Каковы основные причины образования волн. Морские волны: природа возникновения. Виды морских волн

Волна (Wave, surge, sea) - образуется благодаря сцеплению частиц жидкости и воздуха; скользя по гладкой поверхности воды, поначалу воздух создаёт рябь, а уже затем, действует на ее наклонные поверхности, развивает постепенно волнение водной массы. Опыт показал, что водяные частицы не имеют поступательного движения; перемещается только вертикально. Морскими волнами называют движение воды на морской поверхности, возникающее через определённые промежутки времени.

Высшая точка волны называется гребнем или вершиной волны, а низшая точка - подошвой . Высотой волны называется расстояние от гребня до её подошвы, а длина это расстояние между двумя гребнями или подошвами. Время между двумя гребнями или подошвами называется периодом волны.

Основные причины возникновения

В среднем высота волны во время шторма в океане достигает 7-8 метров, обычно может растянуться в длину - до 150 метров и до 250метров во время шторма.

В большинстве случаев морские волны образуются ветром.Сила и размеры таких волн зависят от силы ветра, а так-же его продолжительности и «разгона» - длины пути, на котором ветер действует на водную поверхность. Иногда волны, которые обрушиваются на побережье, могут зарождаются за тысячи километров от берега. Но есть ещё много других факторов возникновения морских волн: это приливообразующие силы Луны, Солнца, колебания атмосферного давления, извержения подводных вулканов, подводных землетрясений, движением морских судов.

Волны, наблюдаемые и в других водных пространствах, могут быть двух родов:

1) Ветровые , созданные ветром, принимающие по прекращении действия ветра установившийся характер и называемые установившимися волнами, или зыбью; Ветровые волны создаются вследствие воздействия ветра (передвижение воздушных масс) на поверхность воды, то есть нагнетания. Причина колебательных движений волн становится легко понятна, если заметить воздействие того же ветра на поверхность пшеничного поля. Хорошо заметна непостоянность ветровых потоков, которые и создают волны.

2) Волны перемещения , или стоячие волны, образуются в результате сильных толчков на дне при землетрясениях или возбужденные, например, резким изменением давления атмосферы. Данные волны носят также название одиночных волн.

В отличие от приливов, отливов и течений волны в не перемещают массы воды. Волны идут, но вода остается на месте. Лодка, которая качается на волнах, не уплывает вместе с волной. Она сможет немного переместиться по наклонной, только благодаря силе земной гравитации. Частицы воды в волне движутся по кольцам. Чем дальше эти кольца от поверхности, тем меньше они становятся и, наконец, исчезают совсем. Находясь в субмарине на глубине 70-80 метров, вы не ощутите действие морских волн даже при самом сильном шторме на поверхности.

Виды морских волн

Волны могут проходить огромные расстояния, не изменяя формы и практически не теряя энергии, долго после того, как вызвавший их ветер утихнет. Разбиваясь о берег, морские волны высвобождают огрмную энергию, накопленную за время странствия. Сила непрерывно разбивающихся волн по-разному изменяет форму берега. Разливающиеся и накатывающиеся волны намывают берег и поэтому называются конструктивными . Волны, обрушивающиеся на берег, постепенно разрушают его и смывают защищающие его пляжи. Поэтому они называются деструктивными .

Низкие, широкие, закругленные волны вдали от берега называются зыбью. Волны заставляют частички воды описывать кружки, кольца. Размер колец уменьшается с глубиной. По мере приближения волны к покатому берегу частицы воды в ней описывают все более сплющенные овалы. Приближаясь к берегу, морские волны больше не могут замкнуть свои овалы, и волна разбивается. На мелководье частицы воды больше не могут замкнуть свои овалы, и волна разбивается. Мысы образованы из более твердой породы и разрушаются медленнее, чем соседние участки берега. Крутые, высокие морские волны подтачивают скалистые утесы у основания, образуя ниши. Утесы порой обрушиваются. Сглаженная волнами терраса - это все, что остается от разрушенных морем скал. Иногда вода поднимается по вертикальным трещинам в скале до вершины и вырывается на поверхность, образуя воронку. Разрушительная сила волн расширяет трещины в скале, образуя пещеры. Когда волны подтачивают скалу с двух сторон, пока не соединятся в проломе, образуются арки. Когда верх арки падает в море, остаются каменные столбы. Их основания подтачиваются, и столбы обрушиваются, образуя валуны. Галька и песок на пляже - это результат эрозии.

