Волновые движения в океане

Одна из особенностей Мирового океана, приводящая к воз­никновению необычайно зрелищного и интересного явления, за­ключается в наличии свободной границы океана, которая энер­гетически прозрачна, легко деформируема и подвижна. Эта особенность приводит к возникновению и развитию морских гравитационных поверхностных волн, которые возникают под действием ветра и являются наиболее очевидным проявлением динамического взаимодействия океана и атмосферы. В качестве силы, возвращающей в положение равновесия водную поверх­ность, выступает сила тяжести. Роль возвращающей силы может играть и сила поверхностного натяжения — при этом возникают поверхностные капиллярные волны. Мелкая рябь, возникающая на поверхности пруда или лужи при порывах ветра, имеет имен­но такую природу.

Однако наряду с поверхностными гравитационными и капил­лярными волнами в океане существует множество других видов волн, которые играют важную роль в динамике океана. Грави­тационные волны возникают благодаря действию силы тяжести на частицы воды, отклоненные от положения равновесия. Сила тяжести возвращает их в исходное положение. Такие равновес­ные положения могут быть связаны со свободной поверхностью или внутренней геопотенциальной поверхностью в стратифици­рованной жидкости.

Подобно тому, как поверхностные волны существуют на гра­нице вода-воздух, на границе раздела вод разной плотности будут существовать внутренние гравитационные волны. Обра­зование внутренних волн происходит не только при скачкооб­разном изменении плотности, но и при ее непрерывном рас­пределении по глубине. Возникновение внутренних волн можно представить себе следующим образом. Если в покоящейся стра­тифицированной среде возникло возмущение, которое вывело частицу воды из состояния равновесия, то возникает возвращаю­щая сила, равная равнодействующей архимедовой силы и силы тяжести, вызывающая колебания около положения равновесия.

7 В И Трухин и др

190 Гл. JO. Волны в океане

Распространение этих колебаний в среде и представляет собой внутренние волны. Амплитуда волн этого типа в океане может достигать сотни метров, длина волны — многие километры, но колебания водной поверхности при этом будут ничтожны. Обра­зование внутренних волн происходит под действием приливов, колебаний атмосферного давления, изменений поля приводно­го ветра, неустойчивости течений. Внутренние волны в океане имеют самые разнообразные формы — от почти синусоидальных до солитонообразных. Поверхностные течения, индуцированные внутренними волнами, оказывают сильное воздействие на ко­роткие поверхностные волны, перераспределяют поверхносто-активные вещества на морской поверхности. Образующаяся на поверхности зона выглаживания, так называемый слик, или на­оборот зона повышенной интенсивности волнения, или сулой, в которой наблюдается обрушение волн, имеют форму вытянутых полос, распространяющихся вместе с группами внутренних волн. По этим проявлениям на поверхности океана внутренние вол­ны и обнаруживаются. Так как поверхностные гравитационно-капиллярные волны, поверхностно-активные вещества сильно влияют на коэффициент отражения электромагнитных, в том числе световых волн, внутренние волны хорошо обнаруживаются дистанционными методами, например, они видны из Космоса. Внутренние волны по сравнению с обычными поверхностны­ми гравитационными волнами обладают рядом удивительных свойств. Например, групповая скорость внутренних волн перпен­дикулярна фазовой, угол отражения внутренних волн от откоса не равен углу падения [73, 63].

При рассмотрении крупномасштабных явлений в Мировом океане необходимо учитывать эффекты вращения Земли, изме­нение глубины и наличие берегов. Учет этих факторов обуслов­ливает возможность существования особых типов волн в океане. Сила Кориолиса является причиной возникновения инерцион­ных или гироскопических волн. Если во вращающейся системе координат частица воды движется с некоторой скоростью, то сила Кориолиса, действующая по нормали к скорости части­цы, обусловливает возникновение дополнительного движения по окружности. Однако частица не может двигаться независимо. Образующийся градиент давления совместно с силой Кориолиса приводит к возникновению волновых движений. Если наряду с силой Кориолиса важную роль играет сила тяжести, то возника­ют гравитационно-гироскопические волны.

Изменение географической широты обусловливает изменение вертикальной составляющей частоты вращения, это приводит к

Гл. 10. Волны в океане 191

образованию так называемых планетарных волн Россби, кото­рые локализуются в узкой экваториальной зоне и охватывают всю водную толщу. Экваториальная зона играет роль своеоб­разного волновода. Периоды волн Россби составляют десятки суток, длины волн достигают тысяч километров. Боковые грани­цы и изменение глубины на шельфе приводят к существованию нескольких типов береговых захваченных волн — шельфовых, краевых, Кельвина, топографических волн Россби. В возникно­вении этих волновых движений важна роль силы тяжести и рав­новесной потенциальной завихренности. Береговые захваченные волны оказывают существенное влияние на перемещение наносов и загрязнений, формирование берегов и течения.

Крупномасштабные волны типа волн Россби, Пуанкаре, Кель­вина оказывают существенную роль на термогидродинамику океана, взаимодействие атмосферы и океана, климат и погоду. Свойства многих этих волн существенно отличаются от свойств поверхностных гравитационных волн. Например, волны Кельви­на локализованы в узкой шельфовой зоне и распространяются в Северном полушарии вдоль берега против часовой стрелки. Эк­ваториальные волны Россби, имея пространственные масштабы в сотни километров, локализуются вдоль экватора и проявляются не в изменении уровня моря, а прежде всего, в форме вихревых течений, для них не имеет места равенство потенциальной и кинетической энергий.

Сжимаемость жидкости приводит к существованию в океане акустических волн, а электропроводность и магнитное поле Зем­ли обусловливают возникновение волн Альвена.

Если изобразить спектр (зависимость волновой энергии Е от волнового периода Т) гидродинамических волновых движений в океане, то он будет иметь вид, представленный на рис. 10.1 [73]. На спектре хорошо прослеживаются волновые колебания разных масштабов и периодов: область капиллярных и гравитационно-капиллярных волн, ветровые волны, зыбь, длинные гравитаци­онные волны и цунами, приливные волновые периоды, инерци­онные периоды и планетарные волны.

Основные факторы, обусловливающие волновые движе­ния в океане

Перечислим основные причины, вызывающие волновые дви­жения в океане. К таким причинам, прежде всего, следует от­нести:

— гравитационные силы; • . . ■

Гл. 10. Волны в океане 193

Для внутренних волн, которыми буквально пронизана почти вся толща вод Мирового океана, существенно наличие изменение плотности в поле силы тяжести. Наличие же свободной границы не важно.

Для длинных приливоотливных волновых движений сущест­венно гравитационное взаимодействие Луны и Солнца с учетом их вращения.

В возникновении волн Россби существенную роль играет из­менение равновесной потенциальной завихренности, а сила Ко-риолиса обусловливает образование инерционных волн.

Обычно по виду возвращающей силы выделяется пять основ­ных типов волн: звуковые, капиллярные, гравитационные, инер­ционные и планетарные. В природе действие сил происходит од­новременно, однако, в зависимости от масштаба явлений роль сил различна, и поэтому образуются самые разные типы волновых колебаний в соответствии с ролью преобладающих сил.

Таким образом, спектр волновых движений в океане весьма разнообразен, исследование волновых явлений составляет целый раздел физики моря. Познакомиться со всеми типами волновых движений в океане в рамках краткого курса не представля­ется возможным. Поэтому несколько подробнее ознакомимся с некоторыми особенностями морских ветровых волн, приливов, цунами.