Як виникають хвилі?

Наука про хвилі зародилася в період підготовки висадки військ союзників у Нормандії в 1944 році. Багато тисячоліть – з тієї пори, як наш невідомий доісторичний предок вперше вийшов в море на своєму хиткому човні, – люди страждають від хвиль: їх жбурляє, заколисує, вони гинуть у хвилях. Аргонавти, вікінги, Колумб, батьки-пілігрими, мільйони мандрівників дивились на хвилі з явною неприязню. Вони знали результат дії хвиль, але не знали їхньої природи.

На Клебекській конференції, яка прийняла рішення про висадку в Нормандії, хтось запитав: «Як діють хвилі?» Отримати відповідь було важливо, тому що для висадки десанту збиралися будувати штучні гавані і моли, а також прокласти трубопровід через Ла-Манш. В бурю або штиль, але величезні експедиційні сили потрібно було висадити з точністю до секунд.

Ніхто не міг дати відповіді – ні моряки союзного військово-морського флоту, ні вчені. Вони, звичайно, знали про приливні явища. Ньютон дав наукове пояснення дії сил тяжіння Місяця, а в довідниках вони могли знайти точне передбачення рівня припливу в будь-якій точці узбережжя Нормандії. Але ніхто не замислювався над природою хвиль – моряки терпіли їх злий норов, не ставлячи жодних запитань.

Таким чином, вченим довелося задуматись. За винятком механізму утворення хвиль, були відомі всі інші умови: природа Ла-Маншу, цієї своєрідної «воронки», конфігурація його берегової лінії яку жадібно руйнували хвилі, і навіть геологія морського берега. Тоді довговолосий англійський професор (навіть одягнувши військовий мундир, він зберіг свою зачіску) згадав, як, купаючись на цьому узбережжі після штормової ночі, він помітив у прибої торф. Чи мало це якесь відношення до проблеми утворення хвиль? Безумовно, мало, і загін десантників негайно отримав вказівку відправитися в рейд для збору геологічних зразків в районі можливої висадки.

Були зібрані більш-менш докладні відомості про характер хвилювання в місцях передбачуваної висадки. Подальші події показали, що відомості ці були не цілком надійними. Виникла необхідність наукового дослідження хвиль, які до того частіше привертали увагу поетів і художників, ніж вчених.

В даний час вчені намагаються з’ясувати, чому енергія вітру створює впорядковані хвилі сильного шторму, а не просто хаос в океані. Але тут потрібні подальші дослідження. Відомі штормові центри, або галузі утворення «головних хвиль», але існують і інші системи хвиль, зумовлені вторинними причинами. Видимі хвилі, які ми спостерігаємо в який-небудь даний момент часу, з’являються в результаті накладення декількох груп хвиль, що поширюються в різних напрямках з різними швидкостями.

Їх необхідно «розсортувати». Це робиться за допомогою аналізатора хвиль, який повідомляє, як розподілена енергія між хвилями різної довжини. Аналізатор являє собою електронний прилад, що розділяє морські хвилі, так само як радіоприймач – електромагнітні. Він «ловить» хвилі, що виникли в різних районах, подібно радіохвилям, випромінюваним різними передавачами, і розділяє їх.

Відомо, що хвилі різних довжин, вийшовши з штормової області, поширюються так, що дуже довгі низькі хвилі, піднімалося, немов пагорби, на дрібних банках, сповіщають про наближення коротшої і крутої мертвої брижі, несучої більшу частину енергії. Зараз вже досягнутий такий рівень точності, що вчені на узбережжі Корнуелла і Каліфорнії можуть вимірювати дуже низьку бриж, яка принесла енергію хвилювання з «неспокійних» сорокових широт південної півкулі.

Розроблено методи, які можуть вказати на різницю між тим, що моряки звуть «хвилюванням» та «мертвими брижами». Потрібно сказати, що прилади можуть повідомити про відмінність між хвилями, створеними місцевими вітрами, і хвилями, місце виникнення яких, можливо, знаходиться за тисячі кілометрів. Таким чином, океанографи в співдружності з метеорологами можуть передбачати хвилювання, ґрунтуючись на метеорологічних даних.

