Почему образуются волны. Как образуются волны? Волна морская и океаническая

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.

Волнение представляет собой такую форму периодического непрерывно меняющегося движения, при котором частицы воды совершают колебания около своего положения равновесия.

Если из-за какой-либо причины частицы воды будут выведе­ны из положения равновесия, то под влиянием силы тяжести они будут стремиться восстановить нарушенное равновесие. Приэтом каждая водная частица будет совершать колебательное движение относительно положения равновесия, не перемещаясь вместе с видимой формой движения волн.

Волны могут возникать под действием разных причин (сил). В зависимости от происхождения, т. е. от вызвавших нх причин, различают следующие виды морских волн.

1. Волны трения (илн фрикционные). К этим волнам принадлежат в первую очередь ветровые, возникающие при дей­ствии ветра на поверхность моря. К ним относятся также так называемые внутренние, или глубинные, волны, которые возни­кают на глубинах при перемещении слоя воды одной плотности над слоем вочы другой плотности.

Исследованиями установлено, что если над жидкостью одной плотности движется другая жидкость, имеющая иную плотность, то на поверхности, разделяющем обе жидкости, образуются вол­ны. Размер этих волн зависит от разности скоростей движения жидкостей по отношению друг друга и разности плотности двух сред. Это относится и к случаю движения воздуха над водой. Вот почему волны возникают и па глубинах океана, и в высоких слоях атмосферы, если там существует подобное движение двух разных по плотности водных или воздушных масс.

1. Барические волны возникают при колебаниях ат­мосферного давления. Колебания атмосферного давления вызы­вают поднятия и опускания водных масс, при которых частицы воды стремятся занять новые положения равновесия, но, до­стигнув их, совершают по инерции колебательные движения.


2. Приливо-отливные волны возникают под влия­нием явления приливов и отливов.


3. Сейсмические волны образуются при землетрясе­ниях и вулканических извержениях. Если очаг землетрясения расположен под водой или же поблизости от берега, то колеба­ния передаются водным массам, вызывая в них сейсмические волны, которые называются еще цунами.


4. Сейши. В морях, озерах, водохранилищах, кроме коле­бания водных частиц в виде поступательных волн, нередко наб­людаются периодические колебания частиц воды только в вер­тикальном направлении. Такие волны называются сейшами. При сейшах происходят колебания, похожие по своему характеру на колебания, в периодически покачиваемом сосуде. Самый простой вид сейш возникает, когда уровень воды поднимается у одного края водоема и одновременно опускается у другого. При этом по середине водоема наблюдается линия, вдоль которой частицы воды не имеют вертикальных перемещений, а движутся горизон­тально. Эта линия называется узлом сейша. Более сложные сей­ши бывают двухузловымн, трехузловыми и т. д.

Сейши могут возникать в результате различных причин. Ве­тер, дующий над морем некоторое время в одном и том же на­правлении, производит нагон воды у подветренного берега. С прекращением ветра сейчас же начинаются колебания уровня сейшового характера. Это же явление может возникать под влия­нием разности атмосферного давления в различных местах вод­ного бассейна. Сеншевые колебания уровня моря мот созда­ваться сейсмическими колебаниями в очень небольших бассей­нах (в гавани, в ковше и т. п.) сейши могут возникать при про­хождении судов.

Многие природные явления человек воспринимает как сами собой разумеющиеся. Мы привыкли к лету, осени, зиме, дождю, снегу, волнам и не задумываемся о причинах. И все же, почему в море образуются волны? Почему на водной глади появляется рябь даже в полный штиль?

Происхождение

Есть несколько теорий, объясняющих возникновение морских и океанических волн. Они образуются из-за:

• перепадов атмосферного давления;
• приливов и отливов;
• подводных землетрясений и вулканических извержений;
• движения судов;
• сильного ветра.

Чтобы понять механизм образования, нужно вспомнить, что вода волнуется и колеблется вынужденно – в результате физического воздействия. Галька, лодка, рука, коснувшаяся ее, приводят жидкую массу в движение, создавая колебания разной силы.

Характеристики

Волны – это тоже движение воды по поверхности водоема. Они являются результатом сцепления частиц воздуха и жидкости. Поначалу водно-воздушный симбиоз вызывает рябь на поверхности воды, а затем заставляет двигаться водные толщи.

