Ветровые волны

Воздействуя на поверхность воды, ветер, благодаря трению о воду, создает касательные напряжения и влекущие усилия, а также вызывает местные колебания давления воздуха. В результате на поверхности воды даже при ветре, имеющем скорость 1 м/с, образуются маленькие волны высотой, измеряемой в миллиметрах, и длиной — в сантиметрах. Эти едва зародившиеся волны имеют вид ряби. Так как существование таких волн связано с поверхностным натяжением, их называют капиллярными. Если ветер прошел над водой кратковременным порывом, то образованные им пятна ряби исчезают с прекращением ветра — поверхностное натяжение стремится сократить площадь поверхности воды. Если ветер устойчивый, то капиллярные волны увеличиваются в размерах, прежде всего по длине. Рост волн приводит к объединению их в группы и удлинению до нескольких метров. Волны становятся гравитационными.

Процессы передачи энергии от воздуха к воде и начальные стадии развития волн достаточно сложны. Существенное отличие ветрового волнения от зыби состоит в том, что оно развивается под действием не двух, а многих сил. Добавляется влияние ветра (трение и давление). Это приводит к нарушению симметрии формы волны — передний склон становится круче заднего, следовательно, и короче его (рис. 10.10). Частицы воды приобретают поступательную скорость и, закончив один оборот, возвращаются не в точку начала движения, а оказываются чуть впереди в сторону распространения волны — орбита не замыкается. Эта асимметрия профиля волны, увеличение крутизны переднего склона может дойти до срыва гребня, до образования пенного барашка. Наконец, из-за того, что скорость ветра часто неравномерна вдоль фронта (гребня) волны, становится неравномерной и высота волны вдоль гребня, иначе говоря, волна оказывается не двумерной, а трехмерной. Вот такие волны и встречаются в море чаще всего.

Рис. 10.10. Профиль поверхности ветровой волны. Стрелка показывает направление ветра и распространения волны

Размеры трехмерных волн тем больше, чем ветер сильнее, продолжительнее и чем больше его разгон, т. е. расстояние, которое он пробегает над водой (эта дистанция зависит от его направления и размера самого моря). Наибольшие высоты волн наблюдаются в районах с частыми и продолжительными штормами. Обширные площади сильного волнения расположены в умеренных широтах, которые даже получили название «ревущие сороковые». Интенсивное волнение часто наблюдается в районе Антарктического циркумполярного течения, в области квазистационарных атмосферных фронтов и т. д. Самые большие высоты волн — 34 м — встречались в середине северной части Тихого океана, самые большие длины — около 800 м — у южных берегов Британских островов и в экваториальной части Атлантического океана. Отмечались также гигантские волны у южных берегов Африки, ставшие причиной катастроф нескольких судов, «волны-убийцы», единичные волны высотой больше 20 м. Однако в большинстве случаев высоты волн не достигают и 4 м, а волны выше 7,5 м встречаются довольно редко. Обычная длина больших волн тоже значительно меньше максимальных значений: 130—170 м.

Измерение элементов волн связано с большими техническими трудностями, к тому же измерения в одной точке мало характеризуют все трехмерное волновое поле. Лучший способ его изучения в настоящее время — спутниковая альтиметрия, которая дает полную картину топографии волновой поверхности моря вдоль орбиты спутника в момент его пролета с погрешностью до нескольких сантиметров. Более того, современные численные волновые модели по высоте волн и скорости их распространения в океане позволяют получить достоверную картину скорости и направления приводного ветра. В массовых наблюдениях для качественной оценки размеров волнения в баллах до сих пор широко пользуются и приближенными приемами (табл. 10.4).

Таблица 10.4. Шкала степени волнения

* Высота наиболее крупных волн.