Навигационными пособиями, в которых содержатся подробные сведения о ледовом режиме и обстановке того или иного района Мирового океана, являются, лоции, атласы физико-географических данных, атласы льдов, альбомы ледовых образований на морях.
Лоции. В разделе «Гидрометеорологический очерк» лоций помещаются общие сведения о ледовом режиме: указаны сроки появления льда и очищения от ледового покрова в отдельных районах, описаны основные виды и формы плавучих льдов, их мощность и направление дрейфа, а также районы побережья, где встречается припай. Кроме того, даны схемы, на которых показаны средние границы распространения льда в годы с малой, средней и большой ледовитостью. В некоторых лоциях помещены и другие подробные данные о ледовом режиме и условиях плавания во льдах.
Атласы физико-географических данных. В этих атласах даются более подробные сведения о льдах, представляющие средние или максимальные и минимальные значения ледового режима. Например, в атласе помещаются ежемесячные карты распределения льдов, на которых могут быть выделены районы распространения айсбергов и показана вероятность встречи с ними и т. п.
Атласы льдов—это специальные Атласы льдов, в которых помещены наиболее подробные сведения о льдах какого-либо моря. Например, есть Атлас льдов Балтийского моря и прилегающих районов. Он специально создан для обеспечения безопасности судовождения в зимнее время. В нем помещены подробные сведения о ледовом режиме и условиях плавания зимой на Балтийском море и прилегающих районах; даны специальные рекомендации по лучшему обеспечению безопасности зимней навигации.
Альбомы ледовых образований на морях. В этих альбомах помещаются фотографии существующих видов и форм морского льда. К каждому снимку дается соответствующее пояснение ледовых терминов и явлений, связанных с наличием льдов в море. В начале в альбомах дается краткое описание процессов образования и таяния морского льда; помещаются схемы встречающихся в море основных видов и форм льда; дается классификация и терминология льдов, встречающихся в море, и явлений, с ними связанных. В конце альбомов имеется ряд приложений, помогающих лучше разбираться в ледовой обстановке на море.
Альбомы ледовых образований на морях могут быть широко использованы судоводителями при опознании отдельных видов и форм льда и их состояния, а также чтения и составления оперативных ледовых карт и ледовых донесений.
ВОЛНЫ В МОРЕ
Виды волн
Классификация волнения. Волны на море классифицируются по различным признакам. По происхождению, т. е. силам, вызывающим волнение, выделяются следующие виды морских волн: ветровые, образующиеся под действием ветра;
приливо-отливные, возникающие под действием сил притяжения Луны и Солнца;
аномобарические, возникающие при сгонах и нагонах воды и при резких изменениях атмосферного давления;
цунами (сейсмические волны), возникающие в результате землетрясений, моретрясений, извержений вулканов и других динамических процессов, протекающих в земной коре;
корабельные, образующиеся при движении корабля.
Преобладающими на поверхности океанов и морей являются ветровые и приливо-отливные волны.
По действию силы после образования волн различают волны свободные, когда сила прекращает свое действие после образования волн, и вынужденные, когда действие силы не прекращается.
По изменчивости элементов (высота, длина и др.) волн во времени выделяют установившиеся, или регулярные волны, которые не изменяют своих элементов, и неустановившиеся, или нерегулярные, развивающиеся или затухающие, изменяющие свои элементы по времени.
По расположению в толще воды различают волны, возникающие на поверхности моря, и внутренние, возникающие на той или иной глубине.
 |
По форме волны подразделяются на двухмерные, трехмерные и уединенные (одиночные). Двухмерные волны имеют большую протяженность гребня и представляют собой идущие друг за другом ясно различимые длинные валы.
Трехмерные волны не образуют параллельных валов и имеют длину гребня, соизмеримую с длиной волны. Гребни и подошвы трехмерных волн располагаются без какой-либо определенной системы, часто в шахматном порядке.
Ветровое волнение чаще всего является трехмерным. Уединенные (или одиночные) волны имеют только куполообразный гребень и не имеют подошвы. Если на гребне уединенной волны поместить какой- либо плавающий предмет, он будет перемещаться вместе с гребнем. Поэтому уединенную волну называют также переносной.
По отношению длины волны и глубины моря различают короткие и длинные волны. Короткие — те, у которых длина волны значительно меньше глубины моря; длинные, у которых наоборот, длина волны значительно больше глубины моря.
По перемещению формы волны различают поступательные и стоячие волны. Поступательные волны характеризуются видимым перемещением формы (профиля) волны. Частицы воды при этом движутся по почти замкнутым орбитам, имеющим форму, близкую к окружности или к эллипсу. Стоячие волны, или сейши, характеризуются тем, что частицы воды совершают периодические движения только в вертикальном направлении. Самый простой вид сейш возникает, когда уровень воды поднимается у одного края водоема и одновременно опускается у другого. При этом по середине наблюдается линия, вдоль которой частицы воды не имеют вертикальных перемещений. Эта линия называется узлом сейша. Более сложные сейши бывают двухузловыми, трехузловыми и т. д. Сейши могут возникать по различным причинам. Например, при сгоне и нагоне воды, когда с прекращением ветра в бассейне начинаются колебания уровня в виде стоячих волн. В небольших бассейнах (в гавани, в ковше и т. п.) сейши могут возникать при прохождении судов.