Размер, длина и сила меняются, в зависимости от силы ветра. Во время шторма мощные столпы поднимаются на 8 метров и растягиваются в длину почти на четверть километра.

Иногда сила настолько разрушительная, что обрушивается на прибрежную полосу, вырывает с корнем зонты, душевые и другие пляжные постройки, сносит все на своем пути. И это при том, что формируются колебания за несколько тысяч километров от берега.

Все волны можно разделить на 2 категории:

• ветровые;
• стоячие.

Ветровые

Ветровые, как следует из названия, образуются под воздействием ветра. Его порывы проносятся по касательной, нагнетая воду и вынуждая ее двигаться. Ветер подталкивает жидкую массу вперед перед собой, но сила тяжести тормозит процесс, толкая ее обратно. Движения на поверхности, возникающие в результате влияния двух сил, напоминают подъемы и спуски. Их пики называются гребнями, а основания – подошвами.

Выяснив, почему образуются на море волны, открытым остался вопрос о том, почему они совершают колебательные движения вверх и вниз? Объяснение простое – непостоянство ветра. Он то стремительно и порывисто налетает, то стихает. Высота гребня, периодичность колебаний напрямую зависят от его силы и мощности. Если скорость перемещения и сила воздушных потоков превышают показатели нормы, поднимается шторм. Еще одна причина – возобновляемая энергия.

Возобновляемая энергия

Иногда на море полный штиль, а волны образуются. Почему? Океанографы и географы объясняют это явление возобновляемой энергией. Водные колебания являются ее источником и способы сохранять потенциал длительное время.

В жизни это выглядит примерно так. Ветер создает определенное количество колебаний в водоеме. Энергии этих колебаний хватит на несколько часов. За это время жидкие образования преодолевают расстояние в десятки километров и «швартуются» в районах, где солнечно, нет ветра, и водоем спокоен.

Стоячие

Стоячие или одиночные волны возникают вследствие толчков на океаническом дне, характерном для землетрясений, извержений вулканов, а также из-за резкого изменения атмосферного давления.

Это явление называется сейши, что переводится с французского языка как «раскачиваться». Сейши характерно для бухт, заливов и некоторых морей, представляет опасность для пляжей, сооружений в прибрежной полосе, пришвартованных у причала кораблей и людей, находящихся на борту.

Конструктивные и деструктивные

Образования, преодолевающие большие расстояния и при этом не меняющие форму и не утрачивающие энергию, ударяются об берег и разбиваются. При этом каждый накат по-разному влияет на прибрежную полосу. Если он намывает берег, то классифицируется как конструктивный.

Деструктивный накат воды обрушивается своей мощью на побережье, разрушая его, постепенно смывая песок и гальку с пляжной полосы. В этом случае природное явление классифицируется как деструктивное.

Деструкция бывает разной разрушительной силы. Иногда она настолько мощная, что обрушивает склоны, раскалывает утесы, разделяет скалы. Со временем даже самые твердые скалы разрушаются. Крупнейший маяк Америки построили на мысе Гаттерас в 1870 году. С тех пор море продвинулось почти на 430 метров в глубину побережья, смыв прибрежную полосу и пляжи. Это лишь один из десятков фактов.

Цунами – разновидность деструктивных водных образований, характеризующихся большой разрушительной силой. Скорость их перемещения доходит до 1000 км/ч. Это выше, чем у реактивного самолета. На глубине высота гребня цунами небольшая, но возле берега они снижают скорость, зато наращивают высоту до 20 метров.

В 80% случаев цунами являются следствием подводных землетрясений, в оставшихся 20% — извержений вулканов и оползней. Вследствие землетрясений дно смещается по вертикали: одна его часть опускается, а вторая – параллельно поднимается. На поверхности водоема образуются колебания разной силы.

Аномальные убийцы

Они также известны как блуждающие, монстры, аномальные и больше характерны для океанов.

Еще 30-40 лет назад рассказы моряков об аномальных колебаниях воды считали небылицами, потому что в существовавшие научные теории и расчеты свидетельства очевидцев не укладывались. Высота 21 метр считалась предельной для океанических и морских колебаний.

Первые письменные упоминания о монстрах датированы 1826 годом. А в 1933 году корабль американских ВМС, попавший в затяжной шторм, столкнулся с гигантской волной. Экипаж чудом выжил – очевидцы подтвердили факт. Подобные случаи фиксировались и впоследствии.

