Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

• Название: Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
• Автор: Гэвин Претор-Пинни
• Издательство: Лайвбук
• Жанр: Физика
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-904584-33-7

Приготовьтесь: вас ждет кругосветное путешествие по всевозможным волнам: от серферских океанических до мозговых, радио-, микро-, инфракрасных, акустических, световых и многих прочих.

Претор-Пинни предлагает нам заново взглянуть на наш постоянно взволнованный мир.

---

Не так-то просто представить, как вода остается на месте, а энергия движется дальше, поэтому, говоря о волне, я для наглядности буду обращаться к ее размерам. Едва заметная рябь отличается от гигантских волн цунами двумя категориями: высотой и так называемой длиной волны.

Высотой волны считается разница между гребнем и подошвой. Ученые в таком случае говорят об амплитуде. Обычно амплитуда представляет собой половину высоты волны, поскольку сравниваются уровень гребня волны и уровень спокойной воды; она удобней для схематического изображения волн. На мой взгляд, гораздо сподручнее измерять высоту волны от гребня до подошвы.

Длина волны — это расстояние от одного гребня, или пика, до другого. И хотя при слове «волна» мы чаще всего представляем единичный гребень воды (и используем термин для описания любого отдельно взятого пика), в океане одинокие волны не встречаются. Они неизменно путешествуют в компании, поэтому термином «волна» обозначают как один гребень, так и цуг гребней и подошв. Зачастую — мы это наблюдали, находясь под скальным выступом на корнуоллском берегу, — волнение на поверхности воды такое беспорядочное, что определить длину волны хотя бы приблизительно невозможно. Только обозревая с вершины скалы упорядочение двигающиеся широкие волны, можно сказать, на каком расстоянии друг от друга находятся гребни: на большом, когда один гребень удален от другого, или малом — гребни теснятся друг к дружке.

Как измерить океаническую волну 

Эти две величины дают общее представление о размере волн в тот или иной момент, но вот об их движении ничего не говорят. А как вам авторитетно заявит любой серфингист, волны — и есть движение. Тут-то нам и пригодится такое понятие, как частота волны, — это количество гребней, проходящих через определенную точку (например, торчащую из воды жердь) в каждую секунду. Если говорить о мелкой ряби, какая образуется от брошенного в пруд камешка, то счет проскакивающих определенную точку волн идет не на единицы, а на десятки. Однако нас не особенно интересуют настолько малые волны — едва заметная рябь не заставит серфингиста в азарте схватить свою доску, не причинит вред буровой вышке, на что способны гигантские валы. Нас интересуют волны, которые гораздо больше обычной ряби — один гребень следует за другим с интервалом в целых шестнадцать секунд. В данном случае частота волны составляет одну шестнадцатую, то есть 0,0625 гребней в секунду. Но оперировать такими величинами неудобно, поэтому ход океанических волн измеряют в периодах; период — это всего-навсего количество секунд между двумя гребнями, проходящими через определенную точку.

Форма волны меняется в зависимости от степени ее крутизны

К основным характеристикам океанической волны помимо размера и движения относится еще и форма. Некоторым волнам, когда они вздымаются и опадают, присущи широкие, симметричные колебания, в профиле приближающиеся к синусоиде — она показана в верхней части схематического рисунка волн.

Большинство же волн имеют другую форму. Чем круче волна, тем менее она похожа на синусоиду. Скорее ее форму можно назвать формой трохоиды. Трохоида симметрична лишь относительно вертикальной оси, ее остроконечные пики отделяются друг от друга плавными подошвами. Однако крутая волна вовсе не обязательно будет большой. Те беспорядочные гребешки, которые мы с Флорой наблюдали под скальным выступом, были не скругленными, а заостренными. Определяющая форму волны крутизна зависит от высоты волны относительно ее длины, а вовсе не от общего размера. Даже маленькие волны, если они, что называется, едва не наступают друг дружке на пятки, будут крутыми и, следовательно, своей формой повторят трохоиду.