Процесс возникновения, развития и затухания ветровых волн. Ветровые волны возникают вследствие передачи энергии ветра частицам воды на поверхности моря. Волновое движение начинается с очень малых, так называемых капиллярных волн или волн ряби. Эти волны достигают высоты в несколько миллиметров и длины около 17 мм. Как только появляются такие волны, ветер начинает давить на их наветренные склоны с большей силой, чем на подветренные, защищенные гребнем. Под воздействием ветра волны приобретают все большую высоту, длину и энергию.
Рост, формирование и изменение ветровых волн зависят от величины энергии, передаваемой ветром, ее дальнейшего распределения и трансформации. С увеличением скорости ветра и продолжительности его действия наблюдается рост отдельных элементов волн. Сначала они растут быстро, а затем их рост замедляется. При этом всегда их длина растет быстрее высоты, что приводит к уменьшению крутизны волны.
Энергия ветра, передаваемая волнам, расходуется в основном на преодоление сил внутреннего трения (вязкости) в воде, возрастающего при увеличении высоты волн, поэтому скорость нарастания последней постепенно уменьшается. С течением времени действия данной силы ветра на рост волн происходит до определенных пределов, после чего он прекращается, сколько бы ни дул ветер.
Ветер, как известно, воздействующий на поверхность моря, неоднороден по своей структуре. Его скорость и направление в различных точках поверхности моря неодинаковы и не остаются неизменными по времени. Поэтому под воздействием ветра создается сложная система волн различной высоты и длины. По этой причине они не могут распространяться параллельными грядами, т. е. иметь характер двухмерных волн, а разбиваются на ряд холмов и впадин и принимают характер трехмерных волн.
Различная скорость распространения волн приводит к тому, что одни волны нагоняют другие и сливаются (интерферируют друг с другом). В результате создаются группы волн и отдельные волны различной высоты. Причем такие одиночные волны или группы относительно высоких или низких волн, как установлено многочисленными наблюдениями, образуются без какой-либо определенной периодичности. Несколько волн подряд имеют примерно одинаковые размеры, затем появляется волна большего размера, образованная в результате интерференции двух-трех и более волн, а далее следует несколько меньших волн и снова одна или несколько почти одинаковых больших. Отсюда и зародилась легенда о «девятом вале», будто во время шторма на море девятый вал бывает сильнее и опаснее других волн. В действительности же ветровое волнение очень неравномерно, распределение его элементов носит случайный, хаотический характер.
Таким образом, на поверхности моря одновременно существуют волны самых различных размеров и характера. Поэтому картину физического процесса ветрового волнения лучше всего представить себе в виде непрерывного спектра волн, различных по высоте, длине, периоду и другим характеристикам. Иначе говоря, ветровое волнение нужно рассматривать как сложный волновой процесс, представляющий собой взаимодействие большого числа простых волн.
Если ветер ослабевает или прекращается, то волны исчезают не сразу, а постепенно. Вначале гасятся мелкие волны, потом более крупные, самые же большие волны гасятся медленнее и могут существовать после прекращения ветра в течение многих часов.
Волны-убийцы (Блужда́ющие во́лны, волны-монстры, freak wave — аномальная волна) — гигантские волны, возникающие в океане, высотой более 30 метров, обладают несвойственным для морских волн поведением.
Еще каких-то 10-15 лет назад ученые считали истории моряков об исполинских волнах-убийцах, которые возникают из ниоткуда и топят корабли, всего лишь морским фольклором. Долгое время блуждающие волны считались выдумкой, так как они не укладывались ни в одну существовавшую на то время математические модели расчётов возникновения и их поведения, потому как волны высотой более 21 метра в океанах планеты Земля не могут существовать.
Одно из первых описаний волны-монстра относится к 1826 году. Её высота была более 25 метров и заметили её в Атлантическом океане недалеко от Бискайского залива. Этому сообщению никто не поверил. А в 1840 году мореплаватель Дюмон д'Юрвиль рискнул явиться на заседание Французского географического общества и заявить, что своими глазами видел 35-метровую волну. Присутствующие подняли его на смех. Но историй о громадных волнах-призраках, которые появлялись внезапно посреди океана даже при небольшом шторме, и своей крутизной походили на отвесные стены воды, становилось все больше.
Исторические свидетельства "волн-убийц"
Так, в 1933 году корабль ВМС США "Рамапо" попал в шторм в Тихом океане. Семь суток корабль бросало по волнам. А утром 7 февраля сзади внезапно подкрался невероятной высоты вал. Вначале судно швырнуло в глубокую пропасть, а потом подняло почти вертикально на гору пенящейся воды. Экипаж, которому посчастливилось выжить, зафиксировал высоту волны - 34 метра. Двигалась она со скоростью 23 м/сек, или 85 км/ч. Пока что это считается самой высокой когда-либо измеренной волной-убийцей.
