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 дело с разными волнами, я, попав на Белое море, несколько лет смотрел на него как баран на новые ворота и не мог понять, что же здесь 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 воздействия она выведена 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.

Существуют еще и капиллярные поверхностные волны, но они мелкие, рябь и на навигацию не влияют. Известны также и так называемые внутренние волны, возникающие в толще неоднородной воды; они очень медленные и крупномасштабные, иногда выходят на поверхность воды, вызывая на ней необычные эффекты. Кроме того имеются приливные волны и сейши.

Характер распространения волн по поверхности воды зависит от ее глубины. Например, для приливных волн с их длинами в сотни километров любое море мелкое. Но для ветрового волнения в море, как правило, выполняется условие глубокой воды. Выход таких волн на мелководье порождает прибой.

Если волна не цепляется за дно, т.е. вода для нее достаточно глубока, то скорость волны с связана с длиной волны  соотношением

,

где g – ускорение свободного падения. 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 определяющую скорость перемещения волновых пакетов или цугов волн, называют групповой.

Еще одной важной характеристикой поверхностных волн является их высота h, которую определяют 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 предел крутизны, по достижении которого волны опрокидываются. Теоретически предельная крутизна волн на воде , в действительности обрушение волн может происходить и при меньшей крутизне, а у пологих морских волн крутизна составляет примерно 1/20.

Причины возникновения волн на поверхности воды могут быть разными. Например, цунами вызывается землетрясением, существуют так называемые запрепятственные волны, возникающие, когда сильное течение обтекает подводные преграды. Но основной источник волнения ветер. Чем сильнее ветер, тем сильнее волнение.

Пусть поле ветра над морем однородно, т.е. от берега до берега дует ветер постоянной силы и одного направления, причем дует долго. Рассмотрим поле волнения, порождаемого таким ветром.

Вблизи наветренного берега волны нет, только рябь, но чем дальше в море, тем волна больше и круче. Начиная от берега, ветер раскачивает волны всех длин, но темп роста волн зависит от относительной скорости ветра; быстрее всех растут самые тихоходные мелкие волны. Но недолго. При свежем ветре уже в какой-нибудь сотне метров от берега появляются барашки, мелкие волны опрокидываются. Их рост прекращается.

То, что происходит с мелкими волнами, на рост более крупных влияет слабо, но те растут медленнее и достигают своей предельной 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 поддержания определенного 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.

П рактически важно, что характеристики развитых волн, т.е. их длина, высота, период, скорость, а также время действия ветра и длина разгона, необходимые, чтобы они успели сформироваться, известны. На глаз трудно бывает определить высоту волны, поэтому есть смысл измерять не высоту, а период волны, а дальше находить ее высоту по соответствующему графику; такой график приведен на рис.27. Он дает связь периода и высоты волны для предельного развитого волнения, под которым подразумевается установившееся волнение на неограниченной акватории при неограниченной длительности ветра. Это, разумеется, приближенный подход к делу, но он дает неплохие результаты. И именно характеристики таких волн приведены 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 деле не происходит.

Конечность размеров моря и поля ветра ограничивают длину разгона волн, так что реальное морское волнение вовсе не обязано быть всегда развитым. Типичный пример – озерное волнение. С другой стороны, волнение может наблюдаться и при отсутствии ветра, когда волны переходят из одного района моря в другой; это зыбь. Волны зыби в отличие от ветрового волнения пологи и имеют правильный регулярный характер.