Волны

Прибой. Волны с яростью набрасываются на берег, разбиваются там, окутывая все туманом брызг, и, утихнув, откатываются назад. Это зрелище завораживает и успокаивает человека. Трудно оторваться от него. А насколько сладок сон на берегу во время шторма! Пожалуй, пока только этим ограничивается полезная деятельность волнения. В остальном же волны затрудняют мореплавание, делают его опасным, разрушают берега и портовые сооружения. Взбросы волн при ударе о препятствия Достигают большой высоты. Они устремляются вверх со скоростью около семидесяти метров в секунду. Однажды У берегов Англии волна сорвала с маяка колокол, висевший на тридцатиметровой отметке выше уровня воды.

И это не предел. На маяке острова Вист в Шетландском архипелаге они разбили стекло фонаря на шестидесятиметровой высоте. Во французском порту Шербур волны перебросили через шестиметровую стенку камни весом в три с половиной тонны, а в порту Амстердам подняли двадцатиметровый бетонный блок и швырнули его на пирс, словно мячик. В Шотландии волнами была разрушена часть волнореза, при этом они разбили стену из стали и бетона и сдвинули массивы весом тысяча триста пятьдесят тонн. Чтобы представить себе силу прибойной волны, надо познакомиться с цифрами, которые принимаются проектировщиками при расчете на волновые нагрузки портовых гидротехнических сооружений. В зависимости от района Мирового океана в качестве расчетной величины принимается нагрузка на вертикальную стену от одиннадцати до двадцати тонн на квадратный метр.

Волнение имеет в основном ветровую природу. Здесь не принимаются во внимание волны, возникающие в результате деятельности подземных сил, о чем шла речь отдельно. Как развивается ветровое волнение? Задул ветерок, и водную поверхность покрывает рябь. С усилением ветра преодолевается поверхностное натяжение воды и возникают гравитационные волны, в распространении которых решающую роль приобретает их вес. Они распространяются тем быстрее, чем больше их длина.

Дальнейшее усиление ветра заставляет волну расти, она становится круче. На гребнях возникают барашки. Ветер срывает острые вершины волн, превращая их в брызги. Во время интенсивного роста формируются крутые короткие волны, которые называют трехмерными, поскольку вокруг их вершин возникают ложбины. Беспорядочное трехмерное волнение самое неприятное для моряков. Судно, идущее, например, по волне, не только кивает каждому гребню, но и переваливается с бока на бок. Помнится, в море Лаптевых такой шторм за четыре часа уложил две трети нашей команды. Хотя в оправдание следует сказать, что она более чем наполовину состояла из еще неопытных практикантов мореходного училища.

В проходящих над океаном циклонах дуют ветры в разные стороны. В удалении от берегов они формируют волны разных направлений, которые в конце концов сталкиваются и накладываются друг на друга. Возникает волновая толчея. Глядя на нее, кажется, что вода кипит. Эти волны называют пирамидальными.

Максимальная высота океанских волн на водных просторах, где для ветра и волн есть разгон, достигает более десяти метров. В 1956 году океанологи дизель-электрохода "Обь" зарегистрировали волну высотой восемнадцать метров. Это сравнимо с высотой шестиэтажного дома.

Наряду с ветровыми волнами существует другой тип волн - зыбь. Это обычно отголоски или предвестники шторма. Когда штормовой ветер уймется, волны начинают сглаживаться, становятся ниже и длиннее и долго потом катятся по океану ровными упорядоченными валами. В зыбь превращаются также волны, выходящие за пределы циклона. Проведенные недавно расчеты свидетельствуют о том, что зыбь от свирепствующего где-нибудь в Антарктике урагана докатывается до наших европейских широт.

У берегов, на мелководье, зыбь становится короче и выше, образуя мощный прибой. Такой прибой практически постоянно существует на океанских побережьях, поскольку в океане обязательно где-то бушует шторм, посылая своих гонцов - волны мертвой зыби на сотни и тысячи миль от себя.

