Солитон

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 лошадей 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 наблюдении 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.

На пляже на Соловецком острове да и во многих других местах при наличии подходящего берега наблюдается трансформация набегающих на берег небольших волн в последовательность солитонов. Берег очень пологий, небольшая волна, выкатываясь на него, изменяет свою форму, превращаясь из синусоидальной волны в последовательность острых, узких и далеко отстоящих друг от друга гребней. Между гребнями вода практически плоская. Подходя к урезу воды, гребни опрокидываются.

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, поведение 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 отдельно 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 людей. 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 наблюдения были неудачными, такую картину следует рассматривать не в лоб, а сбоку или сверху.

Барашки

Барашков в море хоть отбавляй, кто их не видал! Но найти в литературе объяснения, почему они возникают, мне не удалось.

Барашки образуются на ветровых волнах большой крутизны в момент прекращения их роста. Обычно говорят, что ветровые волны, достигающие предельной 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.

Обрушение волн ныряющего типа имеет больший масштаб и происходит при наличии на то особых причин, вызывающих подтормаживание основания волны: встречного течения или резкого уменьшения глубины воды. Такое обрушение родственно прибою.

Чтобы разобраться, прочему образуются барашки, рассмотрим взаимодействие волн разных размеров. Оказывается, что пока крутизна волн невелика, волны разного размера распространяются независимо друг от друга и не взаимодействуют; 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.

Однако с ростом волн ситуация меняется. Мелкие волны и рябь сохраняются только на вершинах больших волн, причем движутся вместе с ними и выглядят как их морщины. Происходит захват мелких волн большими.

На вершинах больших волн мелкие волны попадают в необычные условия. Существенным становится орбитальное движение воды в больших волнах, порождающее локальное реверсивное поверхностное течение, направление которого зависит от фазы волны: у вершины волны течение направлено по бегу волн, у ее подошвы в обратном направлении. Скорость такого локального течения нарастает с увеличением крутизны волны и приближается к скорости самой волны. Парусное судно, идущее по большой волне, хорошо чувствует эти течения на курсе фордевинд.

Рост больших волн останавливается, когда их скорость близка к скорости ветра. Если при этом на вершине большой волны под действием 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. Здесь 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.

В этом процессе имеется особенность: у волны всегда один гребень, т.е. гребень – это одиночная волна, а не цуг волн. Гребень всегда увеличивает высоту волны; отрицательных гребней, т.е. нарастающих и обрушающихся на больших волнах ям и впадин не наблюдается. Это означает, что гребень – солитон.

Говоря физическим языком, барашки – это разрушение гравитационных солитонов, возникающих на поверхности воды при наличии конвективной ветровой неустойчивости и неоднородных локальных поверхностных течений. В физике волновых процессов это явление пока неизвестно, что и не удивительно: мало кому из физиков удавалось разглядывать волны в упор