Во время Второй мировой войны, в 1942 году, лайнер "Королева Мария" вез 16 тыс. американских военных из Нью-Йорка в Великобританию (между прочим, рекорд по количеству человек, перевозимых на одном судне). Неожиданно возникла 28-метровая волна. "Верхняя палуба была на обычной высоте, и вдруг - раз! - она резко ушла вниз", - вспоминал доктор Норвал Картер, находившийся на борту злополучного корабля. Корабль накренился под углом 53 градуса - если бы угол составил хотя бы на три градуса больше, гибель была бы неизбежной. История "Королевы Марии" легла в основу голливудского фильма "Посейдон".
Однако 1 января 1995 года на нефтяной платформе «Дропнер» в Северном море у побережья Норвегии была впервые приборно зафиксирована волна высотой в 25,6 метров, названная волной Дропнера. Проект "Максимальная волна" позволил по-новому посмотреть на причины гибели сухогрузов судов, которые перевозили контейнеры и другие немаловажные грузы. Дальнейшие исследования зафиксировали за три недели по всему земному шару более 10 одиночных гигантских волн, высота которых превышала 20 метров. Новый проект получил название Wave Atlas (Атлас волн), в котором предусматривается составление всемирной карты наблюдавшихся волн-монстров и её последующую обработку и дополнение.
Причины возникновения
Существует несколько гипотез о причинах возникновения экстремальных волн. Многие из них лишены здравого смысла. Наиболее простые объяснения построены на анализе простой суперпозиции волн разной длины. Оценки, однако, показывают, что вероятность экстремальных волн в такой схеме оказывается слишком мала. Другая заслуживающая внимания гипотеза предполагает возможность фокусировки волновой энергии в некоторых структурах поверхностных течений. Эти структуры, однако, слишком специфичны для того, чтобы механизм фокусировки энергии мог объяснить систематическое возникновение экстремальных волн. Наиболее достоверное объяснение возникновения экстремальных волн должно основываться на внутренних механизмах нелинейных поверхностных волн без привлечения внешних факторов.
Интересно, что такие волны могут быть как гребнями, так и впадинами, что подтверждается очевидцами. Дальнейшее исследование привлекает эффекты нелинейности в ветровых волнах, способные приводить к образованию небольших групп волн (пакетов) или отдельных волн (солитонов), способных проходить большие расстояния без значительного изменения своей структуры. Подобные пакеты также неоднократно наблюдались на практике. Характерными особенностями таких групп волн, подтверждающими данную теорию, является то, что они движутся независимо от прочего волнения и имеют небольшую ширину (менее 1 км), причем высоты резко спадают по краям.
Впрочем, полностью прояснить природу аномальных волн пока не удалось.
Тип и форма волнения. Возникающее на поверхности моря под действием ветра волнение подразделяется на два основных типа: ветровое и зыбь.
Ветровым называется волнение, которое создается ветром, дующим в данном месте в данное время, т. е. в момент наблюдения. Волны при этом находятся под непосредственным воздействием вызвавшего их ветра, который изменяет их размеры и форму. Как только ветер прекращается, прекращается и ветровое волнение.
Зыбь — это волнение, уже не находящееся под воздействием вызвавшего его ветра и распространяющееся по инерции в виде свободных волн.
При ветровом волнении волны распространяются по направлению ветра, причем подветренный склон круче наветренного. При усилении ветра появляются барашки, гребни волн опрокидываются и срываются, образуя полосы пены. Волны зыби обычно значительно длиннее ветровых, более пологи и имеют почти симметричную форму. Направление распространения волн зыби может значительно отличаться от направления ветра.
Зыбь
В открытом море чаще всего наблюдаются одновременно и ветровое волнение и зыбь, в чистом виде они встречаются весьма редко. Волнение обычно бывает смешанным. Почти всегда в море наблюдается зыбь (как остаточное волнение После прекратившегося ветра), на которую накладывается волнение, возбуждаемое ветром, дующим в данное время. Чисто ветровое волнение (без зыби) встречается обычно в заливах, проливах и других защищенных районах моря, а в открытом море — только после длительного затишья, охватывающего обширные пространства моря. Зыбь в чистом виде наблюдается в открытом море только при штиле, тогда она называется мертвой.
Толчея возникает в том случае, когда встречаются две или более систем волн. Волны толчеи стоячие. Признаком толчеи служит видимое отсутствие поступательного перемещения волн. Толчея почти всегда возникает при отражении волн от препятствий в результате встречи прямых волн с отраженными. Она образуется в центральной области циклонов, особенно тропических, в результате схождения здесь нескольких систем волн, идущих от разных направлений. Толчея представляет большую опасность для судов, так как волны очень круты, с конусообразными по своей форме гребнями и обладают большой силой удара.
Возникшее в открытых районах океанов и морей сильное волнение распространяется до самих берегов и вызывает здесь новые формы волнения, прибои, буруны,взбросы.
Прибой — это ветровые волны или зыбь вблизи берегов, когда глубина становится меньше половины их длины. При этом с уменьшением глубины они становятся все более крутыми, а их разрушающая сила повышается. Во время прибоя большие массы воды переносятся в сторону берега и образуются придонные течения от берега в сторону моря. Кроме того, если волны прибоя набегают косо на берег, возникает еще так называемое вдольбереговое течение, вследствие которого на отдельных участках побережья после накопления больших масс воды образуются очень сильные разрывные течения.