Деструктивные волны постепенно размывают берег и уносят песок и гальку с морских пляжей. Обрушивая всю тяжесть своей воды и смытого материала на склоны и обрывы, волны разрушают их поверхность. Они вжимают воду и воздух в каждую трещину, каждую расщелину, часто с энергией взрыва, постепенно разделяя и ослабляя скалы. Отколовшиеся обломки скал используются для дальнейшего разрушения. Даже самые твердые скалы постепенно уничтожаются, и суша на берегу изменяется под действием волн. Волны могут разрушать морской берег с поразительной быстротой. В графстве Линкольншир, в Англии, эрозия (разрушение) надвигается со скоростью 2 м в год. С 1870 г., когда был построен самый большой в США маяк на мысе Гаттерас, море смыло пляжи на 426 м в глубину побережья.

Цунами

Цунами - это волны огромной разрушительной силы. Они вызываются подводными землетрясениями или извержениями вулканов и могут пересекать океаны быстрее, чем реактивный самолет: 1000 км/ч. В глубоких водах они могут быть ниже одного метра, но, приближаясь к берегу, замедляют свой бег и вырастают до 30-50 метров, прежде чем обрушиться, затопляя берег и сметая все на своем пути. 90% всех зарегистрированных цунами отмечено в Тихом океане.

Наиболее распространённые причины.

Около 80% случаев зарождения цунами являются подводные землетрясения . При землетрясении под водой происходит взаимное смещение дна по вертикали: часть дна опускается, а часть приподнимается. На поверхности воды происходят колебательные движения по вертикали, стремясь вернуться к исходному уровню, - среднему уровню моря, - и порождает серию волн. Далеко не каждое подводное землетрясение сопровождается цунами. Цунамигенным (то есть порождающим волну цунами) обычно является землетрясение с неглубоко расположенным очагом. Проблема распознавания цунамигенности землетрясения до сих пор не решена, и службы предупреждения ориентируются на магнитуду землетрясения. Наиболее сильные цунами генерируются в зонах субдукции. Также, необходимо чтобы подводный толчок вошёл в резонанс с волновыми колебаниями.

Оползни . Цунами такого типа возникают чаще, чем это оценивали в ХХ веке (около 7 % всех цунами). Зачастую землетрясение вызывает оползень и он же генерирует волну. 9 июля 1958 года в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйя возник оползень. Масса льда и земных пород обрушилась с высоты 1100 м. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высоты более 524 м. Подобного рода случаи достаточно редки и, не рассматриваются в качестве эталона. Но намного чаще происходят подводные оползни в дельтах рек, которые не менее опасны. Землетрясение может быть причиной оползня и, например, в Индонезии, где очень велико шельфовое осадконакопление, оползневые цунами особенно опасны, так как случаются регулярно, вызывая локальные волны высотой более 20 метров.

Вулканические извержения составляют примерно 5% всех случаев цунами. Крупные подводные извержения обладают таким же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических взрывах образуются не только волны от взрыва, но вода также заполняет полости от извергнутого материала или даже кальдеру, в результате чего возникает длинная волна. Классический пример - цунами, образовавшееся после извержения Кракатау в 1883 году. Огромные цунами от вулкана Кракатау наблюдались в гаванях всего мира и уничтожили в общей сложности более 5000 кораблей, погибло около 36 000 человек.

Признаки появления цунами.

