ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ • Большая российская энциклопедия
Авторы: С. И. Бадулин
ВО́ЛНЫ В ОКЕА́НЕ, возмущения физич. параметров океана (плотности, давления, скорости, положения мор. поверхности и др.) относительно некоторого ср. состояния, способные распространяться от места их возникновения или колебаться внутри ограниченной области. В физич. задачах волновые движения в океане принято классифицировать по типу сил, ответственных за их возникновение и распространение. Выделяют пять осн. типов В. в о.: акустические (звуковые), капиллярные, гравитационные, гироскопические (инерционные) и планетарные.
Акустические волны распространяются в океане благодаря сжимаемости воды. Скорость распространения волн (скорость звука) зависит от состояния воды (темп-ры, солёности), глубины океана и изменяется в пределах 1450–1540 м/с. Высокочастотные акустич. волны (с частотами от единиц до десятков кГц) используются для гидроакустич. связи и подводной локации, включающей в себя измерение глубин, определение параметров мор. среды (в частности, измерение скоростей мор. течений на основе эффекта Доплера), локацию скоплений мор. животных, подводных судов и т. п. С эффектом подводного звукового канала связано явление сверхдальнего распространения звука, позволяющее использовать низкочастотные звуковые волны для дальней гидроакустич. локации и диагностики крупномасштабной изменчивости океанской среды.
Капиллярные волны связаны с силой поверхностного натяжения воды, которая является преобладающей для достаточно коротких поверхностных волн. Характерная длина таких волн определяется отношением коэф. поверхностного натяжения к ускорению свободного падения и составляет для чистой воды 1,73 см. Эти волны играют важную роль во взаимодействии океана и атмосферы, существенно влияя на тепло- и газообмен. Разл. процессы в приповерхностном слое океана (течения, ветер, загрязнение мор. поверхности) сильно изменяют поле капиллярных волн, а следовательно, и отражательные характеристики мор. поверхности. Это явление широко используется при дистанционном зондировании океана: в задачах альтиметрии (определение формы поверхности океана со спутников), в задачах диагностики состояния мор. поверхности (выяснение наличия и характера загрязнений, измерение характеристик приповерхностных течений, ветрового волнения и др.).
К поверхностным гравитационным волнам (см. Волны на поверхности жидкости) относятся прежде всего ветровые волны, длины которых лежат в диапазоне от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров, а амплитуды могут превышать 20 м. Существующие модели прогноза ветровых волн позволяют с высокой точностью предсказывать ср. характеристики волнения (период, амплитуду), но не дают возможности прогнозировать редкие экстремальные события, напр. «волны-убийцы». Амплитуда таких волн более чем в четыре раза превышает ср. амплитуду волнения, причём довольно часто «волны-убийцы» имеют вид ямы, а не гребня. Данное явление представляет серьёзную опасность для судоходства и мор. строительства. Поверхностные гравитационные волны могут возбуждаться не только ветром, но и др. внешними воздействиями (землетрясениями, над- и подводными оползнями и др.). Изредка такие воздействия приводят к возникновению цунами, которые способны производить катастрофич. разрушения в прибрежной зоне. Важный случай гравитационных волн – приливные волны (см. Приливы и отливы), возникающие вследствие периодич. изменения притяжения Луны и Солнца в данной точке Земли, что приводит к периодическому (как правило, два раза в сутки) изменению уровня моря.
Внутренние гравитационные волны (см. Внутренние волны) развиваются в толще океана благодаря её вертикальной стратификации (зависимости плотности воды от глубины). Характерная частота таких волн, т. н. частота плавучести или частота Брента – Вяйсяля, изменяется в очень широких пределах (от десятков секунд до десятков часов). Длины внутренних волн могут составлять от нескольких метров до сотен километров. Эти волны играют важную роль в вертикальном перемешивании вод и динамике крупномасштабных течений, существенно влияют на распространение звуковых волн в океане. Внутренние гравитационные волны могут представлять серьёзную опасность для подводного судоходства в областях их интенсивной генерации, вызванной особенностями рельефа, крупномасштабными течениями и т. п.