Волны прибоя и возникающие при этом течения создают в зоне прибоя силы, действующие в различных направлениях и на различных глубинах. Вследствие этого здесь возникают опрокидывающие и переворачивающие моменты сил, воздействующие на суда и другие плавсредства, оказывающиеся в зоне прибоя. Поэтому плавание в прибрежной мелководной зоне и высадка на берег во время прибоя бывают очень затруднительными и опасными, а иногда и совсем невозможными.
Если штормовые волны достигают на глубокой воде высоты 4 — 6 м, то на мелководье у берега они вызывают прибой высотой от 5 до 7 м, особенно когда гребни волн движутся параллельно берегу. На океанских побережьях в штормовую погоду прибой нередко достигает 6 — 11 м в высоту.
Прибойные волны опасны и сами по себе, так как обладают огромной разрушительной силой. Сила их удара может достигать очень больших величин, измеряемых тоннами и десятками тонн на квадратный метр (например, на атлантическом побережье Америки сила удара волны, зарегистрированная приборами, достигала 90 т/м2). Известно множество примеров исключительных разрушений прибрежных скал, портовых гидротехнических сооружений и судов.
Буруны возникают при разрушении волн у подводных или надводных каменных гряд или отмелей, расположенных на некотором расстоянии от берега. Буруны могут служить предупреждением о подводных препятствиях. При набегании волн на крутые, отвесные и приглубые берега, вертикальные стенки гидротехнических сооружений образуют столбы воды, которые называются взбросами. Они могут достигать очень большой высоты. При обрушивании взброса массы воды ударяются о дно и разрушают его. Взбросы — большая угроза для портовых сооружений.
Характер волнения в открытых океанах, во внутренних морях и у берегов. Ветровое волнение в открытых океанах и в глубоких больших морях имеет следующие характерные особенности: в океанах после начала действия ветра волны достигают максимальных размеров при данной силе ветра спустя продолжительное время (1 — 2 суток); при прекращении действия ветра волнение медленно затухает и может продолжаться в виде зыби еще много часов.
Во внутренних морях характерными особенностями волнения являются следующие:
после начала действия ветра волны очень быстро достигают максимальных значений, так, например, в мелководном Азовском море при штормовом ветре волны достигают максимальных размеров менее чем через 1 ч после начала действия ветра; при любом, даже очень сильном ветре волны никогда не достигают таких огромных размеров, как в открытых океанах и глубоководных больших морях во время длительных штормов; значительная крутизна волны; быстрое затухание волнения по прекращении действия ветра.
Все особенности волнения во внутренних морях связаны с относительно небольшими их размерами и глубинами.
У берегов океанов и морей волнение характеризуется тем, что как бы беспорядочно оно ни было вдали от берега, при выходе на мелководье в прибрежной зоне становится более упорядоченным. Волны распространяются по мелководью более или менее правильными параллельными грядами, часто в виде двухмерных волн. Такое преобразование волн у берегов обусловлено быстрым гашением малых, обладающих меньшей энергией волн. Одновременно с этим происходит так называемая рефракция волн (рис. 85), т. е. изменение направления движения (разворот) фронта волны. С приближением к берегу фронт волны стремится занять положение, параллельное береговой черте. Явление рефракции объясняется тем, что волны на небольших глубинах имеют меньшую скорость распространения, чем на больших. Часто можно видеть, как волны, движущиеся вдали от берега, перпендикулярно ему, при выходе на мелководье резко изменяют свое направление и движутся уже на берег.
Влияние волнения на мореплавание. Волнение — одно из самых распространенных и грозных природных явлений на море, оказывающее большое влияние на практическую деятельность флота. Волнение вызывает качку судов. При вертикальной качке средние и большие суда могут иметь вертикальные колебания до нескольких метров, что очень опасно при плавании в мелководных районах, так как при этом они могут ударяться днищем о грунт. Поэтому наличие волнения вызывает необходимость в дополнительном запасе глубины под килем. Бортовая качка оказывает большое влияние на остойчивость судна. Если период собственных колебаний судна совпадает с периодом волн, то вследствие явления резонанса амплитуда колебаний судна значительно возрастает. Это может привести к повреждению судна и даже его опрокидыванию и гибели. Большая килевая качка совместно с вертикальной может привести к потере общей продольной прочности судна и его аварии и даже гибели. Чрезмерная килевая качка может вызвать неблагоприятные условия заливаемости палубы. Небольшие суда при значительном волнении вынуждены укрываться и отстаиваться в бухтах и портах, где волнение не может разыграться так сильно, как в открытом море. Ветер и волнение оказывают большое влияние на скорость судна и вызывают его дрейф и рыскание. Опыт показывает, что при штормовых ветрах и волнении суда могут терять скорость до 50% и более, что в значительной мере увеличивает продолжительность рейса. Суда теряют скорость не только при встречном, но и при попутном ветре и волнении. Правда, потеря скорости в этом случае несколько меньше, чем при встречном. При волнении и качке происходит обнажение винтов, особенно, если судно идет в балласте. Это приводит к ненормальной работе машин, потере скорости и большой вибрации. Под влиянием ветра и волнения судно хуже слушается руля и может потерять управляемость. Сильные удары волн могут вызвать разрушение надстроек и других частей судна, а подчас и его гибель. Массы воды обрушиваются на судно, заливают палубу и представляют большую опасность для груза и экипажа. Если длина волны совпадает с длиной судна, идущего перпендикулярно фронту волны, возникают большие напряжения и деформации в корпусе судна. Сильное волнение отрицательно сказывается на работе многих судовых механизмов, навигационных приборов и слаженности работы экипажа, ухудшается состояние людей.