• Внезапный быстрый отход воды от берега на значительное расстояние и осушка дна. Чем дальше отступило море, тем выше могут быть волны цунами. Люди, которые находятся на берегу и не знающие об опасности , могут остаться из любопытства или для сбора рыбы и ракушек. В данном случае необходимо как можно скорее покинуть берег и удалиться от него на максимальное расстояние - таким правилом следует руководствоваться, находясь, например, в Японии, на Индоокеанском побережье Индонезии, Камчатке. В случае телецунами волна обычно подходит без отступления воды.
• Землетрясение . Эпицентр землетрясения находится, как правило, в океане. На берегу землетрясение обычно гораздо слабее, а часто его нет вообще. В цунамоопасных регионах есть правило, что если ощущается землетрясение, то лучше уйти дальше от берега и при этом забраться на холм, таким образом заранее подготовиться к приходу волны.
• Необычный дрейф льда и других плавающих предметов, образование трещин в припае.
• Громадные взбросы у кромок неподвижного льда и рифов, образование толчеи, течений.

Волны-убийцы

Волны-убийцы (Блужда́ющие во́лны, волны-монстры, freak wave - аномальная волна) - гигантские волны, возникающие в океане, высотой более 30 метров, обладают несвойственным для морских волн поведением.

Еще каких-то 10-15 лет назад ученые считали истории моряков об исполинских волнах-убийцах, которые возникают из ниоткуда и топят корабли, всего лишь морским фольклором. Долгое время блуждающие волны считались выдумкой, так как они не укладывались ни в одну существовавшую на то время математические модели расчётов возникновения и их поведения, потому как волны высотой более 21 метра в океанах планеты Земля не могут существовать.

Одно из первых описаний волны-монстра относится к 1826 году. Её высота была более 25 метров и заметили её в Атлантическом океане недалеко от Бискайского залива. Этому сообщению никто не поверил. А в 1840 году мореплаватель Дюмон д"Юрвиль рискнул явиться на заседание Французского географического общества и заявить, что своими глазами видел 35-метровую волну. Присутствующие подняли его на смех. Но историй о громадных волнах-призраках, которые появлялись внезапно посреди океана даже при небольшом шторме, и своей крутизной походили на отвесные стены воды, становилось все больше.

Исторические свидетельства "волн-убийц"

Так, в 1933 году корабль ВМС США "Рамапо" попал в шторм в Тихом океане. Семь суток корабль бросало по волнам. А утром 7 февраля сзади внезапно подкрался невероятной высоты вал. Вначале судно швырнуло в глубокую пропасть, а потом подняло почти вертикально на гору пенящейся воды. Экипаж, которому посчастливилось выжить, зафиксировал высоту волны - 34 метра. Двигалась она со скоростью 23 м/сек, или 85 км/ч. Пока что это считается самой высокой когда-либо измеренной волной-убийцей.

Во время Второй мировой войны, в 1942 году, лайнер "Королева Мария" вез 16 тыс. американских военных из Нью-Йорка в Великобританию (между прочим, рекорд по количеству человек, перевозимых на одном судне). Неожиданно возникла 28-метровая волна. "Верхняя палуба была на обычной высоте, и вдруг - раз! - она резко ушла вниз", - вспоминал доктор Норвал Картер, находившийся на борту злополучного корабля. Корабль накренился под углом 53 градуса - если бы угол составил хотя бы на три градуса больше, гибель была бы неизбежной. История "Королевы Марии" легла в основу голливудского фильма "Посейдон".

Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые приборно зафиксирована волна высотой в 25,6 метров, названная волной Дропнера. Проект "Максимальная волна" позволил по-новому посмотреть на причины гибели сухогрузов судов, которые перевозили контейнеры и другие немаловажные грузы. Дальнейшие исследования зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 20 метров. Новый проект получил название Wave Atlas (Атлас волн), в котором предусматривается составление всемирной карты наблюдавшихся волн-монстров и её последующую обработку и дополнение.

