"О скалы грозные дробятся с ревом волны..." – мощно, как штормовой прибой, звучит в опере "Садко" музыка Римского-Корсакова. Действительно, прибой, грохочущий у скалистого берега, одно из самых поразительных и грозных зрелищ. Он сотрясает тяжелые блоки портового мола и окутывает стеной брызг и пены высокую башню одиноко стоящего маяка.
Своим ритмом и изменчивой красотой прибой гипнотизирует человека. Кто бывал на берегу моря, тот хорошо знает, как трудно порой оторваться взглядом от этого чарующего зрелища.
Взбросы волны при ударе о препятствие достигают высоты в несколько десятков метров. Они устремляются вверх со скоростью 60-70 м/сек. У берегов Англии волны сорвали однажды колокол, висевший на маяке Бишоп-Рок на высоте 30 м над уровнем моря. На о. Вист, в архипелаге Шетландских островов, волны разбили фонарь маяка на высоте 60 м. Взброс волны у мола в Ялте достигает в высоту 30-40 м.
Встречая подводный камень или порог, прибой приобретает особенную силу. По исследованиям российского ученого В. М. Маккавеева, в водной среде в таких случаях происходит разрыв и образуется пустота. Затем наступает сжатие – вода врывается в пустоту, производя мощный гидравлический удар, возбуждающий донную волну, которая потом со страшным грохотом обрушивается на берег.
Даже в наше время высокоразвитого строительного искусства стихийная мощь моря нередко оказывается сильнее техники. На берегу Ламанша во французском порту Шербур волны однажды перебросили камни весом в 3,5 т через стену высотой в 6 м. В Голландии в Амстердамском порту 20-тонный бетонный блок был поднят волной на высоту 3,7 м и сброшен на пирс, возвышающийся на 1,5 ж над уровнем моря. С волнореза Вик в Шотландии была сдвинута с места и разбита стена из камней, железа и бетона весом в 1350 т. В Крыму, в Симеизе, штормовые волны однажды смыли в море двухэтажное здание. В 1953 г. в Генуе был разбит волнолом длиной 4 км и шириной 12 м, строившийся 18 лет. Он был рассчитан на волны 5-метровой высоты, а его атаковали 7-метровые волны. В Сочи было измерено давление волны на внешнее ограждение, равное 14 т/м2, в Дэнбере (Шотландия) зарегистрирован удар волны силой 37 т/м2, а в Дьеппе (Франция) – 60 т/м2.
Когда в море бушует шторм, грозная сила прибоя поражает, но кажется понятной и естественной. Но вот мы в Африке на Марокканском берегу Атлантического океана или на одном из Гавайских островов в Тихом океане. На безоблачном небе ярко светит солнце. Полный штиль и совсем непонятно, почему силуэт корабля, идущего далеко в море вдоль берега, то скроется в воде, то вынырнет на поверхность и четко обрисуется на фоне голубого неба. И еще более непонятно, почему при полном безветрии невдалеке от берега со страшным грохотом разбиваются и пенятся огромные валы прибоя. Разгадка обоих явлении – мертвая зыбь.
После шторма ветровые волны, сравнительно короткие и высокие, становятся ниже и длиннее. Они теряют свои гребни и превращаются в зыбь. В зыбь превращаются также ветровые волны, когда они выходят из области, в которой свирепствует ураган. Волны зыби растягиваются в длину на несколько сот метров, поэтому при высоте в несколько метров в открытом море они почти не заметны только издалека можно видеть, как корабль поднимается на гребень такой волны, а потом спускается к ее подошве словно погружаясь при этом в воду.
У берега, вступив на мелководье, зыбь делается короче, выше и круче и образует мощный прибой. Такой прибой почти никогда не прекращается у океанских берегов, потому что в широких океанских просторах всегда где-нибудь да бушует буря, а ее гонцы – волны мертвой зыби бегут от нее во все стороны на сотни и тысячи миль.
Волны пробегают эти огромные расстояния быстрее самого быстроходного парохода. Накопив энергию ветра, они с равнодушной яростью обрушивают ее и на пустынные берега и на сооружения, созданные человеком.
Но вот и еще одно проявление длинных волн зыби. В порту, в защищенной от ветра и волн гавани, спокойно стоят суда. Слабый ветерок, почти штиль. Даже у открытых берегов прибой сравнительно небольшой. И вдруг корабли, стоящие на якорях, начинают беспорядочно дергаться то в одну, то в другую сторону; они поворачиваются поперек ветра, против ветра, сталкиваются, а суда, стоящие у пристаней, рвут толстые смоленые тросы швартовов Это так называемая портовая зыбь. Черноморские моряки, которым она нередко докучает в Поти и Батуми, называют ее тягун. Портовая зыбь причиняет морякам много неприятностей Она возникает под влиянием длинных волн океанской зыби с большим периодом и малой амплитудой, незаметно проникающих в гавань или порт, и проявляется в беспорядочных горизонтальных перемещениях всей массы воды в гавани на расстояние в несколько метров. С портовой зыбью борются, сооружая дополнительные молы и дамбы. Тягун изввестен во многих гаванях мира и в наших дальневосточных портах.