Одним из нежелательных проявлений мертвой зыби являются длинные пологие волны, нередко заглядывающие в бухты и порты. Штиль, у причалов стоят суда. Вдруг ни с того, ни с сего корабли начинают срываться со швартовых. Рвутся толстые канаты, словно бечева. Зашедшие в порт волны, высота которых едва ли достигает тридцати - сорока сантиметров, откатываясь назад, увлекают за собой суда. Это происходит потому, что заход и отход волн сопровождаются горизонтальными перемещениями на несколько метров в сторону берега и назад всей массы воды. Для предотвращения этого нежелательного явления возводят дополнительные сооружения, ограждающие входы в порты.

В проливах при столкновении зыби с приливо-отливными течениями возникает волновая толчея, называемая сулой. Иногда высота образовавшихся пирамидальных волн достигает пяти метров и более. Бывает, капитаны принимают сулой за буруны, кипящие над скрытыми под водой камнями.

Зыбь на глубокой воде распространяется со скоростью примерно вдвое-втрое большей, чем породивший ее ураган, движущийся обычно со скоростью двадцать-тридцать километров в час. Нарастающая зыбь является прямым предвестником шторма.

Штормы и ураганы и сейчас представляют собой серьезную опасность для мореплавания. Вспоминаю плавание в 1957 году на паруснике "Седов". Как сейчас перед глазами встает одна критическая ситуация, связанная со штормом.

Шли мы в Центральной Атлантике к Азорским островам. Ветер крепчал с каждым часом, его порывы доходили до десяти баллов. Тревожные сигналы аврального звонка подняли экипаж на палубу. Раздалась усиленная мегафоном команда:

- Все наверх! Повахтенно к своим мачтам! Убрать паруса!

Матросы взлетели по вантам и разошлись по реям, туго укатали паруса, крепко увязали их шкоторинами, и только на фок-мачте был оставлен верхний марсель. Механики приготовили к запуску машину, в такую погоду она могла понадобиться в любую минуту.

Все сильнее и сильнее ощущалась бортовая качка, огромные валы обрушивались на палубу, заливая матросов, стоявших у штурвала. Ветер свирепо выл на снастях. Кренометр, висевший в кают-компании, не мог регистрировать качку, так как его тридцатиградусной шкалы не хватало. Во избежание падения за борт было запрещено выходить на палубу.

В час ночи корабль скатился с большой волны, а набежавшая вторая волна всей своей массой обрушилась на борт парусника и с шумом перекатилась через его палубу. Концы рей обмакнулись в воду, а стрелка кренометра в штурманской рубке остановилась на цифре сорок шесть. "Седов" замер в таком положении. Все застыли в немом ожидании, у всех была одна мысль: "Встанет ли корабль? Успеет ли? Или следующая волна накроет его, как это произошло в том же году с однотипным "Седову" парусником "Памир", и он перевернется?"

Но "Седов" встал. Медленно колыхнулись кончики мачт, и корабль, набирая скорость, начал переваливаться на другой, борт. У всех вырвался вздох облегчения. Критическая ситуация заняла секунды, но они показались очень длинными. Положение было чрезвычайно серьезное, крен был предельным для данного типа судна.

Дальше рисковать было нельзя. Убрали штормовой парус, запустили машину и легли на другой курс. Теперь волны шли нам навстречу. Опасную бортовую качку сменила килевая. Корабль, длина которого превышала сто десять метров, то зарывался носом в воду, то, как скаковая лошадь, вставал на дыбы. С полубака сняли впередсмотрящего, ибо он укачивался минут за десять, так как амплитуда вертикальных взлетов и падений носа корабля достигала, наверное, тридцати метров. Далеко не каждый сможет продержаться при таких полетах вверх и вниз, совершаемых с большой скоростью. Ветер продолжал выть в снастях, словно дикое свирепое животное.

Ветер передает бушующему океану огромную энергию. Волны высотой пять метров и длиной сто на каждый погонный метр несут в себе энергию, равную трем тысячам ста двадцати киловаттам. При этом на квадратный километр штормового океана приходится мощность, равная трем миллиардам киловатт.