Причины возникновения

Существует несколько гипотез о причинах возникновения экстремальных волн. Многие из них лишены здравого смысла. Наиболее простые объяснения построены на анализе простой суперпозиции волн разной длины. Оценки, однако, показывают, что вероятность экстремальных волн в такой схеме оказывается слишком мала. Другая заслуживающая внимания гипотеза предполагает возможность фокусировки волновой энергии в некоторых структурах поверхностных течений. Эти структуры, однако, слишком специфичны для того, чтобы механизм фокусировки энергии мог объяснить систематическое возникновение экстремальных волн. Наиболее достоверное объяснение возникновения экстремальных волн должно основываться на внутренних механизмах нелинейных поверхностных волн без привлечения внешних факторов.

Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. Дальнейшее исследование привлекает эффекты нелинейности в ветровых волнах, способные приводить к образованию небольших групп волн (пакетов) или отдельных волн (солитонов), способных проходить большие расстояния без значительного изменения своей структуры. Подобные пакеты также неоднократно наблюдались на практике. Характерными особенностями таких групп волн, подтверждающими данную теорию, является то, что они движутся независимо от прочего волнения и имеют небольшую ширину (менее 1 км), причем высоты резко спадают по краям.

Впрочем, полностью прояснить природу аномальных волн пока не удалось.

Введение

Моря без волн не бывает, его поверхность всегда колеблется. Иногда это лишь легкая рябь на воде, иногда ряды гребней с веселыми белыми барашками, иногда грозные валы, несущие тучи брызг. Даже самое спокойное море «дышит». Его поверхность кажется совершенно ровной и блестит как зеркало, но берег лижут тихие, едва заметные волны. Это океанская зыбь, вестник далеких штормов. Каковы же основные причины образования волн, и как морские волнения влияют на человека и его деятельность?

Актуальность данного вопроса возрастает постоянно, пропорционально развитию человеческой цивилизации и освоению морских просторов.

Данная работа призвана помочь в решении вопросов, относящихся к волновым процессам, и максимально подробно рассказать все, связанное с ними, с их природой и деятельностью.

Типы морских волнений

Морские волнения можно разделить на несколько типов. Эти типы выделяются в соответствии с особенностями каждого из них.

Классификация волн

Имеется множество классификаций волн, различающихся по своей физической природе, по конкретному механизму распространения, по среде распространения и т. п.

По характеру волнообразующих сил волны разделяют на 2 типа: свободные и вынужденные.

Свободные волны не находятся под непосредственным воздействием сил, их вызывающих, а возбуждаются начальными или граничными возмущениями. В зависимости от природы возмущающей силы выделяют следующие подтипы свободных волн:

ветровые волны, обусловленные начальным возмущением -- действием напряжения ветра;

сейсмические волны, вызванные подводными землетрясениями и извержениями вулканов (цунами);

волны, обусловленные динамической неустойчивостью крупномасштабных течений.

Вынужденные волны находятся под непосредственным воздействием вызывающих их сил. Их подразделяют на 3 подтипа:

ветровые волны, возбуждаемые действием ветра на водную поверхность;

барические волны, возбуждаемые градиентом атмосферного давления (см. Анемобарические 1 волны);

приливные волны, возбуждаемые приливообразующими силами Луны и Солнца.

В зависимости от стратификации вод все волны делят на 2 рода: поверхностные н внутренние.

У поверхностных волн амплитуда максимальна на свободной поверхности, и характеристики их не зависят от стратификации вод по плотности. С увеличением глубины амплитуда таких волн уменьшается по закону, близкому к экспоненциальному. В формировании внутренних волн существенную роль играют силы плавучести; характеристики этих волн существенно зависят от стратификации и вертикальной устойчивости вод. Амплитуда внутренних волн обратно пропорциональна вертикальному градиенту плотности воды.

Анемобарические волны - Вынужденные длинные гравитационные или инерционно-гравитационные волны, возникающие под действием ветра и атмосферного давления. Могут быть прогрессивными или стоячими. Периоды анемобарических волн от нескольких минут до суток, высота в открытом море не превышает 1 м. В прибрежной зоне длинные волны анемобарического происхождения вносят существенный вклад в штормовые нагоны, приводящие иногда к катастрофическим наводнениям.

