7. Динаміка вод світового океану

7.1. Хвилювання в океанах і морях

Повного спокою в океані не буває. У результаті дії різних природних сил на води океанів і морів виникають коливальні (хвильові) і поступальні рухи (течії) часток води. Поширення коливальних часток у морській воді називається хвильовим рухом або хвилями. Морські хвилі являють собою періодичні коливання навколо положення своєї рівноваги.

Морські хвилі за походженням бувають:

• вітрові – викликані вітром;

• припливно-відпливні – виникають під дією гравітаційних сил

Місяця та Сонця;

• анемобаричні – з’являються зі зміною атмосферного тиску;

• сейсмічні (цунамі), що виникають у результаті динамічних

процесів у земній корі (землетруси, вулканічні виверження);

• корабельні – утворюються під час руху корабля.

За формою хвилі розрізняють на поступальні (хвилі, в яких спостерігається видиме переміщення хвилі) і стоячі (сейші), у яких такого переміщення не буває. Найбільш простий вид сейші виникає тоді, коли рівень води піднімається біля одного краю водойми і одночасно знижується біля іншого. При цьому вздовж його середини частки води вертикально не переміщаються. Це місце називають вузлом сейші. Сейші бувають двовузлові, тривузлові тощо. Виникають вони за різними причинами. Наприклад, під час згону та нагону води. Коли із зупиненням вітру в басейні починається коливання рівня у вигляді стоячих хвиль. У невеликих басейнах сейші можуть виникати під час проходження кораблів.

За розміщенням у потоці хвилі поділяють на поверхневі хвилі, що утворюються на поверхні моря; внутрішні, що виникають на деякій глибині і майже не проявляються на поверхні.

По співвідношенню довжини хвилі і глибини моря хвилі поділяють на короткі ( у яких довжина хвилі менше глибини моря) і довгі ( у яких довжина хвилі більша глибини моря).

У морських хвилях розрізняють такі елементи:

• гребінь хвилі – найвища точка хвильового профілю;

• підошва хвилі – найнижча точка хвильового профілю;

• висота хвилі – відстань по вертикалі від підошви до гребня

хвилі;

• довжина хвилі – відстань по горизонталі між двома гребенями

послідовних хвиль ( чи між двома послідовно розміщеними найнижчими точками в напрямку розходження хвиль);

• крутість – відношення висоти хвилі до її довжини;

• період – проміжок часу між проходженням двох суміжних

гребенів хвиль через одну і ту саму фіксовану точку; визначають і як проміжок часу, за який хвиля проходить свою довжину;

• фронт – лінія, яка проходить уздовж гребеня хвилі і перпен-

дикулярна до напрямку переміщення хвиль;

• хвильовий промінь – лінія, яка перпендикулярна до фронту

хвилі;

• напрямок поширення – це кут між північним напрямом маг-

нітної стрілки і напрямом руху хвилі.

За формою хвилі поділяються на двомірні і тримірні. Двомірні хвилі мають значну протяжність гребеня, в багато разів довшу за довжину хвилі і являють собою чітко розрізнені довгі хвилі, що йдуть одна за одною. Тримірні хвилі не утворюють паралельних валів і мають довжину гребеня, яка відповідає довжині хвилі. Гребень і підошва тримірної хвилі розташовані без визначеної системи, частіш за все у шахматному порядку.

Вітрові хвилі – це складні тримірні коливальні рухи водної поверхні, викликані вітром, утворюються внаслідок переносу енергії від атмосфери до води. Розміри океанічної хвилі залежать від швидкості, тривалості вітру, а також від просторів, на яких діє вітер. Як наслідок, на поверхні води навіть при швидкості вітру 1 м/с утворюються маленькі хвилі висотою, яка вимірюється в міліметрах, та довжиною в сантиметрах. Ці хвилі мають вигляд рябизни. Оскільки існування таких хвиль пов’язане з поверхневим натягом, їх називають капілярними.

Якщо вітер проходить над поверхнею короткочасним поривом, то утворені ним плями рябизни зникають із затуханням вітру. Якщо вітер стійкий, то капілярні хвилі, інтерферуючи, збільшуються за розмірами перш за все по довжині. Ріст хвиль приводить до їх об’єднання у групи та подовження їх до декількох метрів. Хвилі стають гравітаційними. При подальшому посиленні вітру вода зазнає не тільки тертя, а й ударів повітря в навітряні схили хвиль.