Гироскопические волны (инерционные волны) обусловлены силой Кориолиса. Миним. период этих волн определяется географич. широтой $φ$ места и равен $12\: ч/sinφ$, т. е. составляет половину суток на полюсе и стремится к бесконечности на экваторе. В открытом море инерционные волны проявляются как инерционные колебания – почти не распространяющиеся в пространстве периодич. колебания горизонтальной скорости течения, легко возбуждаемые ветром. Поскольку океан сильно стратифицирован по глубине, в нём чаще всего наблюдаются волны смешанного типа – гравитационно-гироскопические, в которых существенны вертикальные движения воды. Такие волны способны значительно влиять на вертикальное перемешивание верхнего слоя океана.
Планетарные волны (Россби волны) создаются изменчивостью параметра Кориолиса по широте, что приводит к возникновению возвращающей силы для движений, имеющих восточную составляющую. Характерный масштаб этих волн, т. н. масштаб Россби, может составлять сотни километров. С волнами Россби связывают синоптическую изменчивость океана и атмосферы и соответствующие динамич. структуры – синоптич. вихри в океане и атмосфере. Изменение глубины океана может создавать эффект, аналогичный переменному вращению. Возникающие вследствие этого волновые движения получили название топографич. волн Россби.
Особый класс волновых движений в океане составляют краевые волны, возникающие в прибрежных областях (волны Пуанкаре, Кельвина). Их существование определяется наличием горизонтальной границы (берег, кромка океанского шельфа и т. п.), вдоль которой происходит распространение волн, в комбинации с др. физич. факторами, такими, как изменение глубины, вращение Земли, вертикальная стратификация, наличие вдольбереговых сдвиговых течений и др.
В природе, как правило, наблюдаются сложные смешанные типы волновых движений: гравитационно-капиллярные, гравитационно-гироскопические и др.
Волны-убийцы. Морская байка, оказавшаяся реальностью
У этих волн много названий, в каждом языке – свое. В русском языке за ними закрепилось название «волны-убийцы». Они непредсказуемы, появляются словно из ниоткуда и смертельно опасны. Огромные, они вздымаются над поверхностью океана, захлестывают, а иногда и топят суда, обрекая моряков на смерть. Все происходит мгновенно, как правило, не оставляя времени на спасительный маневр.
До недавнего времени волны-убийцы считались мифом, в который не верили даже многие опытные моряки. Многие из свидетелей становились жертвами огромной волны, а те очевидцы, которым посчастливилось выжить, не могли представить никаких доказательств. Но 1 января 1995 года волна-убийца была впервые зафиксирована приборами, и из разряда легенды это явление перешло в категорию объектов научного исследования.
Разобраться в том, что на сегодняшний день известно о волнах-убийцах, как они возникают и где с ними можно столкнуться, Радио Свобода помогал руководитель Лаборатории нелинейных волновых процессов Института океанологии им. Ширшова Сергей Бадулин.
«Холм высотой с корабль»
Одно из первых дошедших до нас описаний волны-убийцы сделал Христофор Колумб в своем знаменитом «Письме католическим королям Изабелле и Фердинанду», в котором он описывал свою третью экспедицию. Целью письма было продемонстрировать свои заслуги перед короной, поскольку у великого мореплавателя, открывшего новый континент, оказалось слишком много недоброжелателей и надо было прилагать особые усилия, чтобы избежать королевской немилости. В письме Колумб описывал, сколько земель он открыл и присоединил к Испании, есть ли в этих землях золото, а в морях жемчуг, какие племена он встретил, были ли они опасны или, наоборот, дружелюбны. Но наряду с этим он счел нужным описать встречу с одной-единственной огромной волной – настолько велико было его потрясение от увиденного. Случилось это возле острова Тринидад. Вот это описание:
«Я встал на якорь у Песчаного мыса, вне этого пролива, и увидел, что вода течет в нем с востока на запад с такой же скоростью, как и в Гвадалкивире во время половодья, и так днем и ночью, ввиду чего я решил, что невозможно из-за течения возвратиться этим проливом назад, ни пройти им вперед из-за мелей. Поздно ночью, находясь на борту корабля, я услыхал ужасный рокот, доносившийся с юга. Продолжая наблюдать, я увидел, как с запада на восток море поднимается наподобие холма высотой с корабль и все более и более приближается ко мне.