В зависимости от степени участия в формировании поверхностных и внутренних волн силы тяжести и сил, обусловленных вращением и сферичностью Земли, различают классы волн. В основу деления на классы положено отношение периода волн Т к периоду инерционных колебаний Тр = р/щsinц, где щ -- угловая скорость вращения Земли; ц -- геогр. широта места. Различают следующие классы волн:

гравитационные, в формировании которых доминирующую роль играют силы тяжести (T<

инерционно-гравитационные, для формирования которых существенны как сила тяжести, так и отклоняющая сила вращения Земли (Т<Тp);

инерционные, или гироскопические, при образовании которых доминирующей силой является сила Кориолиса (T = Тp);

планетарные (т. н. волны Россби), обусловленные совместным эффектом вращения и сферичности Земли (Т>>Тр).

Класс инерционных волн во внутренних волнах не выделяют, т. к. они распространяются главным образом в горизонтальной плоскости и не зависят от стратификации вод. В классах поверхностных и внутренних гравитационных волн выделяют виды: короткие волны, длина которых значительно меньше глубины моря, и длинные волны или волны мелкой воды, длина которых значительно больше глубины моря.

В классе планетарных волн короткие и длинные волны разделяют в зависимости от отношения длины волны к длине бассейна. Когда это соотношение мало -- волны короткие, когда велико -- длинные.

В классах инерционно-гравитационных и инерционных волн виды не выделяются.

Наконец, по характеру распространения волны подразделяют на поступательные (прогрессивные или, как их еще называют, бегущие) и стоячие. У поступательных волн (напр., ветровых) существует видимое перемещение формы. У стоячих такого перемещения нет. В реальных условиях океана наблюдаемые волны являются сложным сочетанием свободных и вынужденных, стоячих и поступательных волновых систем различного происхождения. Характер волновых процессов особенно осложняется в прибрежных районах в связи с влиянием топографии дна и берегов, отражением, дифракцией и рефракцией морских волн.

Мировой океан находится в постоянном движении. Кроме волн, спокойствие вод нарушают течения, приливы и отливы. Всё это разные виды движения воды в .

Ветровые волны

Трудно себе представить абсолютно спокойную гладь океана. Штиль — полное безветрие и отсутствие волн на его поверхности - большая редкость. Даже при тихой и ясной погоде на поверхности воды можно увидеть рябь.

И эта рябь, и бушующие пенные валы рождены силой ветра. Чем сильнее дует ветер, тем выше волны и больше скорость их движения. Волны могут перемещаться на тысячи километров от того места, где они возникли. Волны способствуют перемешиванию морских вод, обогащению их кислородом.

Наиболее высокие волны наблюдаются между 40° и 50° ю. ш., где дуют самые сильные ветры. Эти широты моряки называют штормовыми или ревущими широтами. Районы возникновения высоких волн расположены также у американских берегов вблизи Сан-Франциско и Огненной Земли. Штормовые волны разрушают береговые постройки.

Самые высокие и разрушительные волны . Причина их возникновения - подводные землетрясения. В открытом океане цунами незаметны. У побережья длина волн сокращается, а высота растёт и может превышать 30 метров. Эти волны приносят бедствия жителям прибрежных территорий.

Океанические течения

В океанах образуются мощные водные потоки - течения. Постоянные ветры вызывают поверхностные ветровые течения. Некоторые течения (компенсационные) возмещают убыль воды, двигаясь из районов её относительного избытка.

Течение, температура воды которого выше температуры окружающих вод, называют тёплым, если ниже - холодным. Тёплые течения переносят более тёплые воды от экватора к полюсам, холодные - более холодные воды в противоположном направлении. Таким образом, течения перераспределяют тепло между широтами в океане и оказывают существенное влияние на климат прибрежных территорий, вдоль которых они несут свои воды.

