11. Чтение волн
ОСТАЛОСЬ НЕСКОЛЬКО зафиксированных случаев, когда навигаторы с островов Тихого океана находили дорогу при пасмурном небе, часто ночью, просто по ощущению волн океана под лодкой. В одном случае, как сообщается, навигатор полагался не столько на чутье, сколько на ощущение движения океана в своих яичках. Водные волны очень сильно различаются по размеру: от ряби, которая настолько мала, что мы ее не видим, до волн, проходящих за двенадцать часов и имеющих расстояние от гребня до гребня 12 000 миль. Все волны объединяет то, что они переносят энергию из одного места в другое. Теоретически эта энергия может поступать откуда угодно, но в океанах есть только три основных источника: Луна, землетрясения и ветер. Луна создает приливы и отливы, которым посвящена отдельная глава, а землетрясения могут создавать мощные волны, цунами, к которым мы вернемся в главе "Редкие и необычные", поэтому здесь мы сосредоточимся на самом распространенном: ветровых волнах. Ветер проходит над водой, передает часть своей энергии воде, эта энергия движется в определенном направлении, и это видно как волна.
Эта идея о том, что волны переносят энергию из одного места в другое, очень важна, потому что очень соблазнительно думать о волнах как о воде, движущейся горизонтально, но это не то, что происходит. Подумайте о встряхивании простыни. Очень заметная волна берет много энергии от одного конца к другому, поскольку она перемещается от силы, которая дает ей энергию, в данном случае от одной пары рук, к другому месту, в данном случае к хлещущему звуку на другом конце простыни. Но сам лист не перемещается по горизонтали, а только вверх и вниз. Наблюдайте за волнами на море, и ваши глаза будут стремиться следовать за отдельной волной по мере ее движения, создавая впечатление, что вода движется вместе с ней, но сосредоточьтесь на чем-нибудь плавающем на поверхности, например, на водорослях, куске дерева или птице, и вы увидите, как они остаются на том же месте, поскольку энергия волны перемещает их вверх и вниз, но не вдоль.
Если вы будете наблюдать очень внимательно, вы можете заметить, что хотя объект возвращается почти точно в то место, откуда он стартовал, он все же совершает очень небольшое орбитальное путешествие. Когда приходит волна, она сначала засасывает объект обратно к себе, затем поднимает его, затем толкает вперед, а затем снова опускает, немного похоже на то, как волна поворачивает ручку. И если уж быть совсем придирчивым, то движение в верхней части волны немного быстрее, чем в нижней, поэтому объект будет немного смещаться в направлении движения волны, но настолько незначительно, что это часто едва заметно.
Итак, основы просты. Ветер придает воде энергию, и эта энергия перемещается в виде видимой волны из одного места в другое. Но это оставляет много вопросов без ответа: Почему в спокойные дни иногда возникают огромные волны? Если вода в волне движется только вверх и вниз, то почему меня сбивает с ног? Если я пущу несколько волн по воде на пляже в Корнуолле, дойдут ли они до Нью-Йорка? Чтобы ответить на эти и многие другие вопросы, нам нужно гораздо лучше узнать волны на четырех этапах их жизни: рождение, жизнь в открытом океане, жизнь на мелководье и смерть.
Если мы считаем волны существами, то нам поможет знание их анатомии. У волн есть определенные идентифицируемые части и характеристики. Гребень - это самая высокая часть, впадина - самая низкая часть, а высота волны измеряется от гребня до впадины. Длина волны определяется как расстояние от одного гребня до другого, а период волны - это время, которое проходит в секундах от одного гребня до другого, измеряемое от фиксированной точки, мимо которой они проходят. Как только мы начинаем использовать такие термины, как длина волны и период, есть риск, что красота улетучится, или, как сказал океанолог Уиллард Баском, есть опасность, что изучение океана попадет в руки тех, кто никогда не видел моря. Но постарайтесь подружиться с этими терминами, ведь это всего лишь ярлыки, которые ускорят ваше умение читать волны. Период волн, вероятно, наименее знаком большинству, но наиболее полезен для распознавания различных типов волн. Подуйте в свой чай и попробуйте определить период этих волн - вам будет трудно, потому что он такой короткий, но попробовать стоит, просто чтобы продемонстрировать суть.
У таких маленьких пульсаций очень короткая длина волны, а это значит, что каждую секунду множество пульсаций ударяется о стенку чашки, а это значит, что их период очень мал, гораздо меньше секунды. Если вы создадите волну, движущуюся от одного конца ванны к другому и обратно, то у вас будет хороший шанс получить нечеткую оценку периода, возможно, секунду или две. Если вы стоите на пляже и чувствуете, как волны омывают ваши ноги, начните считать, когда одна волна пройдет мимо ваших ног, и остановитесь, когда их достигнет вторая. Сосчитайте шесть "слонов" (один слон, два слона и т.д.), и вы стоите в волнах с периодом в шесть секунд.
Теперь посмотрите на участок воды и найдите удобное место, чтобы наблюдать, как волны проходят мимо неподвижной точки, например, буйка в воде. В этой среде может быть множество различных причин возникновения волн - устойчивый бриз, внезапные порывы, шторм за тысячу миль, лодки в гавани и другие. Постарайтесь заметить, что каждая группа волн не только отличается друг от друга, но и имеет свои длины волн и периоды. Вы также можете заметить, что чем больше длина волны, тем быстрее она движется.
Следующее, на что следует обратить внимание, - это то, что, когда волна проходит большое расстояние, она теряет высоту и становится более гладкой и мягкой. Этот эффект можно легко продемонстрировать на пруду. Если в центре пруда есть возмущение, то рябь будет распространяться от центра. Обратите внимание, что у краев пруда она менее высокая, чем в центре. Окружность волны сразу после падения камешка в воду будет очень маленькой, скажем, пять ярдов, но через несколько секунд, когда она достигнет краев пруда, та же волна распространится по окружности, возможно, на пятьдесят ярдов; та же энергия распространилась по круговой волне, которая теперь в десять раз больше. Энергия рассеивается, и это приводит к тому, что волна становится менее высокой.