Поверху же по направлению к кораблю с шумом и рокотом шла волна с такой же буйной стремительностью и яростью, с какой шли в проливе другие течения, и я был весь охвачен страхом, опасаясь, как бы она не опрокинула корабль, когда обрушится на него. Но она прошла мимо и достигла входа в пролив, где долго сохранялось сильное волнение».
Судно экспедиции Колумба пересекает Атлантику. Ньюэл Вайет, 1927В свою третью экспедицию Колумб отправился в путешествие на шести судах. Высота самой большой мачты была около 27 метров, что позволяет судить и о высоте встреченной волны. Описание, которое дал Колумб, типично для волн-убийц: невесть откуда взявшаяся гигантская волна при относительно спокойном море.
Впоследствии и другие мореплаватели порой упоминали огромные волны, которые значительно превышали уровень волнения окружающего моря. Однако к таким рассказам относились как к морским легендам. Например, когда в 1840 году французский мореплаватель Дюмон-Дюрвиль на заседании французской академии наук доложил о том, что в своем путешествии встретил волну около 35 метров высотой, слушатели не поверили ему и дружно засмеялись, несмотря на то что его спутники даже поклялись на Библии в подтверждение его слов.
Существование волн-убийц было окончательно признано наукой только в самом конце ХХ века. 1 января 1995 года приборы на опытной нефтедобывающей платформе «Дропнер S», установленной на норвежском морском шельфе, зафиксировали волну с размахом (расстоянием от ее подошвы до гребня) 25,6 метра.
С этого момента стало понятно, что волны-убийцы не только реальны, но и не столь уж редки. Они представляют угрозу и для судоходства, и для нефтяных платформ, и даже для низко летающих над морем вертолетов. Иначе говоря, стало понятно, что игнорировать это явление больше нельзя, и с этого момента волнами-убийцами занялись ученые.
Как выглядит волна-убийца?
Во-первых, это очень высокая волна. Многие очевидцы описывали ее как внезапно выросшую стену в океане. Самую большую волну-убийцу высотой в 35 метров описал Дюмон-Дюрвиль. Он оценил ее высоту на глаз, поэтому можно было бы предположить, что значение превышено. Впрочем, Сергей Бадулин говорит, что опытные моряки и океанологи способны определить высоту волны визуально с удивительной точностью – так, участники одной из конференций в ходе эксперимента на глаз определили размах 77-сантиметровой, по показаниями прибора, волны с ошибкой всего в 5–7 сантиметров. «Если опытный моряк говорит, что видел волну высотой в 35 метров, то его словам можно доверять», – считает Бадулин.
Во-вторых, фронт волны-убийцы может быть длинным, но может быть и очень коротким. И если в первом случае волна-убийца похожа на горную гряду, то во втором – на горный пик. Колумб, по всей видимости, повстречался с такой одиночной «горой», поэтому и остался жив – волна прошла мимо его судна, не задев его. Волны-убийцы могут быть одиночными, а могут идти группой из небольшого числа волн. Чаще всего упоминают три волны, или «три сестры».
Как возникают волны-убийцы?
Волны-убийцы не следует путать с цунами, которые возникают вследствие землетрясений, извержений вулканов и оползней. Причины возникновения волн-убийц: во-первых – интерференция, когда происходит простое сложение независимых волн, например, идущих с разных направлений; во-вторых – нелинейное взаимодействие волн, когда волна приобретает дополнительную энергию из волнового фона. Оба механизма могут давать многократное усиление локальной высоты волны. Это означает, что если одна двухметровая волна накладывается на другую двухметровую волну, то в случае нелинейного взаимодействия может образоваться не четырехметровая волна, а намного более высокая. Например, в Черном море при высоте волнения 1 метр была зафиксирована волна-убийца высотой восемь метров.
Где возникают волны-убийцы?