Волнение и прибой размывают и разрушают берега, портовые сооружения, перемещают донные наносы (ил, песок, гальку и др.), заносят морские судоходные каналы и портовые акватории и этим наносят большой ущерб судоходству.
Элементы волн
Элементы волны. Волны состоят из чередующихся между собой валов (возвышений) и впадин (углублений, ложбин) и характеризуются следующими элементами (рис. 86): гребень — наивысшая точка волнового профиля; подошва (ложбина)-наинизшая точка волнового профиля; высота И — расстояние по вертикали от подошвы до гребня; длина Л (лямбда) — расстояние по горизонтали между соседними гребнями или подошвами;
крутизна — наклон волнового профиля в данной точке к горизонту (крутизна волны в различных точках волнового профиля различна; для удобства характеристики пользуются отношением высоты к длине, т. е. й/Л (лямбда), которое и называется крутизной волны); фронт — линия, проходящая вдоль гребня волн; линия, перпендикулярная фронту волны, называется волновым лучом;
период г(тета) — промежуток времени между прохождением двух последовательных гребней (или подошв) через одну и ту же точку пространства; другими словами, это промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине (для стоячей волны период равен промежутку времени, за который совершается полное колебание уровня);
скорость распространения С -расстояние по горизонтали, проходимое гребнем или подошвой волны в единицу времени в направлении её перемещения.
Основными элементами волн являются высота, длина, период и скорость распространения волн.
Внутреннее строение волн. Теоретически и опытами доказано, что частицы воды, захваченные волновым колебательным движением под действием ветра на водную поверхность, движутся по почти замкнутым круговым или эллипсовидным орбитам в вертикальной плоскости, расположенной перпендикулярно фронту волны (см. рис. 83 и 87).
Наблюдателю при взгляде на бегущие волны кажется, что вода перемещается вместе с волной. Но если пронаблюдать за каким-либо предметом, плавающим на взволнованной водной поверхности, то можно убедиться, что он не перемещается вместе с волной, а совершает движения по круговой орбите: вверх и вперед, вниз и назад.
Движение каждой частицы (см. рис. 84) направлено вверх и вперед вдоль вогнутой линии при подходе гребня, вверх — на гребне, вниз и назад — при спуске в следующую подошву. И хотя частицы снова относятся назад, они все же несколько подвигаются вперед по движению волны. Во время волнения это вызывает дрейф предметов при отсутствии течений, но оно настолько незначительно, что не учитывается в практике судовождения.
Чтобы понять, как из колебательного движения частиц воды получается поступательное движение гребней и подошв волны, рассмотрим положение частиц жидкости на взволнованной поверхности моря. Выберем для этого несколько частиц, находящихся на некоторых равных произвольных расстояниях друг от друга по линии, перпендикулярной фронту волны. Под действием ветра эти частицы начнут колебаться и двигаться по круговым орбитам равных радиусов. Центры этих круговых орбит 0, 02, 03 и т. д. лежат на одной горизонтальной линии (см. рис. 86). Понятно, что на спокойной поверхности раньше начнет двигаться наветренная частица, а не подветренная, т. е. раньше всего начнет колебаться частица 1, за нею 2 и т. д. Причем частицы будут двигаться по своим орбитам по часовой стрелке — в сторону распространения волнения. В своем движении по круговым орбитам каждая последующая по направлению движения формы волны частица отстает от предыдущей на один и тот же угол ф(фи). Этот угол между радиусом орбиты, проведенным через данную частицу, и вертикальным направлением называется фазой частицы.
Следовательно, в момент времени частицы, лежащие на поверхности одной и той же волны, должны находиться при движении по своим орбитам в различных фазах. Если частица 1 находится в самой нижней точке своей орбиты, то частица 2, лежащая справа от первой, в этот момент находится немного позади в своем движении по орбите сравнительно с частицей 1. Частица 3 должна отстать на тот же угол от частицы 2 и т. д. Проводя кривую через эти точки, получим профиль волны в момент времени 1 (сплошная кривая). Эта кривая называется трохоидой. Опытным путем установлено, что частицы воды движутся по орбитам с одинаковой угловой скоростью. Поэтому в следующий момент времени они переместятся на своих орбитах на один и тот же угол и займут положение, обозначенное цифрами Г, 2‘, 3‘ и т. д. Проводя пунктирную кривую через указанные точки, получим профиль волны в момент времени 12. Как видно из рисунка, профиль волны сместился в направлении действия силы (ветра), хотя частицы воды и не имели поступательного движения. Таким образом, вращательное движение последовательно расположенных частиц воды, сдвинутых на некоторый фазовый угол относительно друг друга в начальный момент, и создает картину видимого поступательного движения профиля волны.
Изменение волнения с глубиной. Двигаясь по своим орбитам, поверхностные частицы передают движение частицам воды, лежащим на глубине. Но при этом диаметры орбит с глубиной быстро уменьшаются (см. рис. 83). Опытные и теоретические исследования показывают, что с глубиной волнение быстро затухает, что имеет важное значение для подводного мореплавания.