РОЖДЕНИЕ
Если ветерок дует над спокойным участком воды, поверхность становится взволнованной. Если ветерок снова стихает, то рябь быстро исчезает, и поверхность воды возвращается к спокойствию. Однако если мы смотрим на море с пляжа, наблюдая за волнами, накатывающими с бризом, а затем ветер стихает, волны продолжаются, и спокойствие не возвращается на поверхность моря мгновенно, как это было с рябью. Даже спустя час может показаться, что размер или характер приближающихся волн не изменился. Причина разницы между этими двумя ситуациями имеет решающее значение для понимания морских волн.
Лучше всего думать о волнах как об одном из трех типов: рябь, волны или шквал. При благоприятном стечении обстоятельств рябь перерастает в волны, которые могут стать волнами. Но подавляющее большинство волн угасает задолго до того, как они достигнут второй или третьей стадии. Это похоже на семена, саженцы и могучие деревья: многие из них начинают жизнь, но лишь немногие живут долгое время.
Понаблюдайте за любым водоемом со спокойной водой в день, когда иногда дует ветерок, и вы увидите прекрасный пример того, как недолговечно большинство ряби. При порыве ветра на поверхности воды образуется рябь, но через несколько секунд она исчезает, и вода снова становится спокойной. Это очень распространенный эффект, и у него есть свое прозвище - "кошачьи лапы", поскольку он выглядит так, будто ветер бьет лапами по поверхности воды. В первой главе мы видели, как вода удерживается вместе за счет связи между молекулами и как это создает поверхностное натяжение, достаточно сильное, чтобы поддерживать насекомых. Поверхностное натяжение тянет эти волны вниз, сглаживая их, как только они появились. Всякий раз, когда мы видим рябь на поверхности воды, мы наблюдаем борьбу между поверхностным натяжением и бризом; натяжение никогда не прекращается, а это значит, что как только бриз утихнет, натяжение полностью расплющит рябь и снова сделает поверхность воды гладкой.
Вот почему рябь является свидетельством того, что происходит в данный момент; кошачьи лапы ничего не говорят об условиях даже минуту назад, только в эту секунду. Эта рябь также известна как "капиллярные волны".
На небольших парусных швертботах "кошачьи лапы" жизненно важны для понимания внезапных локальных изменений ветра; часто другого пути нет. Если вы плаваете на таких лодках или внимательно слушаете тех, кто плавает, вы услышите такие призывы, как "Gust on!", когда один из членов команды сообщает рулевому, что он заметил "кошачью лапу" и что порыв вот-вот ударит по лодке. В гонках это может быть возможностью воспользоваться внезапным приливом энергии, но на всех малых судах эти "кошачьи лапы" действуют как предчувствие, предотвращая неприятные сюрпризы, которые могут раскачать или опрокинуть маленькую лодку. У побережья на воде образуется интересный рисунок, который докажет, что перед вами рябь, а не волны. При легком, достаточно устойчивом бризе любой большой водоем будет покрыт мелкой рябью. Но поскольку эта рябь поддерживается только за счет поверхностного натяжения, все, что гасит это натяжение, погасит рябь и вернет воде гладкость.
В большинстве прибрежных вод (и больших озер) есть участки, где поверхность воды покрыта очень тонким слоем нефти. Иногда это результат загрязнения - достаточно мельчайшей капли масла из лодочного мотора, чтобы покрыть заметную площадь, - но часто это происходит естественным образом, в результате выделения органических масел животными и водорослями (на самом деле есть некоторые доказательства того, что органические масла успокаивают рябь гораздо эффективнее, чем промышленно обработанные масла). Эти масляные слои действительно очень тонкие, иногда толщиной всего в одну-две молекулы, и не свидетельствуют о серьезном происшествии. Но они удивительно эффективно гасят рябь, вот почему в эти дни, когда дует легкий ветерок, можно увидеть участки спокойного стекла, перемежающиеся с рябью.
Любая нефть, растекающаяся по покрытой рябью воде, будет хорошо видна в виде ряда более светлых участков. Причина, по которой вода с нефтью выглядит светлее, чем окружающая вода, заключается в том, что рябь сглажена, а это значит, что отражается больше неба.
Бриз часто загоняет масло и, следовательно, эти стеклянные участки в длинные "сликовые линии", которые тянутся довольно далеко. Но этот эффект наблюдается только среди ряби, поскольку, как только ветер усиливается и рябь становится волнами, гашение поверхностного натяжения маслом больше не успокаивает воду полностью, и все стеклянные участки исчезают.
Гладкие линии.
Волнообразные узоры и ловкие линии в оживленной гавани.
Поскольку все, что нужно для того, чтобы рябь утихла, - это стихание ветра, удивительно, что вообще рождаются большие волны. Чтобы рябь превратилась в волны, нужен постоянный ветер, в идеале дующий в одном направлении в течение определенного времени, обычно часа или более. Спокойная вода не оказывает особого сопротивления или трения ветру, настолько она гладкая, но как только появляется рябь, поверхность воды становится гораздо более шероховатой и легче ловит ветер. Поэтому, как только в ветреный день образуется рябь, возникает самоподдерживающийся цикл, потому что теперь ветру гораздо легче закрепиться на поверхности воды.