Во время арктических морских экспедиций не раз приходилось наблюдать, как иногда наш небольшой научный корабль внезапно терял ход, будто натолкнувшись на какое-то вязкое подводное препятствие и, пройдя некоторое расстояние, также внезапно набирал скорость, словно оборвав сдерживающие его невидимые путы. Подобные случаи происходят с судами не только в полярных широтах, но и близ берегов Скандинавии, Канады, в Средиземном море.

Это явление называют мертвой водой. Пожалуй, первым, кто заглянул в его природу, был известный полярный исследователь Ф. Нансен. В Карском море его "Фрам" попал в мертвую воду. Мгновенно скорость судна упала с четырех с половиной узлов до одного, хотя глубина была достаточна и море выглядело спокойным.

По свидетельству ученого, "Фрам", казалось, увлекал за собой весь поверхностный слой воды. За судном образовались волны, которые пересекали под острым углом его след. Иногда они заходили вперед почти до середины корабля. "Фрам" поворачивал в разные стороны, кружил, но ситуация не изменялась. Когда стопорилась машина, то судно неведомой силой подтягивало назад.

Ф. Нансен исследовал строение морской среды в районе нахождения корабля. Различия в ее свойствах оказались столь значительными, что моряки черпали с поверхности воду, пригодную для питья, а из кингстона получали крепко соленую, Ученый пришел к выводу, что явление мертвой воды может иметь место только там, где на плотной морской воде лежит более легкая пресная.

Как выяснилось позднее, при движении корабля на разделе вод образуются волны. На их формирование тратится преобладающая часть энергии судовых двигателей, в результате чего и уменьшается скорость корабля. Причем впереди его рождается одиночная волна, которую он как бы толкает перед собой.

Явление мертвой воды связано с интереснейшим явлением в динамике вод Мирового океана - внутренними волнами, возникающими по тем или иным причинам на разделе жидкостей разной плотности. Таких разделов в океане множество, ибо по вертикали он подобен слоеному пирогу.

Возбудителями внутренних волн в океане могут быть резкие изменения атмосферного давления, импульсные ветровые усилия, поверхностные волны, приливные явления и другие факторы.

Размер внутренних волн зависит от разницы в плотностях соприкасающихся слоев: чем она меньше, тем больше высота волны. В глубинах, где это различие бывает наименьшим, амплитуда волн доходит до сотен метров. Предполагают, что именно крупная внутренняя волна послужила причиной гибели американской атомной подводной лодки "Трешер". В определенных условиях внутренние волны принимают столь большие размеры, что становятся неустойчивыми и разрушаются. В результате происходит интенсивное перемешивание слоев, которое наиболее ярко выражено в глубинных областях Мирового океана.

Внутренние волны распространяются намного медленнее поверхностных. Их период может исчисляться несколькими сутками. Раз уже речь пошла о сравнении, то уместно будет сказать, что поверхностные волны являются своего рода частным случаем внутренних. Они тоже рождаются на разделе двух сред: атмосферы и океана, но из-за резкого различия их плотностей распространяются несравненно быстрее и не растут до громадных размеров.

Внутренние волны составляют одну из важнейших проблем современной океанологии, поскольку без познания природы этих образований нельзя до конца понять динамику вод Мирового океана и связанные с нею процессы.

С поверхностями раздела вод на слои связано явление, играющее порой своеобразную неожиданную роль. Так, например, в норвежских фиордах пресные воды образуют ярко выраженную поверхность раздела. Нагретый днем верхний тонкий слой пресной воды ночью охлаждается, становясь в результате этого плотнее. И тем не менее он не становится тяжелее подстилающей его соленой воды. Последняя согревается днем солнечными лучами, легко проникающими через верхний пресный слой, который защищает соленую воду от потерн тепла в атмосферу, выполняя роль парникового стека. В результате в фиордах Норвегии на глубине один-два метра от поверхности температура воды летом достигает тридцати пяти градусов тепла, что намного превышает температуру остальной воды.

В настоящее время человек пока вынужден приспосабливаться к необузданной стихии океана - волнению. Но, думается, не за горами те дни, когда люди научатся использовать огромную энергию, которую таит в себе штормовой океан.