* * *

Облака и океанические волны иногда похожи, но внешнее сходство — не единственное, что их роднит. На самом деле, прибойные волны, пускай и косвенно, принимают участие в формировании облаков. Когда гребни волн достигают берега и обрушиваются на самих себя, под воздействием турбулентности образуется бесчисленное множество крошечных воздушных пузырьков, которые лопаются — и в воздухе образуется взвесь из мельчайших водяных капелек. Вода испаряется, а маленькие частицы соли так и остаются в воздухе; воздушный поток подхватывает их и увлекает в верхние слои атмосферы. Эти микроскопические частицы соли являются одними из самых эффективных ядер конденсации, формирующих большинство облаков — на них начинает оседать невидимый глазу водяной пар. В результате образуются крошечные капельки — низкие облака. Только не подумайте, будто прибойная волна способствует образованию облаков прямо над собой — она способствует лишь тому, что ядра конденсации, эти важные составляющие облака, всегда носятся в нижних слоях атмосферы. Верно и обратное — облака, по крайней мере грозовые тучи, играют определенную роль в формировании волн. Это может показаться странным, особенно если вы, сидя в тени слегка колышущейся пальмы на пляже какого-нибудь курортного местечка в экзотической стране, наблюдаете за лениво лижущим берег прибоем. Набегающая волна кажется спокойной, она напоминает мерное дыхание океана — непрерывную череду вдохов и выдохов. Однако под мягкостью накатывающих волн скрывается их буйный нрав. Эти гостьи, такие кроткие и безмятежные у берега, зародились среди хаоса и шквального ветра бури, разыгравшейся где-то далеко в открытом море и давным-давно стихшей.

Как возникают штормовые волны? И, если уж на то пошло, как беспорядочное мельтешение гребней преобразуется в стройные ряды волн, которые накатывают на берег, рассыпаясь брызгами у ваших ног? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо представить путь волн через океан, проследив каждую стадию их развития — от рождения в море до агонии «с пеной у рта» и кончины на берегу.

Весь жизненный цикл волн можно разбить на пять этапов; на каждом этапе волнам присущ свой неповторимый характер.

* * *

Начнем с самого начала — с рождения волны.

Волны образуются постоянно, на всей протяженности мирового океана, однако удобнее всего наблюдать их зарождение в тихой, спокойной обстановке, скажем, в небольшой морской акватории без всяких волнений. На самом деле та кой акватории не существует, но мы ее вообразим. Ближе всего к ней «конские широты» — штилевая полоса Атлантического океана между 30 и 33 градусами северной широты в Северном и Южном полушариях и «унылые широты» — экваториальная штилевая полоса, расположенная по обе стороны от экватора — 5-10 градусов на север и на юг. Обе эти области отличаются слабыми, неустойчивыми ветрами. Так как именно ветер образует волны, порой в этих безветренных широтах волнение практически отсутствует. Однако у любого океана, даже в самую безветренную погоду, зеркально гладкая поверхность все же волнуется — под влиянием едва ощутимых отголосков далеких штормовых волн.

Штилевые периоды в «конских широтах» могут продолжаться довольно долго — благодаря стабильно высокому давлению в этих областях. Считается, что название «конские широты» возникло в восемнадцатом веке: испанский торговый корабль вез в Новый Свет лошадей, но, чтобы сэкономить стремительно таявшие запасы воды, вынужден был от живого груза избавиться. И все-таки не будем ждать у моря погоды — облюбуем себе акваторию в «унылых широтах». Вот как поэт Сэмюэл Кольридж описал в своем известном произведении слабые, нерешительные ветры этой области:

За днями дни, за днями дни
Мы ждем, корабль наш спит,
Как в нарисованной воде
Рисованный стоите.{3}

Название «унылые широты» говорит само за себя. Для этой области, в противовес «конским широтам», характерно низкое давление, а значит, удушливое, внушающее суеверный страх безветрие вскоре сменится совсем иной погодой — мягкие, едва заметные колебания на поверхности воды очень кстати подрастут.

Теплый, влажный воздух вокруг этого экваториального пояса вызывает довольно ощутимую атмосферную неустойчивость. Воздух быстро поднимается, влага конденсируется, образуя высокие грозовые тучи. Шквалы и штормы в области «унылых широт» возникают неожиданно, иногда перерастая в тропические циклоны невероятной разрушительной силы. Но нам с вами ничего столь губительного не нужно — для зарождения волн вполне сойдет рядовой шторм на море.

Капельки, которые образуются в растущих грозовых тучах, в момент конденсации вызывают нагревание воздуха — он расширяется и, становясь легче, поднимается вверх. Таким образом, атмосферное давление на уровне моря резко падает, и образовавшуюся пустоту стремительно заполняет окружающий воздух. То есть появляется тот самый ветер, благодаря которому рождаются наши океанические волны. Он знаменует первый этап их жизненного пути.