Если постоянный ветер дует на рябь достаточно долго, он заставляет рябь претерпевать небольшие метаморфозы. Они получают достаточно энергии от ветра, чтобы стать достаточно большими и сильными, чтобы разорвать связь поверхностного натяжения. Помните, что поверхностное натяжение воды действительно очень сильно в микроскопических масштабах; оно удерживает на плаву очень маленькие кусочки металла, но не является сильной силой в больших масштабах, поэтому мы не можем ходить по воде. Поэтому, когда волны обладают достаточной энергией, они перестают гаситься так, как гасится рябь. Они дожили до подросткового возраста и получили новое название - гравитационные волны, потому что их падением управляет уже не поверхностное натяжение, а гравитация. Главное, что теперь, когда волны вышли из подчинения поверхностному натяжению, их энергия будет распространяться гораздо дальше и гораздо дольше, прежде чем рассеяться. Колебания на ветру длятся секунды, когда ветер стихает, но волны на море могут длиться несколько часов при полном отсутствии ветра.
Если ветер очень сильный и дует достаточно долго, то волны накапливают достаточно энергии от ветра, чтобы достичь другой стадии зрелости и более высокого уровня энергии, который называется "прибой". Волнами лучше всего считать волны, которые обладают достаточной энергией, чтобы распространиться далеко за пределы места своего возникновения. Если ветер стихает, то рябь с трудом достигает дальнего берега пруда, волны без попутного ветра пройдут всего несколько миль, но волны swell пересекают огромные океаны - тысячи миль - это обычное явление. Ближе к источнику волны более крутые, но когда волна проходит большие расстояния, ее форма немного меняется, становясь чуть более плоской и менее крутой.
Существует разница в поведении и внешнем виде между прибоем и волнами, но это не научная точка отсчета. Здесь мы возвращаемся к периоду волн, потому что самое простое различие между тремя типами волн - капельками, волнами и набуханием - это время между прохождением каждого гребня. Период до одной секунды - это рябь, все, что ближе или больше десяти секунд - это волна, а все, что между ними - это волна.
Swell - это долгосрочная тенденция, один паттерн часто длится несколько дней подряд, и другие типы волн могут возникать поверх swell, ни в коей мере не уменьшая его. Нет ничего необычного в том, что волны на волнах на волнах, и даже теоретически возможно, что волна идет по океану в одну сторону, волны идут против нее, а рябь возникает совсем в другом направлении. Такая картина не может продолжаться долго, но она может возникать и возникает время от времени. Как только ваш глаз натренируется различать рябь и волны, вам будет легче распознать основную волну, поскольку вы сможете отфильтровать две другие.
Наша оценка этой тенденции наслоения также важна, потому что очень часто один волновой рисунок располагается поверх другого или даже нескольких. Волны не будут накладываться друг на друга в течение сколько-нибудь серьезного периода времени, поскольку они мешают друг другу, а ветер, который их гонит, довольно быстро аннулирует более ранние модели. Но волна - это совсем другое; она проходит сквозь и под всем остальным, включая другие волны, практически не затрагивая их, продолжая свой путь, даже когда на нее набегают волны шторма.
Вот где действительно пригодится опыт жителей тихоокеанских островов. Определить разницу между рябью, волнами и прибоем - это только начало, и для опытных мореплавателей это не является сложной задачей, но для них важно не просто определить, что они имеют дело с прибоем, а определить отдельный прибой. Для этого нужно определить его форму, период и ритм. У каждой волны есть свой характерный рисунок, сочетающий эти элементы, и иногда их легче определить, почувствовав движение, а не глядя на море. Это эффективный способ отфильтровать всю рябь и большинство мелких волн от движения. Полезной аналогией здесь может быть прислушивание к определенным звукам в оживленной комнате. Я часто замечал, как родители маленьких детей могут вести нормальный разговор в комнате, где одновременно кричат дети, гремят игрушки, звучит громкая музыка и звонит мобильный телефон.
Это возможно только благодаря избирательной настройке и фокусировке на тех звуковых волнах, которые наиболее актуальны в данный момент. Микронезийским и полинезийским мореплавателям удалось сделать это с помощью моделей прибоя, вычленяя значимые ритмы, когда многие с трудом могли бы разглядеть нечто большее, чем анархическое месиво на поверхности моря.
Характер ряби относительно прост, поскольку ее жизнь так коротка, но волны развиваются в зависимости от трех основных факторов: силы ветра, продолжительности времени, в течение которого он дует, и "фетча", то есть расстояния до открытой воды, над которой дует ветер. Каждый из этих параметров должен быть выше определенного минимума, чтобы образовались волны, а увеличение любого из них приведет к появлению больших волн.
Здесь важно отметить, что ветер никогда не создает идеально однородные волны; он создает семейства волн с похожими характеристиками, но среди них будут колебания. Именно поэтому в отчетах о высоте волн принято указывать среднее значение самой высокой третьей волны, а не самой высокой волны. Принято считать, что каждая седьмая волна будет больше остальных, но на самом деле все волны, скорее всего, будут очень похожи по размеру на остальные в этом наборе, но будут и аутсайдеры, волны-бунтари. Вероятность того, что волна будет немного больше или меньше, чем та, что за ней, довольно высока, но вероятность того, что она будет в два раза выше большинства волн, которые вы видите, очень мала, примерно 1 к 2000, согласно данным океанологов. Мы вернемся к настоящим выбросам, "волнам-изгоям", в главе "Редкие и необычные".
Все мы инстинктивно знаем, что в очень ветреный день следует ожидать бурного моря, поскольку скорость ветра - это наиболее известное влияние на высоту волн. Но теперь мы можем быть менее туманными в отношении этой взаимосвязи, благодаря разработкам, кульминацией которых стала работа контр-адмирала сэра Фрэнсиса Бофорта.
В начале девятнадцатого века Бофорт, ирландский морской офицер, должен был понять две важные вещи о моряках и морских условиях. Во-первых, моряки склонны к субъективизму и преувеличениям. От рыбацкого "один, который ушел" до моряцкого "волны размером с гору" - вокруг было и всегда будет много гиперболической чепухи. Во-вторых, и это не менее важно, он понял, что идеальная точность не является решением этой проблемы; моряки не любят точность почти так же, как они не любят бюрократию.