1 января 1995 года, когда приборы, установленные на нефтяной платформе, впервые официально зафиксировали аномальный 25,6-метровый водный столп, ученые занялись исследованием явления. За последующие 3 недели исследования произошло еще 10 аналогичных явлений в разных уголках планеты.

Причины образования экстремальных волн до конца не изучены, существуют на уровне гипотез. Одна из теорий объясняет явление эффектами нелинейности, вследствие которых образуются небольшие группы волн и преодолевают большие расстояния, не меняя первоначальной структуры.

Проще говоря, под воздействием внутренних факторов образовалась 20-метровая водная глыба и отправилась за десятки километров, не меняя первоначальной формы. Но, опять же, это одна из теорий. Подтвержденного фактами объяснения пока нет, зато факт явления уже научно подтвержден и не оспаривается.

Почему волны на море?

5 (100%) 1 проголосовавших

Очерк Я. ЛЕСНОГО

Если бы мы могли оседлать Уэльсовскую «машину времени», умчаться на ней в туманную даль прошедшего и оттуда взглянуть на наш земной шар, – мы не узнали бы его. Миллионы лет тому назад материки не только имели совсем иные очертания, но и сама поверхность этих материков имела совершенно иной вид: иные, чуждые нам ландшафты покрывали их, произрастали иные растения и водились иные животные. Человека с его городами, распаханными полями и дорогами – тогда еще не было... Лишь одно оставалось неизменным во все геологические периоды: это вид морского простора. Миллионы лет тому назад по нему перекатывались те же волны, которые бороздят его и теперь. Вид волнующейся водной поверхности – это самый древний ландшафт, какой мы знаем на земле. Да и в наши дни он самый распространенный: ведь, две трети всей поверхности нашей планеты покрыты водой!

Но можно ли сказать, что этот древнейший и распространеннейший ландшафт знаком нам лучше всех других? Едва ли. Нас невольно влечет к себе суровая красота бурного моря, она вдохновляет поэтов и художников, – но все же о морских волнах нам известно не много. Даже самый род этого волнообразного движения большинство людей представляет себе совершенно неправильно.

В самом деле, – большинство людей думает, что волны как бы скользят по поверхности моря, движутся по ней, как вода в речном ложе. Но это неверно: в волнующемся море перемещается только форма движения, сами же волны колеблются лишь вверх и вниз. Случалось ли вам видеть, как неспокойное море движет щепку, лодку или вообще какой-нибудь плавающий предмет? Обратите внимание, что быстро бегущие волны вовсе не увлекают с собой этот предмет, а лишь мерно качают его вверх и вниз. Море волнуется совершенно так же, как «волнуется желтеющая нива»: колосья не изменяют своего места на поле, каждый колос лишь немного откачивается вперед, чтобы затем снова стать прямо, – а между тем вы видите, как по полю бегут одна за другой волны. Это бежит форма движения, а не сами колосья.

Пословица «мирская молва – что морская волна» удивительно наглядно иллюстрирует этот своеобразный род движения. Чтобы какая-нибудь весть разнеслась по всему городу, не нужно, чтобы люди сами перебегали из одного конца города в другой: молва передается из уст в уста.

Этим морские волны отличаются от тех песчаных волн, которыми ветер бороздит пустыни и прибрежные местности: здесь волнообразные холмы песка реально, сами по себе, перемещаются, а не движется лишь форма их, как на море.

Вот почему волны моря бегут с такой огромной быстротой, обгоняя часто наши «скорые» поезда: скорость волн в 5...6 сажен в секунду, или 40 верст в час – не редкость. Если бы перемещалась не форма движения, а сами водные массы, такая скорость была бы невозможна.

Но мы еще ничего не сказали о той причине, которая порождает волны. Этой причиной, как известно, является ветер, т.е. течение воздуха. Ударяя по воде, ток воздуха изгибает ее поверхность; образуется углубление, – но в следующий момент опустившиеся частицы воды с силой выталкиваются вверх, так что на месте углубления образуется возвышение. Это возвышение, опускаясь под действием тяжести вниз, вновь заменяется долиной, и т.д. Каждая частица воды в волнующемся море движется только вверх и вниз, – но волнение, начавшись в одной точке, передается соседним частицам, распространяется все далее и далее, захватывая огромный район. Движение волнующегося поля довольно хорошо иллюстрирует это явление.

