В наши дни волны изучаются с помощью сложных и очень точных приборов, действующих автоматически и выдающих информацию в виде столбцов готовых цифровых данных.
Проще всего измерять волны вблизи берега на мелком месте. Для этого достаточно воткнуть в дно футшток. Имея в руках хронометр и записную книжку, легко узнать высоту волны и время между подходом двух волн. При помощи нескольких таких мерных линеек можно определить также длину волны и, таким образом, вычислить ее скорость. В открытом море дело значительно осложняется. Для этой цели приходится устраивать сложное сооружение, состоящее из большого поплавка, который затапливают на некоторую глубину и укрепляют на длинном тросе с помощью мертвого якоря. Затопленный поплавок служит местом прикрепления все той же мерной линейки. Показания такой установки не отличаются высокой точностью, кроме того, она имеет еще один существенный недостаток: наблюдатель все время должен находиться вблизи от футштока, тогда как волны и ветер стремятся отнести его корабль в сторону. Во времена парусного флота держать судно на одном месте практически было невозможно, и потому высоту волн измеряли на ходу. С этой целью в мерную линейку превращали мачту одного из двух участвовавших в измерениях кораблей, которые на небольшом расстоянии следовали друг за другом. Наблюдатель, стоя на корме переднего корабля, следил, как гребень закрывает от него мачту второго судна, и таким образом оценивал высоту волны.
Волнение 5 баллов.
В начале этого века измерение высоты волн начали производить с помощью очень чувствительного барометра (альтиметра). Этот прибор точно регистрирует подъем и опускание судна на волнах, но он, к сожалению, ощущает также и всякие помехи, в частности перепады барометрического давления, которые быстро наступают и неоднократно повторяются при сильном ветре.
Гораздо точнее реагируют на волнение манометры, лежащие на дне. При прохождении волны давление над прибором меняется, а сигналы по проводам поступают на сушу или регистрируются прямо на дне самописцем. Правда, таким способом можно измерять высоту волн только на мелководье, где глубина сравнима с высотой волн. На больших глубинах в соответствии с законом Паскаля давление выравнивается и с увеличением глубины все меньше зависит от высоты волн.
Очень точные и разнообразные данные о волнах получаются в результате обработки стереоскопических фотоснимков поверхности океана. Для этого две синхронно работающие фотокамеры помещают на разных мачтах одного судна, на концах крыльев низко летящего над морем самолета или даже на двух самолетах, идущих параллельным курсом. Путем фотограммометрической обработки снимков восстанавливают рельеф моря в момент фотографирования. Получается как бы картина застывших волн. На этом парадоксальном макете волнующегося, но неподвижного моря производят любые нужные измерения.
Главная сила, вызывающая волнения, — это ветер. В тихую погоду, особенно по утрам, поверхность моря кажется зеркальной. Но стоит подняться хотя бы самому слабому ветру, как за счет трения воздуха о поверхность воды в нем возникают завихрения. В результате образования вихрей над гладкой водной поверхностью давление становится неравномерным, что приводит к ее искажению — появляется рябь. За вершинами ряби процесс вихреобразования усиливается, и в конце концов это приводит к образованию волн, распространяющихся в направлении ветра.
Слабый ветер вызывает возмущение лишь тончайшего слоя воды; волновой процесс при этом определяется поверхностным натяжением. При усилении ветра, когда длина волнышек достигает примерно 17 миллиметров, сопротивление поверхностного натяжения оказывается преодоленным и волны становятся гравитационными. В этом случае ветру приходится вести борьбу с действием силы тяжести. Если ветер переходит в шторм, волны достигают гигантских размеров.
Еще долго, после того как ветер уляжется, море продолжает волноваться, образуя зыбь. В зыбь также превращаются ветровые волны, когда они выходят за пределы области, где свирепствует ураган. Низкие и длинные волны зыби незаметны в открытом море. Подойдя к отмели, они делаются выше и короче, образуя у берега мощный прибой. На обширной акватории океана то там, то здесь всегда бушует буря. Волны зыби разбегаются от нее во все стороны на огромное расстояние, и потому у океанских берегов накат никогда не прекращается.
