Как возникают волны?
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Наука о волнах зародилась в период подготовки высадки войск союзников в Нормандии в 1944 году. Многие тысячелетия — с той поры, как наш неизвестный доисторический предок впервые вышел в море на своем утлом челне, — люди страдают от волн: их швыряет, укачивает, они гибнут в волнах. Аргонавты, викинги, Колумб, отцы-пилигримы, миллионы путешественников взирали на волны с явной неприязнью. Они знали результат действия волн, но не знали их природы.
На Клебекской конференции, которая приняла решение высадке в Нормандии, кто-то спросил: «Как действуют волны?» Получить ответ было важно, потому что для высадки десанта собирались строить искусственные гавани и молы, а также проложить трубопровод через Ла-Манш. В бурю или штиль, но огромные экспедиционные силы нужно было высадить с точностью до секунд.
Никто не мог дать ответа — ни моряки союзного военно-морского флота, ни ученые. Они, конечно, знали о приливных явлениях. Ньютон дал научное объяснение действия сил тяготения Луны, а в справочниках они могли найти точное предсказание уровня прилива в любой точке побережья Нормандии. Но никто не задумывался над природой волн — моряки терпели их злой нрав, не задавая никаких вопросов.
Таким образом, ученым пришлось призадуматься. За исключением механизма образования волн, были известны все другие условия: природа Ла-Манша, этой своеобразной «воронки», конфигурация его береговой линии которую жадно разрушали волны, и даже геология морского берега. Тогда длинноволосый английский профессор (даже одев военный мундир, он сохранил свою прическу) вспомнил, как, купаясь на этом побережье после штормовой ночи, он заметил в прибое торф. Имели ли это какое-нибудь отношение к проблеме образование волн? Безусловно, имело, и отряд десантников немедленно получил указание отправиться в рейд для сбора геологических образцов в районе возможной высадки.
Были собраны более или менее подробные сведения о характере волнения в местах предполагаемой высадки. Дальнейшие события показали, что сведения эти были не вполне надежными. Возникла необходимость научного исследования волн, которые до того чаще привлекали внимание поэтов и художников, чем ученых.
В настоящее время ученые пытаются выяснить, почему энергия ветра создает упорядоченные волны сильного шторма, а не просто хаос в океане. Но здесь требуются дальнейшие исследования. Известны штормовые центры, или области образования «главных волн», но существуют и другие системы волн, обусловленные вторичными причинами. Видимые волны, которые мы наблюдаем в какой-либо данный момент времени, появляются в результате наложения нескольких групп волн, распространяющихся в различных направлениях с разными скоростями.
Их необходимо «рассортировать». Это делается при помощи анализатора волн, который сообщает, как распределена энергия между волнами различной длины. Анализатор представляет собой электронный прибор, селектирующий морские волны, так же как радиоприемник — электромагнитные. Он «ловит» волны, возникшие в различных районах, подобно радиоволнам, излучаемым различными передатчиками, и разделяет их.
Известно, что волны различных длин, выйдя из штормовой области, распространяются так, что очень длинные низкие волны, поднимающееся, словно холмы, на мелких банках, возвещают о приближении более короткой и крутой мертвой зыби, несущей большую часть энергии. Сейчас уже достигнут такой уровень точности, что ученые на побережье Корнуэлла и Калифорнии могут измерять очень низкую зыбь, которая принесла энергию волнения из «ревущих» сороковых широт южного полушария.
Разработаны методы, которые могут указать на различие между тем, что моряки зовут «волнением» и «мертвой зыбью». Нужно сказать, что приборы могут сообщить о различии между волнами, созданными местными ветрами, и волнами, место возникновения которых, возможно, находится за тысячи километров. Таким образом, океанографы в содружестве с метеорологами могут предсказывать волнение, основываясь на метеорологических данных.