Волны-убийцы возникают совершенно неожиданно, когда, казалось бы, ничего не предвещает их появления. В отличие от цунами, волны-убийцы могут встречаться на большом расстоянии от берега. Теоретически такие волны могут возникнуть везде – в любой точке моря или океана, включая прибойную зону любого берега. Но все же есть места повышенной опасности, где такие волны ожидаемы.
Во-первых, это океанские фронты, где резко меняются характеристики течений, ледового покрова, солености воды. Яркий пример – случай, произошедший с танкером «Таганрогский залив» в 1980 году, когда он шел в струе очень мощного течения Агульяс. Это течение берет начало в Индийском океане и огибает Африку с юга. Вот свидетельство очевидцев инцидента:
«Волнение моря после 12 ч также несколько уменьшилось и не превышало 6 баллов. Ход судна был сбавлен до самого малого. Оно достаточно хорошо управлялось и хорошо отыгрывалось на волне. Заливания бака и палубы не наблюдалось. Неожиданно в 13:01 носовая часть судна несколько опустилась, и вдруг у самого форштевня под углом 10–15° к курсу судна был замечен гребень одиночной волны, которая возвышалась на 4–5 м над баком (высота бака подобного судна над уровнем моря 12–15 метров. — РС). Гребень волны мгновенно обрушился на бак и накрыл работающих там матросов».
В результате один человек погиб, и капитана судна привлекли к суду. Суд обратился за экспертизой к сотруднику института Арктики и Антарктики, доктору наук Игорю Лавренову, который объяснил, что в области таких течений волны-убийцы действительно возникают, но ни в каких инструкциях они не учитываются, поскольку их нельзя предсказать. В результате капитана танкера оправдали.
Во-вторых, это заливы и проливы с изрезанными берегами, от которых волны могут многократно и причудливо отражаться. Волна-убийца может возникнуть, когда направление ветра противоположно течению или под острым углом к нему. В результате волны тормозятся течением. Сергей Бадулин объясняет, что в такой ситуации течение и ветер могут внести совместный вклад в создание огромной разрушительной волны. Вероятно, как раз такую волну наблюдал Колумб. Его экспедиция обогнула остров Тринидад с юга и приблизилась к заливу Пария со стороны дельты реки Ориноко. В момент встречи с огромной волной суда стояли около пролива, который сейчас называется проливом Колумба. Течение, как следует из его описания, шло с востока на запад, а волна пришла с юга.
Волны-убийцы и наука
Волны-убийцы, по всей видимости, стали причиной гибели многих судов. По ретроспективной оценке, сделанной учеными, только за 25 лет – с 1969 по 1994 год – в Тихом и Атлантическом океанах они привели к гибели или сильному повреждению 22 танкеров и смерти 525 человек. За один 2005 год было зарегистрировано девять встреч с волнами-убийцами, шесть из них около берега, а три – в океане. В результате на берегу было смыто более ста домов и погибли четыре человека, а круизные суда Explorer, Grand Voyager, Norwegian Dawn пришлось серьезно ремонтировать. Последнее судно столкнулось с 21-метровой волной, вода залила каюты, и многие пассажиры получили травмы.
Исследователи изучают это опасное явление и стараются научиться предсказывать появление волн-убийц. Данные спутниковой альтиметрии показывают, что за последние 30 лет средняя высота волнения подросла на 30 см, а это составляет целых 15% от средней по океану величины около 2 метров.
Это может означать, что растут и волны-убийцы.Существуют три источника знаний о таких волнах: наблюдение, эксперимент и моделирование. И по всем трем направлениям наука значительно продвинулась. В 2000 году для изучения волн-убийц был запущен европейский международный проект MaxWave, который использовал различные методы, включая спутниковые снимки. Разрешение на этих снимках очень высокое – несколько метров. В результате их анализа ученые обнаружили, что всего лишь за три недели в океане образовалось более 10 гигантских одиночных волн, высота которых превышала 25 метров.
Моделирование достаточно хорошо объясняет, каким образом такие волны могут образоваться. В 2019 году ученым удалось получить модель «новогодней волны» в небольшом искусственном бассейне. Они расположили источники волн таким образом, чтобы волны встречались под различными углами, и выяснили, что одиночная высокая волна может образоваться, если волны разной амплитуды встречаются под большим углом – от 60 до 120°.