При обтекании волновой поверхности потоками воздуха возникают инфразвуки, которые академик В. Шулейкин назвал «голосом моря». Инфразвуки, зарождаясь над волнами в результате срыва вихрей с гребней волн, распространяются в воздухе со скоростью звука, то есть быстрее волн. Из-за низкой частоты «голос моря» слабо поглощается атмосферой и на большом расстоянии может быть уловлен специальными приборами. Эти инфразвуковые сигналы служат предупреждением о приближающемся шторме.
Высота волн в открытом море может достигать значительной величины, и зависит она, как это было уже сказано, от скорости ветра. Самая высокая волна, которую удалось измерить в Атлантическом океане, оказалась равной 18,3 метра.
В 1956 году в юго-западной части Тихого океана на советском судне «Обь», совершающем регулярные научные рейсы в Антарктику, также были зарегистрированы волны высотой 18 метров. В тайфунах Тихого океана отмечены грандиозные волны тридцатиметровой высоты.
Человеку, стоящему на палубе судна в бушующем море, волны кажутся очень крутыми, нависающими подобно стенам. На самом деле они пологие. Обычно длина волны в 30–40 раз больше ее высоты, лишь в редких случаях соотношение высоты волны к ее длине равно 1:10. Таким образом, наибольшая крутизна волн в открытом море не бывает больше 18 градусов.
Длина штормовых волн не превышает 250 метров. В соответствии с этим скорость их распространения достигает 60 километров в час. Волны зыби, как более длинные (до 800 метров и более), катятся со скоростью около 100 километров в час, а иногда и еще быстрее.
Нужно иметь в виду, что с этой гигантской скоростью перемещается не водная масса, образующая волну, а лишь ее форма, более строго — энергия волны. Частица воды в волнующемся море совершает не поступательные, а колебательные движения. Причем колеблется она одновременно в двух направлениях. В вертикальной плоскости ее колебания объясняются различием в уровнях между гребнем волны и ее подошвой. Они возникают под воздействием гравитационных сил. Но так как при опускании гребня до уровня подошвы вода отжимается в стороны, а при его вздымании возвращается на прежнее место, то частица воды невольно совершает колебательные движения также и в горизонтальной плоскости. Сочетание того и другого движений приводит к тому, что фактически частицы воды движутся по круговым орбитам, диаметр которых у поверхности равен высоте волны. Точнее, они описывают спирали, поскольку под воздействием ветра вода получает также и поступательное движение, благодаря которому, как было сказано, возникают морские течения.
Только скорость движения частиц по орбитам значительно превышает скорость перемещения центров этих орбит в направлении ветра.
Колебательные движения частиц воды быстро убывают с глубиной.
Когда высота волны равна 5 метрам (средняя высота волн при шторме), а длина 100 метрам, то уже на глубине 12 метров диаметр волновой орбиты водных частиц равен 2,5 метра, а на глубине 100 метров — всего 2 сантиметра.
Короткие крутые волны меньше возмущают глубинные воды, чем волны длинные и пологие. Чем длиннее волна, тем глубже ощущается ее движение. Иногда рыбаки, ставившие свои ловушки для омаров в Ла-Манше на глубине 50–60 метров, после шторма находили в них полукилограммовые камни. Ясно, что это не были шутки омаров: камни в ловушку закатывают глубинные волны. На некоторых подводных фотографиях дна вплоть до глубины 180 метров можно видеть песчаную рябь, образовавшуюся в результате колебательных движений придонных слоев воды. Значит, и на такой глубине еще ощущается волнение поверхности океана.
Под влиянием ветра в поверхностных слоях моря накапливается огромное количество энергии, которая пока никак не утилизируется. Штормовые волны высотой 5 метров и длиной 100 метров на каждом метре своего гребня развивают мощность свыше трех тысяч киловатт, а энергия квадратного километра бушующего моря измеряется миллиардами киловатт в секунду. Если будет найден способ использования энергии волнового движения океана, человечество навсегда избавится от угрозы энергетического кризиса. А пока эта грозная сила приносит людям одни неприятности. Речь идет совсем не о таких пустяках, как морская болезнь, хотя многие испытавшие ее не разделяют это мнение. Штормовые волны, даже очень пологие, представляют собой грозную опасность для современных океанских судов, крен которых во время качки достигает такой величины, что судно может перевернуться.