Волнение.
Этот вид движения воды образует хорошо знакомую картину взволнованной поверхности океанов и морей. Волнение представляет собой совокупность волн, колебание водной поверхности у положения равновесия, то есть вверх и вниз от среднего уровня. В горизонтальном направлении водные массы при волнении не распространяются, а волна — это периодические колебания частиц воды около положения их равновесия, совершаемые по замкнутым или почти замкнутым орбитам в вертикальном и в некоторой мере в горизонтальном направлениях. Внешне этот процесс проявляется в виде следующих один за другим валов и углублений между ними.
Волны характеризуются следующими элементами: наиболее низкая часть волны называется подошвой, самая высокая гребнем (рис.6).
Крутизна – угол между профилем волны (склоном) и горизонтальной плоскостью. Расстояние по вертикали от гребня до подошвы – высота, а расстояние между двумя подошвами или двумя гребнями – длина волны. Скорость волны – расстояние, пробегаемое гребнем (подошвой) в единицу времени. Период волны – промежуток времени между прохождением через одну и ту же точку 2-х последовательных гребней (подошв).
Рис. 6 Элементы волны
Главная причина волнообразования – ветер. При скорости ветра ≈0,25 м/сек. От трения воздуха о водную поверхность возникает рябь – система мелких равномерных волн. При V>1м/с устанавливается волнение.
При движении волн каждая водная частица равномерными движениями описывает круговые орбиты около уровня равновесия. Все частицы движутся в одну сторону и в каждый момент встречи он находятся в разных точках орбит (Рис. 7).
Рис.7. Движение частиц воды при волнении
Под действием ветра волны деформируются. Нарушается симметрия Подветренный склон становится круче наветренного, а при сильном ветре гребень разбрызгивается, образуя барашки.
При приближении к берегу волны также трансформируются. От трения о дно убывает их скорость, но возрастает их высота и крутизна. При опрокидывании гребня волны на отмелях и отмелых берегах образуется прибой.
Ветровое волнение вызывает ветер. Воздействуя на поверхность воды, он, благодаря трению о воду, создает волновые движения. Так, на поверхности воды даже при скорости ветра 1 м/с образуются волны в виде ряби. Их высота - несколько миллиметров, а длина - несколько сантиметров. При устойчивом ветре эти волны увеличиваются в размерах, прежде всего в длине, которая постепенно достигает нескольких метров.
Размеры волн прямо зависят от скорости, продолжительности действия ветра и от длины его разгона, т.е. от расстояния, которое он пробегает над водой по одному направлению. В разных районах Мирового океана волнение неодинаково. Оно наиболее часто наблюдается в океаническом кольце Южного полушария, между 40 и 60° ю.ш. Здесь обычно развиваются крупные волны. Обширные площади сильного волнения расположены в умеренных широтах Северного полушария, в основном в северных частях Тихого и Атлантического океанов. У южной и северной границ экваториальной области нередко проносятся тропические ураганы, которые возбуждают здесь сильное волнение.
В общем, в Мировом океане в значительной мере преобладают волны высотой до 4м, а волны выше 7,5м встречаются относительно редко. Длина волны обычно 90-100м, а ее максимальные значения - порядка 800м. Самые высокие волны - 34м. Наиболее высокие волны зарегистрированы в северной части Тихого океана.
Волны цунами возникают вследствие подводных землетрясений, которые деформируют дно. Эта деформация дна приподнимает или опускает здесь всю толщу воды, что приводит ее в движение на некоторой ограниченной площади океана. От нее на поверхности начинает перемещаться длинная волна или несколько волн. Высота волны в месте зарождения всего 1-2м, а длина - несколько километров, поэтому ее крутизна ничтожна и волна цунами практически незаметна для визуального наблюдения. Лишь при подходе к берегу, волна трансформируется и достигает высоты 5-10м, а в исключительных случаях - 35м. Обрушиваясь на берег, она производит катастрофические разрушения в прибрежной зоне. Это грозное стихийное бедствие с негативными экономическими и экологическими последствиями.
Наиболее часто цунами возникают в западной части Тихого океана, что объясняется сейсмической и вулканической активностью этого региона. Подсчитано, что за последнее тысячелетие в Тихом океане было около 1000 цунами. В Атлантическом и Индийском их было несколько десятков. В большинстве случаев цунами наблюдаются у берегов Японии, Чили, Перу, Алеутских и Гавайских островов.
В связи с большой опасностью цунами в Японии, России, США и некоторых других государствах организована специальная служба предупреждения цунами. В основе ее работы - инструментальные сейсмологические наблюдения за подводными землетрясениями и гидрологические наблюдения за изменением уровня океана. Полученные этой службой данные о приближении цунами передаются административным органам для обеспечения безопасности людей.
Внутренние волны представляют собой колебательное волновое движение в толще воды океанов и морей на поверхности раздела ее слоев различной плотности. Обычно эти слои движутся с разной скоростью относительно друг друга, что нарушает их равновесие. В результате частицы воды погружаются на глубину, в более плотные слои, откуда архимедовы силы плавучести выталкивают их вверх. Пройдя по инерции положение равновесия и оказываясь в верхних, более легких слоях, частица снова начинает тонуть. Возникшие таким образом колебания слоев воды и есть внутренние волны. Их высоты могут достигать десятков и даже сотен метров, но на поверхности внутренние волны настолько мало проявляются, что зрительно они почти незаметны.
Известны случаи, когда воздействие внутренних волн ощущали надводные и подводные суда. Например, корабль «Фрам» Нансена при подходе к кромке льда вдруг резко замедлил ход, хотя машина работала на полных оборотах, никаких видимых препятствий не было. Как выяснилось, причиной этого была «мертвая вода», т.е. сильно развитые здесь внутренние волны. Эффект «мертвой воды» объясняется затратой энергии машины судна на преодоление внутренних волн, вследствие чего скорость движения корабля снижается.
Во время подводного плавания на мезоскафе «Бен Франклин» в Гольфстриме руководитель экспедиции Жак Пикар отметил, что внутренние волны периодически поднимали «Бен Франклин» вверх на 30м и за несколько минут опускали его на 50м вниз.
В апреле 1963г. во время погружения затонула американская подводная лодка «Трешер». Ученые предполагают, что причиной гибели подводной лодки стали внутренние волны. Они могли «затащить» подводный корабль на глубину ниже предельной, на которую был рассчитан его прочный корпус. Лодка затонула на глубине 2800м
Значение волн:
Перемешивания верхнего слоя океана и снабжение его О2.
При разбрызгивании морской Н2О, в атмосферу попадает и соль, которая в этих условиях играет роль ядер при конденсации атмосферного пара.
Волны абрадируют прибрежную сушу, исстирают обломочный материал, дробят скалы.
Кавитация (нарушение сплошности воды во время удара).