Однако, несмотря на накопленные знания, точно предсказать возникновение волны-убийцы по-прежнему практически невозможно. Зато мы больше знаем об их потенциальном размере, силе и «излюбленных местах» возникновения. Все это можно учитывать при конструировании судов и планировании морских маршрутов. Одна из перспективных разработок, рассказывает Сергей Бадулин, – система, которая должна отслеживать волнение впереди корабля и при появлении признаков волны-убийцы автоматически выдавать рекомендации к определенным действиям.
Почему шум волн успокаивает нас?
Узнайте, почему так много людей ищут комфортную атмосферу океана, чтобы расслабиться и расслабиться, и какие научные данные стоят за этим эффектом.
Представьте себе эту сцену: Вы сидите на мягком песке Карибского моря. Ветер легкий, воздух свежий. Вы закрываете глаза в тени пальмовой рощи и слушаете успокаивающие звуки волн, разбивающихся о берег.
По мере того, как они отступают и возвращаются, каждая волна приближает вас к вашему внутреннему спокойствию, и с каждым мгновением, которое вы проводите, слушая волны, разбивающиеся о бескрайние пески, ваш разум погружается в место свободы и покоя.
Да, все мы знаем, какое утешение мы можем получить, слушая звуки волн, разбивающихся о побережье Карибского моря. Но почему? Как получается, что мы получаем такой покой от этих природных шумов? Есть ли способ использовать этот эффект для усиления релаксации?
Давайте выясним это, обсуждая эту тему в оставшейся части этой статьи.
Расслабляющий эффект морской воды
Как во время бодрствования, так и во сне наш разум воспринимает звуки по-разному. Некоторые регистрируются как тревожные шумы, требующие нашего внимания. Примерами этих угрожающих звуков, которые нас предупреждают, могут быть звуки утреннего будильника, крик или громкий хлопок.
Однако другие шумы и звуки не регистрируются таким же образом. Вместо этого они воспринимаются нашим мозгом как не угрожающие звуковые вибрации. Когда мы слышим эти звуки, которые, по нашему естественному признанию, не представляют угрозы или опасности, это похоже на то, что мы слышим постоянный шум, который говорит нашему мозгу: «Не волнуйся. Все в порядке. не о чем беспокоиться. Всё хорошо.»
Поэтому медленные свистящие звуки волн, ударяющихся о мягкий песчаный берег, утешают наш разум, постоянно убеждая нас в том, что мы в безопасности.
Другая часть расслабляющего эффекта, который звуки океана оказывают на нас, связана с так называемым «акустическим камуфляжем». Это пассивный звук, который заглушает множество других шумов и отвлекающих факторов и помогает очистить наш разум от тревог и других насущных забот.
Это означает, что у нас есть звуковая маска, закрывающая внешние и внутренние шумы, которые могут отрицательно или сверхактивно стимулировать наш мозг. Звуки, издаваемые водой, будь то плеск волн, тропический дождь или покой подводного мира, могут принести нам умиротворение и чувство безопасности.
Как использовать океан для улучшения своего отдыха
Сегодня многие люди подписываются на каналы и услуги, которые предлагают им расслабляющие звуки для сна. Среди них наиболее популярны те, которые относятся к воде. Однако ничто не может сравниться с настоящим.
Найдите место на Карибах, где вы сможете посидеть на пляже и понаблюдать за волнами, пока не почувствуете себя погруженным в окружающий покой и безмятежность. Поездка в тихое место в тропиках — это отличный шанс выбрать место у воды и насладиться акустическим камуфляжем океана.
День на пляже может творить чудеса, избавляя от стресса и беспокойства. Однако день — это действительно не так много времени, чтобы насладиться таким видом отдыха. Так почему бы не забронировать себе отдых где-нибудь, где вы можете днем и ночью наслаждаться океанскими волнами как для спокойного сна, так и для спокойного отдыха.
Наслаждаться этим лучше всего в солнечном месте, где вы можете провести это время на улице в теплой обстановке, не покидая дома из-за плохой погоды.