Гидродинамическая теория волн позволила установить следующие закономерности изменения волнения с глубиной.
1. Гребни глубинных волн располагаются под гребнями поверхностных волн, а подошвы — под подошвами.
2. Длина, период и скорость распространения волн с глубиной не меняются.
3. С увеличением глубины в арифметической прогрессии высота волн убывает в геометрической прогрессии.
На основании этой закономерности считается, что на глубине, равной половине длины волны, волнение практически незначительно, так как на этой глубине высота волны в 23 раза меньше, чем на поверхности. На глубине же, равной длине волны, волны имеют высоту в 535 раз меньшую, чем на поверхности.
Зависимость элементов волн от различных факторов. Главными факторами, от которых зависит изменение размеров элементов волн, являются: скорость (сила) ветра, Продолжительность его действия, длина разгона волны, изменение направления и скорости ветра.
С увеличением скорости и продолжительности действия ветра наблюдается рост отдельных элементов волн. Под продолжительностью действия ветра подразумевается промежуток времени, в течение которого на волны воздействует постоянный по скорости и направлению ветер.
Рост волн не продолжается бесконечно при длительно действующем ветре одной и той же силы. Даже и при ветре ураганной силы волны достигают максимальных значений в больших глубоких морях и в океанах примерно через 1 - 2 суток, после чего рост волн прекращается.
Максимальное для данной скорости ветра волнение будет наблюдаться лишь тогда, когда длина разгона (т. е. расстояние, на котором ветер постоянного направления воздействует на волны) и продолжительность действия ветра достаточно велики и не ограничивают развития волнения.
Глубина моря оказывает большое влияние на развитие размеров элементов волн. При глубинах моря менее длины волны, вследствие трения о дно, элементы волн не могут достигать таких больших размеров, как на глубоком море.
Из сказанного следует, что большие волны могут возникать при очень сильном ветре постоянного направления, дующем продолжительное время (более 1 — 2 суток), в значительных по размерам и глубинам бассейнах.
На элементы волн и их изменение оказывают заметное воздействие морские течения, наличие на поверхности моря масла, льда и других предметов, выпадение града, дождя и других осадков.
Приборы и методы наблюдений над волнением. Наблюдения над волнением производятся как с береговых пунктов (на морских гидрометеорологических станциях и постах), так и в открытом море (на судах). Зная элементы волн, судоводитель может выбрать оптимальные курс и скорость судна. Благодаря этому можно уменьшить потерю скорости судна, заливаемость палубы, чрезмерную качку и т. п.
С помощью визуальных наблюдений можно определить состояние поверхности моря, тип и форму волнения и глазомерно приблизительно оценить отдельные элементы волн. Более точное определение элементов волн может быть осуществлено только с помощью приборов.
Наблюдения над волнением на судах заключаются в визуальном определении типа и формы волнения, определении элементов волн, оценке степени волнения в баллах и оценке состояния поверхности моря.
Результаты определения типа и формы волнения (см. § 60) записываются в соответствующей графе наблюдательской книжки с помощью сокращенных обозначений: ветровое волнение — вв, зыбь — з, мертвая зыбь — мз, правильные волны — пв, неправильные волны — не, толчея — т. Если наблюдаются одновременно и зыбь и ветровое волнение, то запись делается в виде дроби — вв/з (если ветровое волнение преобладает «ад зыбью) или з/вв (если зыбь преобладает над ветровым волнением).
Направлением распространения (бега) волн называется истинный румб, от которого движутся волны. Для судна на ходу направление волнения имеет очень большое значение. Для его определения пеленгуют по компасу гребни волн в профиль, т. е. располагают пеленгатор так, чтобы они были параллельны плоскости визирования. Отсчет по картушке исправляют поправкой компаса и прибавляют (или вычитают) 90°. Направление распространения волн определяют либо в градусах (с точностью до 5-10°), либо в румбах.
Высота волны — наиболее важная характеристика волнения. Чем она больше, тем более опасно волнение. При волнении высота отдельных волн не бывает одинаковой. Практический интерес представляет определение высоты наиболее крупных волн.
Если высота волн больше высоты надводного борта, то при положении судна на подошве волны гребни волн будут проектироваться на линию горизонта. В этом случае наблюдатель, поднимаясь на надстройки, может найти такое положение, при котором гребень ближайшей волны был бы в створе с линией горизонта. Если в этот момент судно находится на подошве волны и его крен не превышает 10 — 15°, то высоту волны можно считать равной высоте глаза наблюдателя над ватерлинией судна.
Если высота волн меньше высоты надводного борта, тогда ее можно определить путем сравнения с известными высотой борта и надстроек судна.
Определяя глазомерно высоту волн, необходимо помнить следующие основные правила:
наблюдения лучше всего выполнять, находясь ближе к уровню воды, лицом навстречу волнам, т. е. со стороны их подветренных, более крутых склонов;
наблюдать следует волны с хорошо выраженными пенистыми гребнями; замечать высоту следует в тот момент, когда гребень начинает заваливаться, но еще не сорвался вниз;
наблюдать волны надо в некотором отдалении от борта судна; надо определить высоту не менее пяти крупных волн, которые кажутся наибольшими из числа окружающих, и указать высоту наибольшей из них.
