Звідки беруться велетенські хвилі-одинаки, здатні переламувати цілі судна

Звідки беруться велетенські хвилі-одинаки, здатні переламувати цілі судна

Упродовж віків бувалі морські вовки лякали своїх слухачів жахливими оповіданнями про величезних хвилі-вбивць висотою з гору. Але лише порівняно недавно океанологи і геофізики стали відноситися до цих оповідань серйозно і намагатися зрозуміти, звідки беруться ці монстри і як від них уберегтися. На допомогу прийшли математика і безперервний космічний моніторинг океану.

Айвазовский і статистика

Хрестоматійна картина Айвазовского «Дев'ятий вал» — про жертв стихії — знайома, напевно, кожному. Зрозуміло, в число творів відомого мариніста ця тема потрапила не випадково: за багато століть історії мореплавання фольклор обріс легендами про велетенські водяні стіни і провали.

Як хвиля-вбивця перевертає і топить судна, багато хто міг бачити в голлівудському фільмі-катастрофі «Ідеальний шторм»(The Perfect Storm) — драматичній історії про те, як в Північній Атлантиці на схід від Ньюфаундленду в результаті зіткнення двох потужних штормових фронтів безслідно зникає риболовецька шхуна «Андреа Гейл», відносячи з собою життя рибалк.

дев'ятий валКартина Айвазовского «Дев'ятий вал»


За словами рідкісних очевидців, що зуміли пережити буйство стихії, такі хвилі нерідко виникають за цілком сприятливих погодних умов, не віщуючих, здавалося б, ніякої небезпеки.

Достовірних фактів про жахливі хвилі, що несподівано виникають у відкритому морі, порівняно трохи, але проте вони накопичуються і вимагають пояснення. Хвилі-вбивці абсолютно не схожі на інші: вони в 3 − 5 разів перевищують по висоті звичайні хвилі, що народжуються при сильному штормі.

Це не цунамі

Усі начулися про величезні хвилі, що називаються по‑японски цунамі, що дослівно означає «велика хвиля в гавані». Вони славляться підступністю і руйнівною силою.

Ці грандіозні водні вали, висота яких, як це сталося в 1958 році на Алясці, можуть перевищувати 50 метрів, виникають зазвичай в сейсмоактивних зонах — в результаті підводних землетрусів і вивержень вулканів, зсувів, вибухів, різкої зміни метеоумов. Подібне явище найчастіше зустрічається в прибережних районах Японії, у нас на Далекому Сході, в США, Канаді, в регіоні Австралії і Полінезії, а іноді навіть на Карибах і в Середземномор'ї. Японські манускрипти ведуть хронологію цунамі починаючи з 684 року.

Найстрашніша з відомих хвиль цунамі(24 квітня 1771 року) була зафіксована на японському острові Исигаки(архіпелаг Рюкю) і досягала висоти 85 метрів. На щастя, цунамі, що породжуються сейсмічними поштовхами на морському дні і що обрушуються на берег, виникають не так вже і часто. Цунамі найбільш руйнівні на узбережжі недалеко від місця зародження, де їх енергія особливо висока. Але вони можуть здійснювати і досить далекі «подорожі».

цунамі

26 серпня 1883 року потужне виверження вулкану Кракатау в Індонезії обрушило на берег хвилю заввишки 45 метрів, яка привела до загибелі 36 тисяч чоловік. Енергетика цієї катастрофи була рівнозначна 500 тисячам атомних бомб типу хиросимской, але більшість руйнувань і жертв, як і у випадках з іншими цунамі, знаходилися на березі або недалеко від нього. Такі хвилі зазвичай швидко затихають у відкритому морі і не небезпечні для судів. Хвиля, що виникла при виверженні Кракатау, кілька разів обігнула земну кулю, але її висота не перевищувала 40 см

«Сьогодні не викликає сумніву, — говорить великий російський фахівець з теорії хвиль нижегородец Юхим Пеленовский, — що цунамі — це результат своєрідного «поршневого» механізму коливання дна океану, викликаного землетрусом, внаслідок чого виштовхується вгору стовп води. Її надмірна маса під дією сили тяжіння теж починає коливатися і залучає до цієї амплітуди коливань сусідні ділянки«.