Что же представляют собой ветровые волны как они образуются и растут?
Перед нами расстилается море – гладкое, как зеркало. Но вот задул ветерок, появилась рябь. Рябь образовалась под влиянием неравномерного давления и трения вихрей ветра о поверхность воды. Чем короче волны ряби тем быстрее они бегут по поверхности. Ветер усиливается когда длина волн ряби от гребня до гребня достигает примерно 17 мм, волны меняют свою природу. Из капиллярных, в которых главную роль играло возмущенное ветром поверхностное натяжение воды, они превращаются в гравитационные. Поверхностное натяжение воды преодолено и теперь главную роль в распространении волн приобретает их вес, откуда и название – гравитационные волны. Гравитационные волны распространяются тем быстрее чем больше их длина.
Ветер все усиливается. Прямое давление ветра на обращенный к нему склон волны заставляет ее расти очень быстро.
На гребнях волн появляется белая пена – барашки ветер срывает с них острые гребни. Когда волны достигают примерно 3/4 своей максимальной высоты, рост их замедляется. Как показали новейшие исследования, гашение волн происходит в значительной мере в результате затраты их энергии на беспорядочные вихри, возникающие у поверхности воды. По исследованиям российских океанографов, рост волны наибольший, когда скорость ветра примерно вдвое больше скорости волны. Когда же скорость ветра и волны сравниваются, волны теоретически достигают наибольшей высоты, после чего продолжает расти только их длина.
В действительности, однако, по наблюдениям моряков, самые высокие волны образуются лишь тогда, когда ветер начинает немного стихать; в это время он перестает срывать гребни с волн, отчего высота их на короткое время увеличивается.
Если ветер долго дует с одинаковой скоростью или стихает, волны начинают опережать ветер. Не испытывая больше попутного давления и попутной силы трения, волны становятся ниже, длиннее, а вместе с длиной увеличивается их скорость; они превращаются в зыбь.
Во время интенсивного роста образуются короткие крутые волны. Не только впереди и позади таких волн, но и у концов их гребней образуются ложбины. Длина гребня этих волн невелика. Такие волны называют трехмерными. Волны этого типа – самые неприятные для моряков. Судно во время беспорядочного трехмерного волнения бросает из стороны в сторону, качка делается одновременно и килевой и боковой.
При встрече зыби с приливо-отливными течениями образуются пирамидальные волны. Автору однажды пришлось вести небольшое научно-исследовательское судно, стотонный моторный бот, из Мурманска в Белое море. У северо-восточной части Кольского полуострова, невдалеке от берега, расположены группы скалистых островов. Когда бот вошел в небольшой бассейн между несколькими островками, море вокруг буквально кипело, словно в котле, под которым разведен сильный огонь. На его поверхности высоко вздымались пирамидальные волны, отдельные всплески их опрокидывались через фальшборт на палубу.
Трудно описать, что чувствует капитан, когда его судну угрожает опасность посадки на мель или на камни. Это ощущение автору пришлось испытать за несколько коротких секунд, пока не выяснилось, что перед судном не буруны на подводных камнях, а всего лишь сулой, толчея пирамидальных волн, возникшая при встрече отливного течения с зыбью, шедшей со стороны моря.
В некоторых проливах между Алеутскими островами при встрече волны с приливным течением иной раз образуется толчея, в которой отдельные пирамидальные волны достигают пятиметровой высоты.
Первыми наблюдателями океанских волн были не океанографы, а моряки; среди них следует назвать русских мореплавателей Крузенштерна, Коцебу и Головнина, совершивших кругосветные путешествия в первой четверти XIX в., и французского морского офицера Пари.
Большинство океанских штормовых волн имеет в высоту 4-4,5 м. Волны выше 6-7 м – довольно редкое явление. Что же касается максимальной высоты волн, то в различных областях океана она может быть разной, но в общем не превышает 20 м.
Ветер, как известно, дует неравномерно – он поворачивает то немного вправо, то влево. Благодаря этому на одном и том же участке моря образуются волны разных направлений; иногда при этом ветер усиливается, иногда стихает. Налетевший сильный шквал нередко охватывает площадь протяжением в 2-2,5 км. Понятно, что на этой площади волны растут быстрее, таким образом возникают группы особенно высоких волн. Наконец, на поверхности каждой высокой и длинной волны ветер образует новые небольшие короткие волны. Более короткие волны складываются (интерферируют) с нагоняющими их более длинными волнами и создают при этом среди бурного моря либо очень высокие одиночные волны и группы высоких волн, либо, наоборот, участки ослабленного волнения. На это сложное взаимодействие поверхностных волн расходуется значительная часть их энергии.
Из всего сказанного понятно, что разговоры о "седьмом" или "девятом" вале ни на чем не основаны. Высокие одиночные волны или высокие группы волн образуются чисто случайно, в результате наложения одних волн на другие или под действием налетевших шквалов. Про волнение в океане можно сказать, что это самое беспорядочное из всех закономерных явлений природы.