Шкала Бофорта | ||||
| Шкала ветра Бофорта | Средняя скорость ветра в узлах | Описание ветра | Вероятная высота волны в футах | состояние моря |
| 0 | 0 | Спокойствие | 0 | Glassy |
| 1 | 2 | Light air | 0.3 | Rippled |
| 2 | 5 | Light breeze | 0.7 | Гладкие всплески |
| 3 | 9 | Gentle breeze | 2.0 | Slight |
| 4 | 13 | Moderate breeze | 3.3 | Незначительный–Умеренный |
| 5 | 19 | Свежий бриз | 6.6 | Moderate |
| 6 | 24 | Strong breeze | 9.8 | Rough |
| 7 | 30 | Близкий шторм | 13.1 | Грубый–очень грубый |
| 8 | 37 | Gale | 18.0 | Very rough–High |
| 9 | 44 | Strong gale | 23.0 | High |
| 10 | 52 | Storm | 30.0 | Very high |
| 11 | 60 | Violent storm | 37.7 | Very high |
| 12 | 64+ | Hurricane | 46+ | Phenomenal |
Гениальность шкалы, которая была названа в честь Бофорта, хотя в ее создание внесли свой вклад другие до и после него, заключается в том, что она так хорошо вписывается в морской менталитет - она учитывает, что люди в море не измеряют вещи так, как это делают ученые; они чувствуют и ощущают вещи, скорее как поэты. Есть что-то метафизическое во времени в море - я знаю одного морского профессионала, который любит говорить: "Не существует такого понятия, как атеист-трансатлантический моряк". Я думаю, это помогает объяснить, почему шкала Бофорта одержала победу. В ней наука сочетается с чувственностью.
Шкала Бофорта работает так хорошо, потому что поведение воды и ветер имеют такую неразрывную связь. Шкала позволила морякам сообщать о состоянии ветра, глядя на море и решая, какой категории соответствуют условия. С годами использование шкалы эволюционировало и фактически было перевернуто с ног на голову - теперь она используется скорее как инструмент для прогнозирования состояния моря на основе прогнозов погоды, чем как инструмент для сообщения о силе ветра на основе морских наблюдений. Моряки и по сей день могут предсказать ожидаемые морские условия на основе прогнозируемой силы ветра, представленной в виде числа по шкале Бофорта.
Шкала Бофорта относится к условиям в открытом океане, и это важно из-за одного из двух других основных факторов в жизни создания волн - фетча. Одно из самых больших различий между начинающими яхтсменами и более опытными заключается в том, что на ранних этапах легко слишком много вчитываться только в прогнозируемый ветер. Если прогнозируется ветер силой 5 баллов, начинающий яхтсмен может подумать: "Я уже выходил в 6 баллов, и это было не так уж плохо, так что все будет в порядке". Более мудрый моряк подумает: откуда взялась эта 5? Ведь чем больше открытого океана, над которым дует ветер, тем больше размер волны. Сила 5, преодолевшая сотни миль непрерывной Атлантики, создает совершенно иное море, чем то, которое дует в открытом море, где между вами и ветром всего несколько сотен ярдов моря. Когда я слушаю "Прогноз судоходства", звук прогноза силы 7 баллов в таких местах, как Фарерские острова, заставляет меня дрожать гораздо сильнее, чем сила 9 баллов в Дувре, на юго-востоке Англии, не потому, что это дальше на север, а потому, что ветер дует над открытым, незащищенным морем.
Вы можете наблюдать этот эффект в небольших масштабах каждый раз, когда смотрите на озеро, когда ветер дует сзади. Обратите внимание на то, что вода вблизи ваших ног относительно спокойна, но вода вдалеке образует рябь, которая увеличивается в размерах и, если ветер достаточно сильный, а озеро достаточно большое, вдалеке появляются волны. И наоборот, если ветер дует в вашу сторону, у берега вблизи вас будут плескаться волны, а на дальнем берегу будет относительный штиль; это базовая карта эффекта "фетча".
Верно и то, что чем дольше дует ветер, тем больше энергии получают волны и тем больше они становятся. При достаточном времени скорость волн в открытом море будет близка к трем четвертям скорости постоянного ветра. Эти три фактора ветра вместе - сила, фетч и длина - определяют многое из того, что вы чувствуете на открытой воде. Они также помогают объяснить, почему мы замечаем определенные закономерности, например, меньшие волны ночью - есть поговорка "когда солнце садится, океан ложится", которая объясняется тем, что солнце является движущей силой ветров. Солнечная энергия заставляет воздух нагреваться и подниматься в одних районах больше, чем в других, особенно над сушей, что приводит к градиентам давления и температуры, которые и являются основной причиной наших ветров. Шторм порождает шквал, который быстро обгоняет сам шторм, поэтому следует ожидать появления большого шквала перед серьезной атмосферной депрессией и ее штормами. Шторм будет генерировать волны разного характера, которые затем распространятся перед штормом.
Волны с большим периодом и длиной волны будут двигаться быстрее всего и придут первыми, за ними последуют наборы с последовательно более короткими периодами и длинами волн. Это означает, что вы можете определить приближение шторма, засекая время по волнам; чем меньше время между каждым гребнем, тем ближе шторм. И наоборот, если вы видите на горизонте очень темное небо, но море остается относительно спокойным, очень маловероятно, что это не более чем локальная непогода, шквал, который быстро пройдет.