Завдяки експериментальним і теоретичним дослідженням вчені можуть скласти таблиці і діаграми, що представляють надзвичайну цінність для берегових і портових інженерів і морських архітекторів. Вже отримано багато даних про вплив хвиль на морське узбережжя і мілини, що має велике значення для робіт по захисту берегових ліній, що століттями руйнувалися під дією хвиль.

Так йде справа на поверхні океану, де гігантські вали 20-метрової висоти шпурляють величезний лайнер, немов крихітний м’ячик. А що ж відбувається в глибині? Океани покривають близько трьох чвертей поверхні земної кулі, а знаємо ми про географію цієї затопленої частини нашого світу, мабуть, менше, ніж про поверхню Місяця. Середня глибина океану близько чотирьох кілометрів, але є поглиблення, або жолоби, до 10 з гаком кілометрів, набагато більш «високі», ніж Еверест. І це не «світ безмовності». Гідрофонами можна виявити шуми, часто видавані істотами, яких ми ніколи не бачили. І світ цей, звичайно, не спокійний, він знаходиться в безперервному русі.

Моря і клімат нероздільні. Океани діють, як гігантський акумулятор, «ощадна каса» тепла. Вода «запасається» сонячним теплом і віддає його в холодний час, так що існує безперервна регуляція світового океану. Щоб дізнатися погоду, потрібно пізнати море, і, навпаки, щоб пізнати океан, необхідно з’ясувати процес циркуляції атмосфери.

Підраховано, що дев’ять десятих поверхневих течій (а не тільки хвилі) приводяться в дію вітром – у тому числі Гольфстрім, рух якого вивчав ще Бенджамін Франклін (так, той самий, що зображений на стодоларовій купюрі) близько двох століть тому, течія Гумбольдта, яке несла пліт Кон-Тікі до Полінезії, і течія Куросіо. І навіть глибинні течії перебувають до деякої міри під впливом вітру, так як поверхнева вода, підштовхувана ним до берега, прямує вниз, створюючи тиск на глибинні шари води і змушуючи їх рухатися у вигляді течії.

Вивчення глибинних течій приносить нам все нові відомості. Необхідно пам’ятати, що вода в океанах має неоднакову щільність і що більш легка вода може лежати над більш важкою в силу великої солоності або холодності – подібно листковому пирогу. Ці шари можуть або ковзати один по іншому, або рухатися в різних напрямках відносно один одного.

Для вивчення природи і руху цих глибинних течій створені різні прилади. В деякому відношенні вони аналогічні приладам, якими користуються метеорологи. Коли метеорологи хочуть досліджувати верхню атмосферу і вивчити повітряні течії високо над землею, вони запускають повітряні кулі – «радіозонди» – з передавальною апаратурою, яка повідомляє інформацію з радіо. Океанографи, бажаючі вивчити течії на великих глибинах, застосовують щось подібне.

Вони використовують дві довгі алюмінієві трубки, в яких знаходяться батареї і проста електронна схема. Схема має джерело звуку, подібне застосовуваному при ехолотуванню. Цей прилад може бути занурений на певну задану глибину. Якщо навантажити його на поверхні так, щоб він плавав на глибині 2500 метрів, то буде потрібно тільки один грам додаткової ваги для занурення приладу точно на глибину 2530 метрів. На певній глибині він дрейфує за течією і посилає наверх імпульсні сигнали. Ці сигнали можуть бути прийняті човном на поверхні. Такі методи використовувалися об’єднаною англо-американською експедицією для вивчення Гольфстріму.

Було показано, що північний напрямок Гольфстріму на поверхні дуже сильний. Однак в шарі води між глибинами 1350 і 1800 метрів рух або дуже слабий, або повністю відсутній. Поплавці, занурені на ще більшу глибину – 2460 і 2760 метрів, – дрейфували на південь, у напрямку, протилежному поверхневій течії. Швидкість цієї протитечії становила близько 0,6 кілометра на годину.

В даний час спроб проникнути в «таємниці моря» стало більше: дослідники вже побували в «світі безмовності», батискаф спустився на дно однієї з тихоокеанських западин, човни на поверхні проводять регулярні спостереження. І поступово ми починаємо дізнаватися про явища, досі невідомі.

Автор: Річі Калдер.