе о морских солитонах можно было бы поставить точку, но я вспомнил, что существует еще и волна цунами, поведеl 737u2016h 5;ие которой при подходе к берегу весьма напоминает описанную картину.

Цунами - длинная волна, захватывающая всю толщу воды. Она возникает при подводном землетрясении, распространяется со скоростью 700 км в час и незаметна в море, где ее высота ничтожна по сравнению с ее длиной. Но, накатываясь на берег, цунами трансформируется в узкий отдеl 737u2016h 3;ьно стоящий гребень большой высоты, который сносит на берегу все. Обычно друг за другом с большим интервалом идут несколько таких гребней, между которыми вода спокойна, что часто обманывает людеl 737u2016h 1;. Так что, надо думать, цунами - тоже солитон.

По-видимому, то же самое происходит и со штормовой волной, подходящей к берегу. Все мы знаем, что у берега морская волна изменяет свою форму, гребни становятся выше, уже и круче, и только затем они опрокидываются. Но чистой хорошо выраженной картины трансформации волн в серию солитонов обычно не наблюдается, по-видимому, потому что берег недостаточно пологий. Подходящий берег был на Кубани и у Лопшеньги, но я тогда не обратил внимания, что происходит с большой штормовой волной, накатывающейся на очень пологий берег; прибой был сильный, и мне пришлось воевать с ним. Кроме того, условия наблюдеl 737u2016h 5;ия были неудачными, такую картину следует рассматривать не в лоб, а сбоку или сверху.

Барашки образуются на ветровых волнах большой крутизны в момент прекращения их роста. Обычно говорят, что ветровые волны, достигающие предеl 737u2016h 3;ьной крутизны, нарушают обрушаться. Но это не совсем точно. Оказывается, существуют два вида обрушения: стекающее и ныряющее. При стекающем обрушении, обычном для ветровых волн, происходит следующее. У вершины высокой крутой волны появляется завихренность гребня - пенящийся барашек, перемещающийся со скоростью гребня. Затем происходит обрушение барашка. Насыщенная пузырьками воздуха масса воды стекает вниз по переднему склону волны и останавливается. Гребень, сбросивший барашек, проходит место обрушения, и на наветренном склоне волны остается длинный пенящийся след.

Чтобы разобраться, прочему образуются барашки, рассмотрим взаимодеl 737u2016h 1;ствие волн разных размеров. Оказывается, что пока крутизна волн невелика, волны разного размера распространяются независимо друг от друга и не взаимодеl 737u2016h 1;ствуют; выполняется так называемый принцип суперпозиции. Когда идешь под парусами, хорошо видно, как большая волна приподнимает и опускает маленькую волну и рябь, но они не обращают на нее внимания.

Рост больших волн останавливается, когда их скорость близка к скорости ветра. Если при этом на вершине большой волны под деl 737u2016h 1;ствием ветра возникает малая волна, то она сносится локальным попутным течением, что дает ей возможность бежать с той же скоростью, что и большая волна, сидеть у той на верхушке и выглядеть как ее гребень. Баланс скоростей не вполне точен, и этот гребень потихоньку ползет вперед.

То, что гребень является самостоятельной хотя и небольшой волной заметно, когда идешь под парусами и внимательно смотришь на волны; иногда видно, как гребень смещается в поперечном направлении. Перевалив через вершину большой волны малая волна, она же гребень, попадает в область реверсирования локального поверхностного течения и выбегает на встречное течение. Здеl 737u2016h 9;ь возникает ситуация, которую мы уже рассматривали. Малая волна натыкается на линию блокировки, укорачивается, растет в высоту, увеличивает свою крутизну, а затем рушится вперед со склона большой волны.