Где можно послушать волны
Что может быть лучше для бесконечных океанских волн и бесконечных пляжей, чем Карибское море? Посетите тропический пляжный курорт и наслаждайтесь расслабляющим эффектом морской воды и слушайте шум волн на протяжении всего пребывания.
Когда вы приедете, вы, скорее всего, сразу заметите гармоничные звуки. Однако через несколько дней звук будет проникать в ваш затылок, и даже если вы не замечаете умиротворяющих звуков, успокаивающие эффекты будут по-прежнему обеспечивать вам максимально расслабляющий отдых.
Одно из мест, где вы можете окунуться в покой Карибского моря, — это отель Excellence Punta Cana в Доминиканской Республике.
Это курортный отель All Inclusive только для взрослых, расположенный прямо на берегу океана, чтобы вы могли наслаждаться успокаивающим отзвуком звуков моря, не отходя от своего номера более чем на несколько шагов.
Чтобы получить незабываемые впечатления, вы можете забронировать люкс на берегу океана с прямым выходом к самому морю.
9Другие статьи, которые могут вам понравиться истории трех пар на курортах Excellence Resorts и прочитайте каждый из их уникальных впечатлений от совершенства на Карибах.
Подробнее
7 вещей, которые нужно знать перед поездкой на Карибы
Подробнее
8 важных жизненных уроков, которые можно извлечь из путешествий
Подробнее
Подробнее статей
Что вызывает океанские волны? — Океанографический институт Вудс-Хоул
Путешествие к океану означает солнце, ветер и волны. Эти волны разбиваются о пляж, будят вас утром и убаюкивают ночью. На них катаются серферы. В них играют дети. Пловцы ныряют под них. Что вызывает волны? Ветер и, наконец, солнце.
Солнечный свет неравномерно нагревает нашу планету. Он наиболее интенсивен вблизи экватора и уменьшается по мере приближения к полюсам. Это неравномерное тепло вызывает ветер. Горячий воздух поднимается вверх, втягивая воздух из более прохладных мест, чтобы заполнить пространство. Именно эта разница температур и вызывает ветер.
Ветер — это форма энергии. Когда он дует над водой, он передает часть этой энергии воде. Эта энергия заставляет частицы поверхностной воды двигаться. Но они не просто движутся в направлении ветра. Вместо этого они двигаются по кругу. Частица воды на поверхности движется вверх. Когда он достигает высшей точки (гребня), он замедляется. Затем вступает в действие гравитация, снова притягивая его вниз. По мере движения он возвращается в исходное положение или в точку, очень близкую к ней.
Исследователи несут приборную башню в прибой, чтобы измерить движение воды под разбивающимися волнами. Фото Бритта Раубенхаймера © Woods Hole Oceanographic Institution
Формирование поверхностных волн в Мексиканском заливе. Фото Криса Линдера ©Woods Hole Oceanographic Institution
Взаимодействие океана с атмосферой. Иллюстрация WHOI Creative ©Woods Hole Oceanographic Institution
Если вы когда-нибудь стояли на волне, вам знакомо это чувство. Вода подталкивает вас вверх, как гребень волны. Затем вы падаете в желоб (низкая точка между волнами). Вас также толкают вперед и назад. Если бы вы были достаточно малы, чтобы дрейфовать в воде, ваше тело совершило бы круг. В следующий раз, когда вы увидите буй на воде, посмотрите, как он качается вверх и вниз. Вы можете следовать по его круговому пути.
Когда ветер создает волны на большой глубине, возникают большие волны. Волны не похожи на волны, которые мы видим на пляже. Вместо этого они выглядят как холмистая местность. Только когда эти волны достигают мелководья, мы видим характерную форму волны.
Когда круговой поток воды падает на морское дно, он цепляется за дно и замедляется. Это приводит к тому, что вода за ним скапливается. В конце концов он становится слишком высоким. Волна гребнями, перекатываясь через вершину и переворачиваясь сама с собой. Он падает на берег и скользит вверх по пляжу, прежде чем отступить.
Не все волны поднимаются на берег так, как волны, вызванные ветром.