Якщо гребні та підошви розташовуються паралельно і на рівній відстані одне від одного, то утворюються правильні (двомірні) хвилі. А коли водночас існують декілька систем хвиль, то це буде неправильне тримірне хвилювання. Величезні площі сильного хвилювання розташовані в помірних широтах (“ревучі сорокові”). Значні хвилювання часті в океанічному кільці південної півкулі, в районах квазістаціонарних атмосферних фронтів. Найдовші хвилі (близько 800 м) спостерігаються біля південних берегів Британських островів і в екваторіальній частині Атлантичного океану, найвищі (3-4 м) посередині північної частини Тихого океану. Гігантські хвилі спостерігаються також біля південних берегів Африки.

Під час швидкої зміни напрямку вітру, наприклад, у циклоні, зіштовхуються хвилі, які надходять з різних сторін, і утворюють особливий вигляд хвилювання — товкотнеча.

Трансформація хвиль відбувається також і під час надходження їх до берега. Коли хвилі надходять до мілководдя, то тертя об дно знижує швидкість їх руху, збільшується висота і крутизна. У берегів це приводить до виникнення прибою. Прибій — це пінисті вали, які утворюються під час набігання хвиль на пологий берег.

При пологому дні і крутому високому березі гребінь ударяє в берег, і вода скидається вгору, утворюється скид.

Якщо неподалік від урізу води на дні є гряда з меншими глибинами (наприклад, рифи), то хвиля, не доходячи до урізу, руйнується і утворює бурун.

Висота хвилі, яку здіймає вітер, різна. Найбільша із зареєстрованих була зафіксована 6 лютого 1933 р. в центральній частині Тихого океану. Вона становила 34 м.

Великі хвилі породжуються тропічними циклонами і штормами.

Попри тривалі дослідження, багато явищ, пов’язаних з морськими хвилями, ще й досі не з’ясовані. Так, остаточно не розкрито природу тягунів. Це резонансні хвильові коливання води у вигляді горизонтальних і вертикальних рухів з періодом від 0,5 до 4,0 хв. Своїм походженням вони зобов’язані чергуванню груп високих і низьких хвиль. Невидимі підводні хвилі рвуть сталеві швартові троси. Судна навалюються на стіни набережних чи сусідні судна, б’ються об пристані або різко відкидаються від них.

Учені досліджують хвилі, щоб запобігти їх руйнівній силі. На підставі численних досліджень складено карту зон максимального хвилювання Світового океану. Дві такі зони виявлено, зокрема, в Північній Атлантиці. Одна з них знаходиться поблизу східного узбережжя Північної Америки. Тут бувають хвилі заввишки 20 м. Друга, з хвилями до 16 м, лежить на захід від Шотландії. Центр найдовших (800 м) хвиль Тихого океану знаходиться в його північно-західній частині.

Карта центрів максимального хвилювання має велике практичне значення для мореплавства. Користуючись нею, судна обминають небезпечні штормові райони. Особливо важливо це для перевезення вантажів, що не витримують хитавиці.

Внутрішні хвилі виникають під дією припливоутворюючих сил Місяця й Сонця, вітру, атмосферного тиску. Тому серед цих хвиль виділяють припливні, метеорологічні та інерційні.

Океан охоплює хвилювання навіть при спокійній поверхні. В його товщі виникають внутрішні хвилі, досить значні за амплітудою і поширенням. Утворюються вони на межі двох різних за густиною шарів води і набагато вищі від поверхневих, але поступаються їм за швидкістю. На поверхні моря внутрішні хвилі не видні. Їх виявляють завдяки ретельним вимірюванням температури, солоності й густини. Буває, що нульова ізотерма за 16 год. піднімається з глибини 480 м до 9 м.

Відомо, до яких катастрофічних наслідків призводять цунамі. Вони виникають не лише через землетруси або виверження на дні океану, а й спричиняються виверженнями на суходолі. Судно може відчути хвилювання тільки як поштовх в днище в початковий період і тільки в тому випадку, якщо воно знаходиться над ділянкою деформації дна. Тільки у берега відбувається сильна деформація хвилі, росте її висота, і вона накатується на сушу велетенським валом. Цунамі частіше за все бувають у берегів Японії, Чилі, Перу, Алеутських та Гавайських островів. Вони мають дуже велику швидкість поширення - до 800 км/год.