Благодаря экспериментальным и теоретическим исследованиям ученые могут составить таблицы и диаграммы, представляющие необычайную ценность для береговых и портовых инженеров и морских архитекторов. Уже получено много данных о воздействии волн на морское побережье и отмели, что имеет большое значение для работ по защите береговых линий, веками разрушавшихся под действием волн.
Так обстоит дело на поверхности океана, где гигантские валы 20-метровой высоты швыряют огромный лайнер, словно крохотный ялик. А что же происходит в глубине? Океаны покрывают около трех четвертей поверхности земного шара, а знаем мы о географии этой затопленной части нашего мира, пожалуй, меньше, чем о поверхности Луны. Средняя глубина океана около четырех километров, но имеются углубления, или желоба, до 10 с лишним километров, намного более «высокие», чем Эверест. И это не «мир безмолвия». Гидрофонами можно обнаружить шумы, часто издаваемые существами, которых мы никогда не видели. И мир этот, конечно, не спокоен, он находится в непрерывном движении.
Моря и климат нераздельны. Океаны действуют, как гигантский аккумулятор, «сберегательная касса» тепла. Вода «запасается» солнечным теплом и отдает его в холодное время, так что существует непрерывная регуляция мирового океана. Чтобы узнать погоду, нужно познать море, и, наоборот, чтобы познать океан, необходимо выяснить процесс циркуляции атмосферы.
Подсчитано, что девять десятых поверхностных течений (а не только волны) приводятся в действие ветром — в том числе Гольфстрим, движение которого изучал еще Бенджамин Франклин (да, тот самый, что изображен на стодолларовой купюре) около двух веков назад, течение Гумбольдта, которое несло плот Кон-Тики к Полинезии, и течение Куросио. И даже глубинные течения находятся до некоторой степени под влиянием ветра, так как поверхностная вода, подталкиваемая им к берегу, направляется вниз, создавая давление на глубинные слои воды и вынуждая их двигаться в виде течения.
Изучение глубинных течений приносит нам все новые сведения. Необходимо помнить, что вода в океанах имеет неодинаковую плотность и что более легкая вода может лежать над более тяжелой в силу большой солености или холодности — подобно слоеному пирогу. Эти слои могут либо скользить один по другому, либо двигаться в различных направлениях относительно друг друга.
Для изучения природы и движения этих глубинных течений созданы различные приборы. В некотором отношении они аналогичны приборам, которыми пользуются метеорологи. Когда метеорологи хотят исследовать верхнюю атмосферу и изучить воздушные течения высоко над землей, они запускают воздушные шары — «радиозонды»— с передающей аппаратурой, которая сообщает информацию по радио. Океанографы, желающие изучить течения на больших глубинах, применяют нечто подобное.
Они используют две длинные алюминиевые трубки, в которых находятся батареи и простая электронная схема. Схема имеет источник звука, подобный применяемому при эхолотировании. Этот прибор может быть погружен на определенную заданную глубину. Если нагрузить его на поверхности так, чтобы он плавал на глубине 2500 метров, то потребуется только один грамм дополнительного веса для погружения прибора точно на глубину 2530 метров. На определенной глубине он дрейфует по течению и посылает наверх импульсные сигналы. Эти сигналы могут быть приняты судном на поверхности. Такие методы использовались объединенной англо-американской экспедицией для изучения Гольфстрима.
Было показано, что северное направление Гольфстрима на поверхности очень сильно. Однако в слое воды между глубинами 1350 и 1800 метров движение либо очень слабо, либо полностью отсутствует. Поплавки, погруженные на еще большую глубину — 2460 и 2760 метров, — дрейфовали на юг, в направлении, противоположном поверхностному течению. Скорость этого противотечения составляла около 0,6 километра в час.
В настоящее время попыток проникнуть в «тайны моря» стало больше: исследователи уже побывали в «мире безмолвия», батискаф спустился на дно одной из тихоокеанских впадин, суда на поверхности проводят регулярные наблюдения. И постепенно мы начинаем узнавать о явлениях, доселе неизвестных.
Автор: Ричи Калдер.