В эпоху до того, как спутники стали помогать синоптикам, поведение моря часто было лучшей системой раннего предупреждения о грядущей опасности. Жители островов традиционно знали, что вид большого моря в ясные дни не является хорошим предзнаменованием - обычно это признак того, что шквал обогнал породивший его шторм, но шторм не может быть далеко позади. 8 сентября 1900 года местные жители обратили внимание на необыкновенный шквал, обрушившийся на пляж в Галвестоне, штат Техас. На следующий день на них обрушился один из самых сильных ураганов в истории США, который унес жизни более 6 000 человек.
Серферы любят использовать эту логику наоборот. В наш электронный век новости о штормах распространяются быстро, и серферы знают, что нужно отправляться на берег, чтобы насладиться волнами, вызванными штормом, задолго до того, как потемнеет небо.
Учитывая ярость, которая порой бушует на поверхности моря, трудно представить, что под этой мокрой стихией все спокойно. Подводной лодке достаточно опуститься на глубину 150 ярдов под ураганом, чтобы достичь спокойного моря.
КОГДА ВОДА ВСТРЕЧАЕТСЯ С СУШЕЙ
Когда волны соприкасаются с береговой линией, они обычно совершают три действия. Волны отражаются, преломляются и дифрагируются. Мы впервые увидели некоторые из этих эффектов в Тихом океане в главе "Пруд", но теперь пришло время познакомиться с ними поближе, чтобы вы смогли распознать их практически в любом месте, где море встречается с сушей.
ОТРАЖЕННЫЕ ВОЛНЫ
Начнем с самого простого и знакомого большинству людей явления. Когда волны встречаются с препятствием, которое хоть сколько-нибудь близко к вертикали, эти волны отражаются, и чем круче поверхность, с которой они встречаются, и чем глубже вода, тем лучше они отражаются. В следующий раз, когда вы увидите, как волны набегают на вертикальный утес, посмотрите, как они отражаются, ведь это показатель того, что происходит под водой. Если под водой есть пологий шельф, то волны разобьются в какой-то точке перед обрывом и потеряют почти всю свою энергию до удара об обрыв, поэтому они не отражаются. Но если вода глубокая до самого вертикального обрыва, то волны будут отражаться обратно почти со всей своей энергией.
Есть некоторые места, где мы можем наблюдать, как волны, ударяясь о вертикальную поверхность на достаточно большой глубине, прекрасно отражаются, и одно из лучших мест для изучения - это морская стена. Когда волны ударяются о морскую стену, они теряют очень мало своей энергии и отскакивают обратно в виде волн, которые практически идентичны тем, что ударились о стену. Это может создать интересные узоры на воде, которые стоит поискать.
Если волны ударяются о стену, то отраженные волны возвращаются в направлении, прямо противоположном тому, откуда они пришли. Но волны все равно будут прибывать, что означает, что у нас есть волны, идущие прямо на стену, и волны, идущие обратно. Когда эти волны проходят мимо друг друга, гребни встречаются друг с другом, а впадины - друг с другом, образуя супергребни и супервпадины, из-за чего волны на мгновение кажутся вдвое выше и глубже. В определенных ситуациях это может сформировать странный и удивительный узор на воде, известный как "clapotis", что в переводе с французского означает "притирание", когда впадины и гребни входящих и исходящих волн создают стоячую волну. Когда это происходит, перестает казаться, что волны приходят или уходят; кажется, что волны просто поднимаются и опускаются в одном и том же месте и никуда не перемещаются. В хлопушке будут линии, где вода резко поднимается и опускается с заданным ритмом, а между ними будут линии, известные как узлы, где вода, кажется, вообще не движется.
Волны довольно редко ударяются о морскую стену под прямым углом. Гораздо чаще они ударяются о стену, а затем отскакивают под отраженным углом, подобно тому, как свет падает на зеркало под углом. Это все равно создает странные и завораживающие узоры на воде, скорее эффект перекрестных штрихов, поэтому это гораздо более распространенное явление известно как clapotis gaufre или "вафельный clapotis".
Clapotis gaufre.
Не расстраивайтесь, если при первом же осмотре вам не попадется красивый клапотис или его более популярный родственник клапотис гауфре; я не видел ни одного стоящего внимания растения в течение нескольких месяцев после первых поисков. Просто имейте в виду несколько вещей: Чем круче препятствие, о которое бьются волны, и чем глубже там вода, тем сильнее отражаются волны. А когда отраженные волны встречаются со встречными, образуются интересные узоры, среди которых нет двух одинаковых, только несколько завораживающих, но все они стоят того, чтобы хотя бы на мгновение познакомиться с ними.
Эффект отраженных волн - причина того, что вода вытворяет неожиданные вещи на очень крутых пляжах. Возможно, вам приходилось испытывать это странное чувство, когда вы находитесь на мелководье на крутом пляже, но кажется, что вода вокруг вас совершает множество хаотичных действий, гребни подпрыгивают, пена скачет к вашему лицу, несмотря на то, что дальше в море нет никаких неровностей. Повсюду отражения; вы даже увидите то, что похоже на рябь, исходящую от рифов, если посмотрите в иллюминатор достаточного количества самолетов.
Отсюда следует, что чем меньше волны отражаются, тем больше энергии этих волн поглощается соответствующим барьером. Вот почему волноломы должны строиться на относительно большой глубине. На мелководье они никак не смогут выдержать силу штормовых волн. В глубокой воде эти большие волны не разбиваются и просто безвредно отскакивают от стены. Когда речь идет о том, чтобы остановить мощь моря, очень важно выбрать место, где будет происходить сражение.
ПРЕЛОМЛЕННЫЕ ВОЛНЫ
Всякий раз, когда что-либо переходит из одной области в другую и в результате меняет скорость, бывают ситуации, когда оно также заметно меняет направление. Когда волны направляются к берегу, они достигают области мелководья, и в этой точке они начинают двигаться медленнее. Заманчиво думать, что волны замедляются из-за трения о землю, но на самом деле все обстоит иначе. Именно влияние мелководья на сами волны замедляет их продвижение. Как только глубина воды становится равной половине длины волны, она эффективно сжимает движение волн, и именно это замедляет их.