Если длина волны меньше длины судна, тогда два наблюдателя расходятся вдоль палубы на такое расстояние, чтобы оба одновременно находились против гребней двух соседних волн. Когда длина больше длины судна, то с кормы спускают на лине буек так, чтобы наблюдатель на корме и буек одновременно находились на двух следующих друг за другом гребнях волн. Измеренное расстояние и будет равно длине волны Л(лямбда), если судно идет (или стоит на якоре) против волны или в направлении движения волнения, т. е. если курсовой угол волн равен 0 или 180°. Если волна движется под углом к к диаметральной плоскости судна, то Х(лямбда) = L cos к, где L - расстояние между наблюдателями.
Например, судно идет истинным курсом 60°, а направление волнения 90°, тогда к = 30°. Измеренное расстояние между гребнями двух соседних волн на борту судна 50 м. Длина волны X (лямбда) = 50 х 0,86 = 43,0 м.
Период волны определяют следующим образом. Если судно находится на якоре или в дрейфе, замечают по секундомеру время прохождения гребней волн через створ каких-либо предметов на судне. Для этой цели удобно использовать пеленгатор, визирная плоскость которого будет служить удобным створом. Линию визирования следует избирать параллельно фронту волн, заметив время прохождения через визир 11 гребней волн подряд, делят это время на 10. Это будет средний период из 10 последовательно пройденных волн. Измеряется период волн в секундах.
На ходу судна наблюдатель таким способом может измерить только кажущийся период волн.
Рекомендуется определять на ходу судна период волн, наблюдая за каким-либо плавающим предметом, сброшенным за борт. В тот момент, когда предмет будет на гребне волны, включают секундомер и выключают его, когда предмет окажется на следующем гребне. Роль поплавка могут также выполнять приметные пятна пены на поверхности волн. Для повышения точности наблюдение следует повторять несколько раз и взять среднее. Наиболее точно период определяется при встречном волнении.
Для определения скорости волны с судна, стоящего на якоре, два наблюдателя, поместившись на каком-либо измеренном заранее расстоянии один от другого на палубе вдоль борта судна, замечают время прохождения одного и того же гребня волны через линии визирования, перпендикулярные диаметральной плоскости судна. Для этого поступают так. Наблюдатель, первым отмечающий прохождение гребня через свою линию визирования, дает сигнал второму наблюдателю, который в этот момент пускает секундомер. Секундомер выключается, когда гребень волны пройдет через линию визирования второго наблюдателя.
Для оценки волнения моря существуют две шкалы от 0 до 9 баллов: одна - шкала состояния поверхности моря (табл. 19), обозначается арабскими цифрами, другая - шкала степени волнения (табл. 20), обозначается римскими цифрами.
Шкала волнения моря.
| Волнение (баллы) | Высота волн, м | Степень волнения | Признаки волнения |
| 0 | 0 | Совершенно спокойное море | Зеркально-гладкое море |
| 1 | 0,25 | Спокойное море | Рябь, небольшие чешуеобразные волны без пены |
| 2 | 0,25-0,5 | Слабое волнение | Короткие волны, гребни, опрокидываясь, образуют стекловидную пену |
| 3 | 0,50-0,75 | Легкое волнение | Волны удлиненные, местами барашки |
| 4 | 0,75-1,25 | Умеренное волнение | Волны хорошо развиты, повсюду белые барашки |
| 5 | 1,25-2 | Неспокойное море | Образуются крупные волны, белые пенящиеся гребни занимают значительные площади |
| 6 | 2-3 | Крупное волнение | Волны громоздятся, гребни срываются, пена ложится полосами по ветру |
| 7 | 3-5 | Сильное волнение | Высота и длина волн заметно увеличены, полосы пены ложатся тесными рядами по направлению ветра |
| 8 | 5-10 | Жестокое волнение | Высокие, гороподобные волны с длинными ломающимися гребнями. Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. Поверхность моря от пены становится белой |
| 9 | Более 10 | Исключительное волнение | Высота волн настолько велика, что суда временами скрываются из виду. Море в направлении ветра покрыто пеной. Ветер, срывая гребни, несет водяную пыль, уменьшающую видимость |
Примечание. Если высота волн такова, что степень волнения может быть оценена одним из двух баллов шкалы, следует принимать наибольший. Например, высота волн 6 м соответствует VII баллам.
 |
Определение состояния поверхности моря осуществляется только при ветре, согласно признакам, приведенным в шкале. При этом критерием для оценки состояния поверхности моря является вид этой поверхности без учета размеров волн. При наличии мертвой зыби состояние поверхности моря не определяется.
Балл степени волнения определяется по табл. 20 в зависимости от высоты волн. Запись делается в виде двух цифр, разделенных черточкой. Первая цифра (арабская) означает высоту волн в метрах, вторая (рим- ская)-балл степени волнения. Например, 3,0-У означает: наибольшая высота волн 3 м, степень волнения 5 баллов.
При наблюдениях волнения на судах в книжке обязательно должны быть записаны: место наблюдений (координаты судна), время наблюдений (часы и минуты), число, месяц, год и данные о скорости и направлении ветра.
