Волны в океане

ВОЛНЫ В ОКЕАНЕ, возмущения физических параметров океана (плотности, давления, скорости, положения морской поверхности и др.) относительно некоторого среднего состояния, способные распространяться от места их возникновения или колебаться внутри ограниченной области. В физических задачах волновые движения в океане принято классифицировать по типу сил, ответственных за их возникновение и распространение. Выделяют пять основных типов волн в океане: акустические (звуковые), капиллярные, гравитационные, гироскопические (инерционные) и планетарные.

Акустические волны распространяются в океане благодаря сжимаемости воды. Скорость распространения волн (скорость звука) зависит от состояния воды (температуры, солёности), глубины океана и изменяется в пределах 1450-1540 м/с. Высокочастотные акустические волны (с частотами от единиц до десятков кГц) используются для гидроакустической связи и подводной локации, включающей в себя измерение глубин, определение параметров морской среды (в частности, измерение скоростей морских течений на основе эффекта Доплера), локацию скоплений морских животных, подводных судов и тому подобное. С эффектом подводного звукового канала связано явление сверхдальнего распространения звука, позволяющее использовать низкочастотные звуковые волны для дальней гидроакустической локации и диагностики крупномасштабной изменчивости океанской среды.

Капиллярные волны связаны с силой поверхностного натяжения воды, которая является преобладающей для достаточно коротких поверхностных волн. Характерная длина таких волн определяется отношением коэффициента поверхностного натяжения к ускорению свободного падения и составляет для чистой воды 1,73 см. Эти волны играют важную роль во взаимодействии океана и атмосферы, существенно влияя на тепло- и газообмен. Различные процессы в приповерхностном слое океана (течения, ветер, загрязнение морской поверхности) сильно изменяют поле капиллярных волн, а следовательно, и отражательные характеристики морской поверхности. Это явление широко используется при дистанционном зондировании океана: в задачах альтиметрии (определение формы поверхности океана со спутников), в задачах диагностики состояния морской поверхности (выяснение наличия и характера загрязнений, измерение характеристик приповерхностных течений, ветрового волнения и др.).

К поверхностным гравитационным волнам (смотри Волны на поверхности жидкости) относятся, прежде всего, ветровые волны, длины которых лежат в диапазоне от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров, а амплитуды могут превышать 20 м. Существующие модели прогноза ветровых волн позволяют с высокой точностью предсказывать средние характеристики волнения (период, амплитуду), но не дают возможности прогнозировать редкие экстремальные события, например «волны-убийцы». Амплитуда таких волн более чем в четыре раза превышает среднюю амплитуду волнения, причём довольно часто «волны-убийцы» имеют вид ямы, а не гребня. Данное явление представляет серьёзную опасность для судоходства и морского строительства. Поверхностные гравитационные волны могут возбуждаться не только ветром, но и другими внешними воздействиями (землетрясениями, над- и подводными оползнями и др.). Изредка такие воздействия приводят к возникновению цунами, которые способны производить катастрофические разрушения в прибрежной зоне. Важный случай гравитационных волн - приливные волны (смотри Приливы и отливы), возникающие вследствие периодического изменения притяжения Луны и Солнца в данной точке Земли, что приводит к периодическому (как правило, два раза в сутки) изменению уровня моря.

Внутренние гравитационные волны (смотри Внутренние волны) развиваются в толще океана благодаря её вертикальной стратификации (зависимости плотности воды от глубины). Характерная частота таких волн, так называемая частота плавучести или частота Брента - Вяйсяля, изменяется в очень широких пределах (от десятков секунд до десятков часов). Длины внутренних волн могут составлять от нескольких метров до сотен километров. Эти волны играют важную роль в вертикальном перемешивании вод и динамике крупномасштабных течений, существенно влияют на распространение звуковых волн в океане. Внутренние гравитационные волны могут представлять серьёзную опасность для подводного судоходства в областях их интенсивной генерации, вызванной особенностями рельефа, крупномасштабными течениями и тому подобное.

Гироскопические волны (инерционные волны) обусловлены силой Кориолиса. Минимальный период этих волн определяется географической широтой φ места и равен 12ч/sin φ, то есть составляет половину суток на полюсе и стремится к бесконечности на экваторе. В открытом море инерционные волны проявляются как инерционные колебания - почти не распространяющиеся в пространстве периодические колебания горизонтальной скорости течения, легко возбуждаемые ветром. Поскольку океан сильно стратифицирован по глубине, в нём чаще всего наблюдаются волны смешанного типа - гравитационно-гироскопические, в которых существенны вертикальные движения воды. Такие волны способны значительно влиять на вертикальное перемешивание верхнего слоя океана.

Планетарные волны (Россби волны) создаются изменчивостью параметра Кориолиса по широте, что приводит к возникновению возвращающей силы для движений, имеющих восточную составляющую. Характерный масштаб этих волн, так называемый масштаб Россби, может составлять сотни километров. С волнами Россби связывают синоптическую изменчивость океана и атмосферы и соответствующие динамические структуры - синоптические вихри в океане и атмосфере. Изменение глубины океана может создавать эффект, аналогичный переменному вращению. Возникающие вследствие этого волновые движения получили название топографических волн Россби.

Особый класс волновых движений в океане составляют краевые волны, возникающие в прибрежных областях (волны Пуанкаре, Кельвина). Их существование определяется наличием горизонтальной границы (берег, кромка океанского шельфа и т.п.), вдоль которой происходит распространение волн, в комбинации с другими физическими факторами, такими, как изменение глубины, вращение Земли, вертикальная стратификация, наличие вдольбереговых сдвиговых течений и др.

В природе, как правило, наблюдаются сложные смешанные типы волновых движений: гравитационно-капиллярные, гравитационно-гироскопические и др.

Лит.: LeBlond Р. Н., Mysak L. А. Waves in the ocean. Amst., 1978; Бреховских Л.М., Гончаров В. В. Введение в механику сплошных сред. М., 1982.