Как мы видели ранее, длина волны и скорость, с которой движутся волны, уменьшаются - они замедляются, но при этом сбиваются в кучу, поэтому период не меняется. Это означает, что если бы вы стояли на доске для серфинга на значительном расстоянии в море и ждали идеального набора волн, вы бы увидели, как под вами проходят быстрые волны с большими расстояниями между ними.
Человек, плывущий на мелководье ближе к берегу, увидит, как прибывают те же волны, но они будут медленнее и расстояние между ними меньше. Но если вы оба подсчитаете количество волн, проходящих мимо вас каждую минуту, вы получите один и тот же ответ.
Итак, мелеющие моря означают замедление волн, а замедление волн означает изменение направления, и здесь все становится интереснее. Форма морского дна имеет тенденцию имитировать форму береговой линии, а это означает, что там, где земля выступает, море сначала мелеет, а там, где есть залив, вода остается глубже немного дольше.
Это приводит к тому, что волны замедляются и поворачивают к берегу у мысов, но ближе к середине бухт они тянутся более прямо, а затем расходятся веером к краю бухт. Это означает, что где бы вы ни стояли на береговой линии, вы должны ожидать, что волны наклоняются к вам. Это также причина, по которой мы получаем пляжи в форме полумесяца между двумя мысами — волны имеют тенденцию расходиться веером, когда они входят в любую бухту, а песок при этом рассыпается широко.
Преломление заставляет волны отклоняться в сторону суши на побережье.
Существуют физические законы и формулы для описания этого эффекта, например, безумно сложный закон Снелла, но нам не нужны законы, чтобы понять суть вещей. Это одна из тех простых реальностей:
Вода становится более мелкой у берега, и это заставляет волны изгибаться, пока они не станут параллельны берегу. (Возможно, вам будет легче запомнить этот эффект, представив, что земля притягивает волны, даже если в глубине души вы знаете, что волны не притягиваются землей, а меняют направление, замедляясь на мелководье).
Задолго до того, как физики прикрепили ярлыки к этому эффекту, древние греки, что неудивительно, были в курсе всего этого. Гомер, Аполлоний Родосский и многие другие источники упоминают о том, как волны набегают на мысы, что не должно нас удивлять, поскольку природа была занята этими эффектами задолго до того, как мы начали называть законы.
Это одна из причин, по которой гавани могут обеспечить спокойствие и передышку для кораблей. Волны открытого океана отклоняются в сторону мысов по обе стороны бухты, а волны, попадающие в бухту, расходятся, и оба эффекта уменьшают силу волн, проникающих в гавань. Или, говоря языком Гомера:
Там на берегу лежит гавань, названная в честь Форкиса,
старого бога глубин, с двумя выступающими мысами,
обрывистыми со стороны моря, но уходящими к заливу,
Которые разбивают большие волны, вздымаемые ветрами снаружи.
Так что внутри гавани корабли могут стоять без швартовки.
Всякий раз, когда они подходят к берегу на расстояние швартовки.
В апреле 1930 года волнорез в Лонг-Бич, штат Калифорния, был разрушен волнами. Конечно, это был не первый раз, когда волны разбивали подобные сооружения, и не последний, но эта конкретная атака моря раздражала и бесила океанографов до невозможности. Проблема океанологов заключалась в том, что, согласно научным данным, море в тот день было недостаточно бурным, чтобы нанести такой ущерб. Волны были недостаточно большими не только согласно всем моделям, прогнозам и погодным данным, но и согласно наблюдениям с морских игорных судов. Эти суда, расположенные за пределами волнолома, сообщали об удивительно спокойной воде в том месте, где они находились, несмотря на то, что позади них от сооружения отлетали огромные камни.
Это не имело для ученых никакого смысла, и они семнадцать лет ломали свои коллективные головы, пока один из них, явно сбитый с толку, не сыт по горло и, наконец, не разгадает загадку. В 1947 году член парламента О'Брайен обнаружил, что на морском дне есть горб, и этот горб замедлил и изогнул некоторые волны в тот конкретный день.
Мелководье над этим горбом привело к тому, что волны преломлялись особым и неудачным образом, изгибая волны по обе стороны горба к волнорезу в одном точном месте. Подводный удар создал случайную линзу для волн и сфокусировал их энергию именно в этом месте, отбрасывая тонны камней.
ДИФРАКЦИОННЫЕ ВОЛНЫ
Волны замедляются и преломляются, когда они входят в мелководье, но что-то немного другое происходит, когда они сталкиваются с узкими промежутками. Когда волна проходит через узкую щель — любую, сравнимую с длиной волны этой волны, — она дифрагирует, то есть распространяется. Таким образом, любые океанские волны, проходящие через узкую щель в барьере, будут рассеиваться веером. Поскольку энергия должна оставаться прежней, но волны теперь охватывают более широкую область, поэтому высота волн в целом уменьшится.
Дифракция волны через узкую щель.
Узкий зазор дает наиболее впечатляющую демонстрацию дифракции волн, но на самом деле это происходит всякий раз, когда волны проходят препятствия. Если вы спрячетесь за деревом, вы все равно сможете услышать человека, говорящего с другой стороны, даже если вы его не видите, что немного странно, если подумать — этот звук не проходит через ствол дерева. , так как он достигает вас?
Звуковые волны дифрагируют, огибают дерево, достигают ваших ушей. Световые волны слишком малы по сравнению с деревом, поэтому они не преломляются заметно, поэтому мы не можем видеть круглые деревья. Но свет будет преломляться в гораздо более узких промежутках, поэтому мы видим так много цветов, когда смотрим на серебристый DVD.