Сьогодні цунамі стає великою проблемою для країн, розташованих на тихоокеанському узбережжі. Та все ж велетенські хвилі-одинаки — це не цунамі. Вони ніяк не пов'язані з сейсмічною активністю. Є версія, що вони можуть породжуватися метеоритами, що впали в океан. Так, учені вважають, що приблизно 100 000 років тому на узбережжя Гавайських островів обрушилася хвиля 300-метрової висоти, викликана, мабуть, падінням великого метеорита. Але це, на щастя, явище надзвичайно рідкісне.

Механіка хвилі

Частки води завдяки їх великій рухливості легко виходять із стану рівноваги під дією різного роду сил і здійснюють коливальні рухи. Причинами, що викликають появу хвиль, можуть бути приливообразующие сили Місяця і Сонця, вітер, коливання атмосферного тиску, підводні землетруси або деформації дна. Вітрові хвилі утворюються за рахунок енергії вітру, що передається шляхом безпосереднього тиску повітряного потоку на навітряні схили гребенів і тертя об поверхню води.

механіка хвилі

Природа утворення хвиль на водній поверхні була добре вивчена, змодельована і описана європейськими ученими в першій половині XIX століття. Вже тоді було ясно, що при вітрі силою більше двох балів(швидкістю понад чотири вузли) потоки повітря передають морським брижам енергію, цілком достатню для утворення справжніх хвиль і брижів.


Якщо вітер не вщухає, хвилювання поступово посилюється, оскільки коливальні рухи води отримують додаткову енергію ззовні. Висота хвилі при цьому залежить не лише від швидкості вітру, але і від тривалості його дії, а також від глибини і площі відкритої води.

У довідниках і енциклопедіях приведені висоти хвиль, характерні для різних океанів. Так, енциклопедичний словник Брокгауза і Ефрона повідомляє, що найбільші хвилі зустрічаються в області західних вітрів Індійського океану(11,5 м) і в східній частині Тихого океану(7,5 м). Одного разу такі хвилі спостерігалися у Азорських островів(15 м) і в Тихому океані між Новою Зеландією і Південною Америкою(14 м).

Коли хвиля, що приходить з відкритого моря, вибивається клин піднесеним дном, виникає прибій або бурун. На західному узбережжі екваторіальної Африки і біля Мадраса в Індії хвилі прибою іноді досягають 22 метрів у висоту. Деякі учені-океанологи заперечують існування величезних хвиль-вбивць у відкритому морі, вважаючи, що об'єктивна картина спотворюється в очах переляканих очевидців. Із-за поглиблення, яке завжди йде перед хвилею, виникає особливий ефект сприйняття, що посилюється ще і тим, що корабель розташовується не горизонтально, тобто паралельно підошві хвилі, а нахилений до неї. У результаті висота хвилі може сильно перебільшуватися.

Проте факти, що постійно накопичуються, доводять зворотне. Відомо, що різні хвилі можуть взаємодіяти, викликаючи посилення і послаблення хвилювання. Накладення двох когерентних хвиль викликає хвилю, висота якої дорівнює сумі висот окремих хвиль. Це явище називається інтерференцією.

вода

Саме інтерференцією учені пояснюють виникнення в деяких місцях океану незвичайно високих хвиль. Вони зустрічаються на «стику» хвиль Атлантичного і Індійського океанів — у мису Доброї Надії, найпівденнішої точки африканського континенту, і у мису Голковий. Хвилі, що тут зустрілися, починають громадитися одна на одну, породжуючи величезні вали. Моряки називають їх «кейпроллерами»(від англійських слів саре — мис і roller — вал, велика хвиля), а океанологи — відокремленими або епізодичними хвилями. Кейп-ролери знищують як малі судна, так і величезні танкери, спортивні яхти і суховантажі, пасажирські лайнери. Мабуть, саме із-за такої хвилі потерпіло катастрофу біля східних берегів Південної Африки радянське транспортне судно «Таганрозька затока» в 1985 році.

Кейпроллеры виникають не лише у південного краю Африки, але і в районах Ньюфаундлендської банки, у Бермудських островів, у мису Горн, на околицях норвезького шельфу і навіть біля берегів Греції. Якщо дві хвилі, що інтерферують, зустрічають на шляху яку-небудь перешкоду — мілина, рифи, острів або берег — виклинювання породжує нову хвилю, що набагато перевершує по висоті своїх «батьків». Із-за відображення хвиль від різних перешкод в результаті накладення відбитої хвилі на пряму можуть виникати так звані стоячі хвилі. На відміну від хвилі, що біжить, в стоячій не відбувається течії енергії. Різні ділянки такої хвилі коливаються в одній і тій же фазі, але з різною амплітудою.