Но ветер – не единственная причина волнения моря. Другая, более редкая причина, это землетрясения, происходящие близ берегов. Такие волны не высоки, но очень длинны и распространяются с необыкновенной быстротой, иногда свыше 600 верст в час! Но подобного рода волны наблюдаются гораздо реже, чем волны, происходящие от ветра. В дальнейшем мы будем иметь в виду преимущественно эти последние.

Как велики волны? Нам часто приходится слышать о колоссальных размерах морских волн, о водяных горах, высотою с многоэтажный дом. Точные измерения разрушили эту легенду о неимоверной высоте волн, и любопытно, что чем точнее были измерения, тем волны оказывались ниже. В открытом море волны редко достигают более 6-ти сажен высоты; это предельная высота, обычно же волны не бывают выше 3 сажен, так что 5-ти-саженную волну нужно уже рассматривать, как исключение.

Но если так, то откуда же, – спросит читатель – пошли эти рассказы о гороподобных морских волнах, рассказы, которые приходится слышать подчас от самых добросовестных очевидцев? Здесь дело кроется в любопытной иллюзии зрения. Волны в открытом море приходится наблюдать, конечно, с палубы кораблей, которая во время волнения не остается горизонтальной, а нагибается во все стороны. Когда палуба, при килевой качке, наклоняет пассажира к морю, он видит перед собой водяные громады волн – и невольно переоценивает их высоту, так как считает ее не от горизонтальной поверхности, а от наклонной палубы. Другими словами, пассажир мысленно измеряет не вертикальное поднятие волны, а длину ее склона. Вследствие этого оптического обмана, который, конечно, не сознается пассажиром, волны и представляются ему такими громадными.

Интересно отметить, что высота волн далеко не одинакова во всех морях. Чем глубже море, чем обширнее его поверхность, чем меньше на нем островов и мелей, мешающих беспрепятственному движению водных масс и ветра – тем волны больше. При этом некоторое значение имеет и соленость воды, – вернее, ее плотность. Соленая вода тяжелее пресной и менее поддается усилиям ветра, чем пресная; оттого-то чем соленее вода, тем волны ниже. Вот почему, при равных площадях, озера бывают более бурны, чем морские бухты, отделенные от моря скалами и песчаными банками. Но если площади водяных бассейнов не равны, то, как мы уже упоминали, волны их будут неодинаковы. На нашем Каспийском море волны гораздо мельче, чем в обширном Средиземном море, а в этом последнем они опять-таки значительно мельче, чем в Атлантическом океане. В свою очередь атлантические волны никогда не достигают тех размеров, которые устрашают плавателей Антарктического океана, свободно раскинувшегося на огромном пространстве южного полушария.

До сих пор мы говорили о высоте волн и еще ничего не сказали об их длине, т.е. о расстоянии между гребнями (или между долинами) двух соседних волн. Чем выше волны, тем больше их ширина, и существует довольно простое соотношение между этими двумя величинами; а именно – ширина примерно в 30...40 раз более высоты. Волны трехсаженной высоты достигают 100 сажен в длину, а 5...6 саженные, т.е. самые высокие волны, могут достигать в длину до полуверсты.

Нас может интересовать здесь еще один вопрос: как глубоко под воду распространяется волнение? Это не праздный вопрос, – он имеет важное практическое значение для подводного плавания, при прокладке морских кабелей и т.п. Еще недавно принималось, что глубина распространения волнения равна 300-кратной высоте волн. Отсюда следует, например, что когда на поверхности моря ходят волны в 3 сажени, то отголоски этого волнения ощущаются еще на глубине 3х300 = 900 сажен, т.е. почти двух верст. В настоящее время сомневаются, что волнение могло бы простираться на такую глубину. Прямыми измерениями установлено, впрочем, что на глубине 100 сажен оно еще ощущается, так что безмятежное плавание Жюль-Верновского «Наутилуса» неглубоко под уровнем бурного моря принадлежит к области фантазии.