Например, когда волны воды проходят через край морской стены, обратите внимание, как они движутся не по прямой линии, а расходятся веером, заполняя области за стеной, как показано на диаграмме ниже.
Дифракция волн на морской стене.
Опять же, волны распространяются на большую площадь, что означает, что их энергия разбавляется, и волны становятся менее высокими по мере того, как они расходятся веером. Однако, если вы внимательны, вы можете заметить, что есть одна тонкая зона, расположенная прямо на конце стены или другого барьера (показана пунктиром на диаграмме выше), где высота волны на самом деле выше, чем где-либо еще, даже выше, чем первоначальная волна до того, как она прошла стену. Это еще одно соображение для строителей волноломов; в противном случае они могут случайно создать в этих местах более бурную воду, чем если бы они ничего не делали.
Волны преломляются вокруг островов, как мы видели в предыдущей главе, но они также дифрагируют вокруг них. Все вместе это означает, что острова не дают того укрытия от волн, которое многие могли бы предсказать. У нас с женой, Софи, была традиция (как станет ясно, здесь показательно использование времени), согласно которой мы отмечали годовщину свадьбы в декабре каждого года, отправляясь на остров Уайт, ужиная, ночуя на яхте и возвращаясь в Чичестер на следующее утро.
Однажды в воскресенье, несколько лет назад, я знал, что был сильный южный ветер, около 7 баллов, и что это означает, что все будет хорошо, пока мы плыли вдоль острова Уайт, направляясь на восток в Чичестер, где я живу, в Юго-Восточной Англии. Однако, по всем вышеперечисленным причинам, я знал, что наше укрытие от этого ветра и его больших волн не продлится до тех пор, пока мы не пройдем остров. Дифракция и преломление означали, что эти большие волны достигнут нас гораздо раньше, чем мы пройдем восточный край острова Уайт. Я объяснил это Софи и убедился, что она с радостью согласилась пойти с нами на то, что, как я обещал, будет "интересным" несколько часов.
Знания о том, что там будет, не могли заставить эти моря исчезнуть; они только помогли предсказать их немного лучше. Как оказалось, этого было недостаточно, чтобы утешить мою жену, поскольку лодку начало бросать так, что я считал это предсказанным, а она - чем-то другим. Она больше не ступала на лодку, и через несколько месяцев после этого я продал ее, то есть лодку.
ЛОМАЮЩИЕСЯ ВОЛНЫ
Мы рассматривали поведение волн на глубокой и обмелевшей воде, но большинству из нас привычнее наблюдать их на самом мелководье. Когда волна входит в воду с глубиной, которая меньше половины длины волны, форма и поведение волны немного меняются. Орбитальное движение волны под поверхностью стесняется морским дном, что приводит к замедлению волны, ее сгущению и увеличению крутизны волновых поверхностей.
Разница между гребнями и впадинами также становится более выраженной: более крутые и узкие гребни и более плоские и широкие впадины.
Поскольку обмеление моря можно определить по поведению волн задолго до того, как они разобьются или станет видно морское дно, моряки веками использовали это как предупреждающий знак. Изменения можно почувствовать и услышать, потому что эти волны труднее преодолевать, чем волны открытого океана, и чувствительный моряк может обнаружить дрожание воды, так как судно замедляется, или заметить изменение ритма или звуков судна на воде. Приближаясь к береговой линии, этого можно ожидать, и это не вызовет никаких неожиданностей, но в районе разбросанных рифов, атоллов, затонувших кораблей или скал любое неожиданное изменение волн может помочь настороженному моряку сосредоточиться.
Арабский мореплаватель XV века Ибн Маджид составил необычный труд, известный его друзьям как "Фава'ид", но имеющий более громоздкое полное название - "Китаб аль-Фава'ид фи усул 'илм аль-бахр ва'л-кава'ид", что переводится как "Книга полезных вещей, касающихся первых принципов и правил навигации". Это огромный том, и я горжусь тем, что владею им. В ней Ибн Маджид во многих местах ссылается на вышеупомянутые эффекты, но мне больше всего нравится то, где он описывает участок неспокойной воды, который он оценил как признак мелководья. Спустя много лет он вернулся на то же место и обнаружил, что оно превратилось в остров с деревьями.
По мере приближения волны к берегу вода становится все более мелкой, волна замедляется и становится все более крутой. На этом этапе энергия воды довольно быстро концентрируется в небольших областях, что заставляет волны значительно увеличиваться в высоту, подниматься вверх. В то же время, нижняя часть волны замедляется сильнее, чем верхняя, что означает, что гребень волны начинает обгонять нижнюю часть, и волна начинает "ломаться".
Ломающаяся волна - это внезапное высвобождение накопленной энергии ветра, а поскольку ветер получает свою энергию от солнца, ломающиеся волны в конечном итоге являются высвобождением солнечной энергии. Мне странно и приятно думать о том, как солнце нагревает атмосферу за тысячи миль от нас, как развиваются ветры, как море поглощает энергию ветра в виде волн, как волны переносят эту энергию на далекую землю, а затем бум и рев, когда энергия высвобождается в гальку.
Волны разбиваются, потому что они стали неустойчивыми, и это всегда происходит, когда глубина воды уменьшается в 1,3 раза по сравнению с высотой волн. Но не все разбивающиеся волны ведут себя одинаково, и способ разбивания каждой волны определяется высотой волны и характером морского дна в критической точке разбивания.
Ведутся споры о том, существует ли три или четыре типа разрушающих волн, что на самом деле является бессмыслицей, так как можно справедливо утверждать, что существует столько же типов, сколько и волн. Но я считаю, что полезно думать, что существует три семейства: разливающиеся, погружающиеся и набегающие волны. Общее правило заключается в том, что чем мельче морское дно в месте разрыва, тем мягче стиль разрыва. При очень мелком уклоне волна не разбивается внезапным резким движением, а распадается сверху вниз, посылая "разливающуюся" белую воду каскадом вниз и вперед. Это те волны, которые выбрасывают на берег пену, похожую на джакузи, которые не обладают большой силой удара и в которых почти щекотно плавать.