Одно из самых мощных океанических течений - . Скорость этого течения достигает 10 километров в час, и оно перемещает 25 миллионов кубических метров л воды за каждую секунду.

Приливы и отливы

Ритмические поднятия и опускания уровня воды в океанах называют приливами и отливами. Причина их возникновения - действие силы притяжения Луны на земную поверхность. Два раза в сутки пода поднимается, покрывая часть суши, и два раза отступает, обнажая прибрежное дно. Энергию приливных волн люди научились использовать для получения электричества на приливных электростанциях.

Волны – понятие из «арсенала» физики. Чтобы проще и доходчивее объяснить, что это такое, можно привести пример, казалось бы далекий от темы.

…Коронация Екатерины II происходила в Москве. Новоиспеченная императрица пожелала, чтобы о торжественном моменте возвестили салютом в Санкт-Петербурге, но как передать сигнал? Ведь тогда не существовало ни Интернета, ни телефона, ни даже телеграфа. И все же выход был найден: от Москвы до Санкт-Петербурга расставили солдат с флажками в руках на расстоянии прямой видимости друг от друга. В нужный момент первый солдат поднял флажок, следующий, увидев это, сделал то же самое и т.д. Сигнал был получен в Санкт-Петербурге менее, чем через четверть часа!

Что мы видим в данном случае? Ни один человек не перемещался, но перемещалось, передаваясь от человека к человеку, определенное состояние. Если нечто подобное происходит в некой среде (твердой, жидкой или газообразной) или же в электромагнитном поле – не происходит перемещения материи, но перемещается определенное изменение физических характеристик – это называется волной (это будет еще понятнее, если мы снова вспомним выражение, далекое от физики: «По стране прокатилась волна забастовок» – опять же, «прокатилось» изменение состояния).

Частный случай волны – это те колебательные возмущения, которые распространяются в толще воды или по ее поверхности.

У любой волны есть вершина (самая высокая точка ее гребня), подошва (самая низкая точка ложбины), высота (превышение вершины), длина (расстояние между вершинами гребней двух смежных волн), период (временной интервал, за который волна пройдет расстояние, равное ее длине) и крутизна (соотношение высоты и длины волны). Также оценивается скорость, с которой волна перемещается в том направлении, в котором она распространяется.

Причины образования волн на поверхности морей и океанов многообразны. Чаще всего можно наблюдать ветровые волны. Их размер и форма не отличаются упорядоченностью, за малой волной вполне может последовать большая, гребни волн не обязательно перемещаются в направлении ветра. Это связано с тем, что ветер, образующий волны, имеет вихревой, турбулентный характер. Размер ветровых волн зависит не только от скорости ветра, но и от его продолжительности.

Ветер – не единственная причина возникновения морских волн. Существуют приливные волны. Вопреки распространенному заблуждению, они появляются не потому, что Луна «притягивает» воду, а потому, что Земля вместе со своей водной оболочкой «растягивается» между самой отдаленной от Луны точкой и самой близкой к ней, это происходит из-за разницы в гравитационном притяжении между этими двумя точками.

Барические волны возникают из-за резких перепадов атмосферного давления. Это бывает там, где проходит циклон, особенно тропический. Если такие волны совпадут с высокими приливными – жди беды! Особенно часто такое случается на побережье Флориды, Японии, Китая, Индии, на Антильских островах.

Особенно опасны для моряков глубинные волны. Они возникают там, где есть два слоя воды с разными свойствами, и происходит их смешение – например, поблизости от тающих льдов или в проливах.

Волны цунами образуются при землетрясениях на морском дне. Японское происхождение названия не случайно – это страна особенно часто страдает от такого стихийного бедствия.

Когда прекращается действие ветра, сейсмических толчков и прочих сил, вызывающих волны, во внутренних морях и заливах по инерции возникают стоячие волны большого периода – сейши. Так, на Азовском море период таких волн может достигать 23 часов.

Наконец, существуют корабельные волны. Ведь проходящее по морю судно тоже вызывает возмущение водой среды, а значит – и образование волн.