Многие даже не подозревают о том громадном значении, какое имеет в природе волнение моря. Для человека, вверяющего морю свои корабли, волнение – явление нежелательное: мы много бы дали, чтобы беспредельный простор океана был всегда покоен и недвижим. Но совсем иначе относятся к этому те многочисленные живые существа, которые живут в его бездонных глубинах. Волнение увеличивает поверхность соприкосновения воды с воздухом, и тем способствует проникновению в толщи водных масс кислорода, без которого невозможна жизнь. Вот какую важную роль играет волнение в экономии природы! Ломая и погребая наши корабли, бури вносят живительный эликсир в беспредельный подводный мир.

Впрочем, недалеко уже время, когда и человек будет извлекать пользу из морских волн, оденет на них ярмо и заставит приводить в движение свои механизмы.

Рис. 1.

Казалось бы странным говорить о порабощении морских волн человеком, – однако, уже и теперь сооружаются механизмы, приводимые в движение ничем иным, как волнением моря. Для примера мы опишем здесь недавно изобретенную машину американского инженера Рансома. Цель машины – использовать энергию морских волн для сгущения воздуха, которым, как известно, можно приводить в движение всевозможные механизмы. Устройство машины Рансома не сложно. Через блок A перекинута веревка, к которой привешены пустая железная коробка B и груз C . Волна, поднимая плавучую коробку В , тем самым вращает блок A и соединенное с ним зубчатое колесо. Это последнее движет поршни цилиндров D . Когда волна спадает, с ней вместе опускается также коробка B , и зубчатое колесо движется в обратном направлении. Механизм устроен так, что при всяком движении зубчатого колеса поршни в цилиндрах движутся попеременно вперед или назад, все время нагнетая воздух в цилиндры D . Сжатый воздух поступает по трубке E в резервуар F , где и накапливается. Таким образом, в резервуаре всегда имеется даровой источник энергии в форме сжатого воздуха; остается только пустить его в дело.

Существуют и другие типы таких даровых двигателей; пока они не имеют еще практического значения, но в недалеком будущем промышленное использование энергии волн будет, несомненно, поставлено на более широкую ногу. И тогда человек не только покорит море, но и сделает его мятежные волны своими послушными рабами.

Источник информации:

«Природа и Люди».
Иллюстрированный журнал науки, искусства и литературы. 1912, №2

Сам ветер можно увидеть на картах прогноза погоды: это зоны низкого давления. Чем больше их концентрация, тем сильнее будет ветер. Малые (капиллярные) волны изначально движутся в направлении, в котором дует ветер.

Чем сильнее и дольше дует ветер, тем больше его воздействие на поверхность воды. Со временем волны начинают увеличиваться в размере.

Ветер оказывает на малые волны большее воздействие, чем на спокойную поверхность воды.

Размер волны зависит от скорости ветра, который ее образует. Ветер, дующий с какой-то постоянной скоростью, сможет генерировать волну сопоставимых размеров. И как только волна приобретает размеры, которые может заложить в нее ветер, она становится «полностью сформированной.»

Генерируемые волны имеют различные скорости и периоды волны. (Более подробно в статье ) Волны с большим периодом двигаются быстрее и преодолевают большие расстояния, чем их более медленные собратья. По мере отдаления от источника ветра (распространения) волны образуют линии свеллов, которые неизбежно накатывают на берег. Скорее всего, Вы знакомы с понятием сет волн!

Волны на которые больше не влияет ветер называются донными волнами (ground swell)? Это именно то, за чем охотятся серферы!

Что влияет на размер свелла?

Есть три основных фактора, влияющие на размер волн в открытом море.
Скорость ветра – Чем она больше, тем крупнее будет волна.
Продолжительность ветра – аналогично предыдущему.
Fetch (область покрытия ветром) – опять же чем больше область покрытия, тем крупнее волна образуется.

Как только воздействие ветра на них прекращается, волны начинают терять свою энергию. Они буду двигаться до того момента, как выступы морского дна либо другие препятствия на их пути (крупный остров к примеру) не поглотят всю энергию.

Существует несколько факторов, влияющих на размер волны в конкретном месте. Среди них:

Направление свелла – позволит ли оно попасть свеллу в нужное нам место?
Океанское дно – Свелл, движущийся из глубины океана на подводную гряду скал, образует крупные волны с бочками внутри. Неглубокий выступ напротив – замедлит волны и заставит их утратить энергию.
Приливный цикл – некоторые виды спорта полностью от него зависят.

Узнайте, как появляются лучшие волны.