Если берег немного круче, мы увидим "погружающиеся" волнорезы. Если вы видели фотографию или картину с изображением волны, которая показалась вам классической или красивой в каком-то смысле, то это почти наверняка погружающийся брейкер. Именно эти волны образуют наиболее отчетливые гребни, а иногда и "окна" в воде на лице волны, через которые можно видеть. Они также единственные, где можно наблюдать, как волна формируется в отчетливую форму, наиболее экстремальными примерами являются "бочки", о которых мечтают серферы.
Третий тип известен как "набегающий" волнолом и обычно встречается только на очень крутых пляжах. Представьте себе, как формируется молодая наклонная волна, гребень которой поднимается вверх, но затем, поскольку пляж становится крутым так быстро, гребень не успевает полностью перевалить через дно, поэтому верх и низ поднимаются по пляжу вместе. Мне нравится думать об этих волнах как о "скользящих" по берегу, поскольку они не полностью разбиваются так, как первые два типа. Поскольку они не разбиваются полностью и ударяются о крутой берег, эти волны отражают много энергии, а сочетание крутых набегающих волн и мощных отраженных волн делает эти берега опасными как для пловцов, так и для лодок; к счастью, они встречаются относительно редко, и особенно редко как пляжи назначения.
Погружающийся волнорез, со спинтрифтом.
Как это часто бывает в море, последнее слово в поведении разбивающихся волн остается за ветром. При определенных скоростях ветра гребень волны срывается, и белые брызги уносятся ветром - этот эффект называется "спиндрифт". Интересно, что в море он обычно наблюдается только при ветре силой 8 баллов, а не ниже или выше, и поэтому используется как способ определения силы 8 баллов. (На суше тоже есть такой способ: При силе 8 с деревьев будут ломаться сучья, но не ветки.) При береговом ветре волны разбиваются раньше, на большей глубине, и увеличивается вероятность разлива волноломов. При оффшорном ветре волны разбиваются позже, на мелководье, ближе к берегу, и повышается вероятность появления отвесных волнорезов.
Если вы захотите определить высоту бьющихся волн с пляжа, есть простой метод, который даст вам надежные результаты, даже если вы смотрите на волны на большом расстоянии. Все, что вы делаете, это идете вверх или вниз по пляжу, в сторону или в направлении моря, пока вершины волноломов не окажутся на одной линии с горизонтом. Тогда высота волнорезов будет равна вашему росту плюс или минус разница с уровнем основной волны. Другими словами, если ваши ноги еще сухие, то волнорезы должны быть выше вас, а если вам пришлось бы войти в воду, чтобы их верхушки оказались на одной линии с горизонтом, то они должны быть короче вас. Волны приходят группами, так называемыми шлейфами, поэтому вполне нормально наблюдать, как приходит набор волн, за которым следует период относительного затишья, а затем еще один шлейф волн. Поскольку волны взаимодействуют друг с другом, а также с отраженными волнами, ветром и течениями, это приводит к колебаниям уровня воды у береговой линии.
Вы, наверное, замечали, что когда вы строите замок из песка с прочными внешними стенами, а затем ждете, пока поднимающийся прилив захлестнет вашу тщательно возведенную защиту, море не разрушает ее очень предсказуемым образом. Волны могут биться о стены минуту или две, затем отступать на некоторое время, потом на замок обрушиваются очень агрессивные волны, затем море снова отступает на некоторое время, прежде чем замок будет окончательно затоплен. Это явление колебания уровня известно как "биение прибоя" и вызвано тем, что все волновые воздействия действуют друг на друга и создают колебания. Это легко наблюдать, но очень трудно точно предсказать, что произойдет дальше.
Замечали ли вы, как что-то плавающее на мелководье пляжа подталкивается волнами к берегу после того, как они разбиваются? Это действительно очень частое явление, но, если подумать, этого вообще не должно происходить, потому что теоретически волны не двигают воду вперед. Что же происходит? Джон Скотт Рассел, шотландский морской архитектор, разгадал эту загадку, открыв новый вид волн.
Волны, которые мы рассматривали, известны как осциллирующие волны. Когда вода движется туда и обратно, только энергия непрерывно движется в одном направлении. Однако Рассел наблюдал за лодкой, которую буксировали по узкому каналу две лошади, и когда лошади и лодка остановились, он заметил, что выпуклость воды, которая была на носу лодки, превратилась в волну, которая пошла с ускорением; Рассел преследовал ее на лошади, изучая ее поведение. То, что заметил Рассел и что удивило физиков, когда он сообщил об этом, было то, что это был определенно другой тип волны, чем те, с которыми они были знакомы, потому что двигалась сама вода, а не только энергия. Рассел назвал ее "волной перевода".
Когда мы видим, как вода устремляется вверх по пляжу после того, как волна разбилась, мы видим волну, которая из волны колебания превратилась в волну перевода. Именно эта волна и становится волной. Эти переводные волны подчиняются немного иным правилам, чем обычные волны на море, что приводит к некоторым интересным эффектам. Одно из главных отличий заключается в том, что когда эти маленькие волны приходят на пляж, они фактически оседлали своих предшественников, а поскольку, как и все другие волны, они движутся быстрее в более глубокой воде, вы заметите, как они имеют привычку постоянно мчаться, чтобы обогнать более мелкую волну впереди.
Поэтому в следующий раз, когда вы будете стоять на пляже, обратите внимание на то, как пена поднимается вверх по пляжу по направлению к вам на вершине самой мелкой волны. Вы наблюдаете тип волны, который был идентифицирован только в 1834 году, в том же году, когда был изобретен первый практический электродвигатель.