гігантська волна

Інтерферує між собою, можуть стикатися повітряні потоки і морські течії, і тоді їх енергія підсумовується у вигляді хвиль. Ось чому можна зустріти суперхвилі в Гольфстрімі, Куросио і інших потужних океанських течіях.


Біля мису, що користується поганою славою, Горн відбувається те ж саме : швидкі течії стикаються з протидіючими вітрами. Проте і механізми інтерференції не можуть дати вичерпного пояснення причин виникнення хвиль-велетнів.

Самотні вбивці

У розгадці секретів велетенських хвиль на допомогу океанографам прийшли фізики і математики. Юхим Пелиновский вивчив і описав механізм виникнення відокремлених стаціонарних хвиль, які називають солитонами(від solitary wave — відокремлена хвиля). Головна особливість солитонов полягає в тому, що ці хвилі-одинаки не міняють своєї форми в процесі поширення, навіть при взаємодії з собі подібними. Такі хвилі можуть поширюватися на дуже великі відстані без втрати своєї енергії. Товща води в океані влаштована дуже непросто. Океан неоднорідний по вертикалі: там є шари різної щільності, в кожному з яких можуть виникати і поширюватися внутрішні хвилі, що досягають висоти в 100 і більше метрів. Пелиновский вважає, що у внутрішніх шарах океану теж існують солитоны, і активно займається їх дослідженням і прогнозом.

самотня волна

Великомасштабні атмосферні дії — циклони і антициклони — призводять до підвищення або пониження поверхні океану в областях низького і високого тиску. Цей зв'язок дістав назву закону зворотного барометра. Пониження атмосферного тиску тільки на 1 мм ртутного стовпа може викликати підвищення рівня океану в цьому місці на 13 мм. Якщо ж тиск падає на десятки міліметрів, що нерідко трапляється під час тайфунів, то на поверхні океану з'являється піднесеність в метри або десятки метрів, яка, поширюючись, може породити велетенську хвилю. Перепади тиску можуть привести до виникнення резонансних явищ, які і служать причиною зародження величезних хвиль в океані.

Математичне моделювання морських хвиль проводиться сьогодні у багатьох країнах світу, учені пропонують рішення, дуже несхожі один на одного, по‑різному описуючи різні типи велетенських хвиль.

Звичайно ж, математичні моделі створюються не лише заради пояснення природи хвиль. Учені ставлять перед собою цілком конкретну мету — навчитися рятувати від загибелі судна і нафтогазові споруди на шельфі. А головне — життя людей. У кінці 90-х Європейський союз створив проект MaxWave — з метою зібрати факти і документально підтвердити існування поодиноких величезних хвиль, а також відстежувати, моделювати і прогнозувати їх появу, щоб інформувати моряків про небезпеку. Подібний проект по моніторингу велетенських хвиль виконує в США Управління морських досліджень, в якому накопичуються постійні спостереження, отримані за допомогою авіації, супутників і радарів.

Наукові дослідження показали, що в середньому одна з 23 хвиль істотно перевершує інші за своїми параметрами. Статистика свідчить, що одна відокремлена хвиля, що втричі перевершує за своїми параметрами звичайну, доводиться на 1175 хвиль, а чотирикратне перевищення зустрічається у однієї хвилі з 300 тисяч нормальних. Проте статистика, на жаль, не дозволяє передбачити появу хвилі-вбивці.

Останні спостереження учених доводять, що хвилі-гіганти — не така вже рідкість, і їх існування слід враховувати при проектуванні судів. У університеті Глазго складений каталог недавніх морських катастроф, викликаних хвилями-вбивцями. З 60 надвеликих суден, затонулих в період з 1969 по 1994 рік, 22 вантажні судна завдовжки більше 200 метрів стали жертвами велетенських хвиль. Вони проламували головний вантажний люк і затоплювали головний трюм. У цих корабельних аваріях загинули 542 людини. У великій небезпеці виявляються і нафтовики, оскільки здобич поступово переміщається на океанський шельф, а при проектуванні нинішніх морських платформ і плавучих бурових існування велетенських хвиль-вбивць явно не бралося в розрахунок.

Схожі матеріали