Наблюдение над волнением с помощью РЛС. Характер и силу волнения, а также длину, период и скорость волн можно определять с помощью судовой радиолокационной станции (РЛС). Отраженные радиолучи от морских волн хорошо заметны на экране станции. Изображения эхосигналов от волнения имеют весьма характерный вид и распознаются безошибочно (рис. 88).
Они имеют вид мерцающих точек вблизи центра экрана, которые при каждом обороте антенны изменяют положение, яркость и вид. Площадь экрана, покрываемая сигналами от волнения, их интенсивность зависят от силы волнения, его характера и размеров волн. Зона эхосигналов от доли на экране (см. рис. 87) имеет форму овала. Большая часть зоны при этом расположена с наветренной стороны. Это явление объясняется тем, что подветренные склоны волн, вследствие большой крутизны, дают более сильные эхо-сигналы, чем наветренные, более пологие.
Ввиду того что мощность рассеянной морскими волнами энергии радиоволн быстро убывает с увеличением расстояния от антенны, зона экрана, засвеченная сигналами от волнения, ограничена: при волнении 5 — 6 баллов радиус этой зоны не превышает 2 миль, а при сильном волнении может доходить до 3 — 4 миль.
Крупная зыбь на экране может наблюдаться на сравнительно больших расстояниях. Ряды валов зыби обычно дают очень четкие эхосигналы, которые позволяют уловить общее направление распространения зыби.
Когда ветровое волнение и зыбь отсутствуют, иногда можно обнаружить местные возмущения водной поверхности (сулои, буруны), похожие на сигналы от волн, но располагающиеся отдельным пятном, границы потоков приливо-отливных течений.
Величины элементов ветровых волн и их повторяемость. Океанские ветровые волны могут достигать высоты 18 — 25 м и больше. В антарктических водах с дизель-электрохода «Обь» в 1958 г. инструментально была измерена высота волны 24,5 м. Длина ветровых волн достигает 400 м. Волны зыби могут обладать еще большей длиной. В Атлантическом океане, несколько севернее экватора, наблюдалась зыбь длиной 824 м с периодом 23 сек и скоростью распространения свыше 70 узлов.
В океанах при обычном волнении высота волн часто достигает 7 — 8 м, а длина — 120 — 150 м с периодом около 10 сек; на морях такие волны возможны как максимальные. Например, в Азовском и Балтийском морях высота волн достигает 3 — 5 м, в Черном, Японском, ВосточноКитайском, Южно-Китайском и Охотском морях — 6 — 8 м.
Навигационные пособия по волнению моря. Сведения о повторяемости волнения приводятся в лоциях, атласах, справочниках.
Лоции. Сведения о волнении в лоциях могут быть даны по-разному. Иногда дается только краткая словесная характеристика волнения, дающая общее представление о величине и характере волнения по сезонам года в отдельных районах морях, а иногда весьма подробная. Например, в лоции Японского моря подробное словесное описание характеристики волнения дополнено еще удобными для пользования схемами, картами и таблицами.
Атласы физико-географических данных. В атласах дается очень подробная характеристика волнового режима. Они состоят из набора различных карт, характеризующих волнение того или иного бассейна по месяцам и сезонам года. Например, Атлас физико-географических данных северной части Атлантического океана, изд. 1955 г., содержит карты волнения и карты зыби для четырех сезонов года. На этих картах «розами» по восьми румбам показаны повторяемость волнения и зыби по направлению и силе в отдельных квадратах океана. Длина отдельных лучей «розы» в масштабе шкалы определяет процент повторяемости направления волнения. Цифры в кружках определяют процент отсутствия волнения, цифры в нижнем углу квадрата — число использованных наблюдений над волнением в данном квадрате.
Для определения повторяемости волнения и зыби на пути следования судна следует определить характеристики «розы» волнения соответствующих квадратов.
В Атласе помещены также карты повторяемости волнения и зыби в процентах от общего числа наблюдений. При этом даны карты для слабого и сильного волнений, слабой и крупной зыби в изолиниях и штриховке голубых оттенков.
В других подобных Атласах, например Климатологическом и гидрологическом атласе Балтийского моря, изд. 1957 г., представлен целый ряд карт, на которых изолиниями показаны характеристики величин и распределение волнения на каждый месяц года. В данном атласе содержатся карты среднего балла волнения, карты повторяемости волнения различной силы для каждого месяца года и ежемесячные карты повторяемости сильного волнения.
В этом пособии имеются таблицы повторяемости ветров и волнения, даны также значения наибольших высот и соответствующих им длин и периодов волн. В пособии имеется Таблица зависимости элементов волн от скорости, продолжительности и длины разгона ветра. С ее помощью для районов открытого моря по скорости ветра (м/сек) и длине разгона волн (км) можно определять их высоту, период и продолжительность роста.
Содержащиеся в перечисленных и в других подобных им пособиях сведения по волнению моря позволяют мореплавателю решать ряд практически важных задач: правильно оценить условия плавания и выбрать наиболее выгодные и безопасные навигационные пути с учетом ветра и волнения, учесть эти данные при проектировании новых судов и правильной их классификации по районам плавания при разработке норм и правил Регистра.
Дата: 2019-12-10, просмотров: 327.