Штормовое волнение в период нарастания волны отличается особенной беспорядочностью. Когда оно достигает наибольшей силы, волны становятся длиннее (увеличивается расстояние от гребня до гребня), одновременно удлиняются сами гребни, волнение из трехмерного превращается в двухмерное.
Длина гребней трехмерных волн не превышает нескольких десятков метров, при двухмерном волнении длина гребней вырастает до сотен метров. В океане случалось наблюдать волны зыби, длина гребня которых достигала 800 и даже 1000 м. Волны зыби относятся к двухмерным волнам. Неискушенному наблюдателю, стоящему на палубе судна, при взгляде на непрерывно бегущие волны кажется, что вода быстро течет вместе с волной. Но, проследив за движением какого-нибудь плавающего предмета, он легко заметит, что предмет почти не перемещается вместе с волной, а движется вперед и назад и одновременно вверх и вниз. Перемещается не вода, а форма морской поверхности. Это легко понять на примере слабо натянутой веревки, которую держат в руках два человека, стоящие на расстоянии 5-10 м друг от друга. Достаточно одному из них тряхнуть свой конец веревки, как по ней побежит волна к другому ее концу. При этом по веревке будет перемещаться форма волны, а сама веревка и ее части будут оставаться на своем месте. Если бы вместе с волной с такой же точно скоростью перемещалась вся масса воды, ни одно самое мощное судно не могло бы бороться с волнением. Мореплавание стало бы невозможным.
Длина штормовых волн (от гребня до гребня) не превышает 250 м; волны зыби имеют в длину от 200 до 800 м и даже более. Надо заметить, что вода все-таки немного перемещается в направлении волны, но скорость этого перемещения практически ничтожна. Скорость распространения штормовых волн достигает 60 км, а зыби – 100 и более километров в час.
Согласно классической теории, частицы воды, участвующие в волновом движении на глубокой воде, описывают орбиту, имеющую форму окружности. Высота волны равна диаметру этой окружности. На Международном океанографическом конгрессе в Москве академиком В. В. Шулейкиным была показана неточность этой теории. На основании длительного изучения движения взвешенных частиц в волновом бассейне Гидрофизического института Украинской Академии наук в Крыму было установлено, что даже при глубине, превосходящей высоту волны, частицы воды движутся по эллипсу, большая ось которого направлена в сторону движения волны. Эллиптическое движение частиц – результат сложения их орбитального движения с поступательным движением даже при отсутствии ветра.
Диаметр волновой орбиты быстро убывает с глубиной. Высота пятиметровой волны, имеющей в длину 100 л", на глубине 12 м от поверхности моря уменьшается наполовину, а на глубине 100 м будет равна всего 2 см.
Чем длиннее волна, тем глубже проникает волнение. Песчаная рябь на дне моря, образованная волнами, встречается местами до глубины 180 м. Вероятно, это предельная глубина проникновения поверхностных волн.
Поверхность волнующегося моря много больше поверхности спокойного моря, что играет заметную роль в обмене энергией и веществом (водяные пары, соль и пр.) между океаном и атмосферой. По подсчетам океанолога О. А. Владимирова, рябь увеличивает поверхность моря в 8 раз, а сильное установившееся 9-балльное волнение – в 34 раза.
Энергия, сообщаемая ветром бушующему морю, огромна. При этом, если высота волны увеличится вдвое, ее энергия возрастет вчетверо; если волна вырастает втрое, ее энергия увеличится в девять раз. Волна высотой в 3 л на каждый метр протяжения гребня несет в себе энергию, равную 1000 квт.
Не следует думать, что штормовое море не грозит никакими опасностями современным судам. В 1931 г. во время двенадцатибалльного шторма в Баренцевом море погибли два наших рыболовных траулера новейшей конструкции. В 1929 г. во время жестокого шторма, бушевавшего в Северной Атлантике и в Северном море, перевернулся пароход "Дункан" водоизмещением в 2400 т и затонуло несколько судов грузоподъемностью от 6 до 11 тыс. т; всего потерпело аварию во время этого шторма более 600 судов. Гигантские трансатлантические лайнеры "Бремен", "Бернгардия" и "Балтии" в пути непрерывно лили за борт масло. Как известно, натяжение тонкой пленки, образуемой маслом на поверхности моря, успокаивает волнение. Успокаивает волнение также дождь, снег, град и дрейфующие льды.
Грузовое судно "Илья Мечников", побывавшее в 1960 г. на пути к Кубе в зоне урагана "Донна", с честью выдержало испытание. Когда судно вошло в порт, его посетил Фидель Кастро, чтобы посмотреть на моряков, устоявших в борьбе с грозной стихией. Двенадцать кораблей под другими флагами, оказавшиеся в зоне этого урагана, затонули. Точно так же не сдался урагану "Флора" российский турбоход "Физик Вавилов", направлявшийся в 1963 г. из Гаванны в Буэнос-Айрес. Капитан Емельянов потом доносил, что работа судовых машин мощностью 13000 л. с. не могла преодолеть встречных ударов гигантских волн и корабль в борьбе с ними не двигался с места, пока не миновал шторм.
Вступая на мелкое место, волны меняют свою форму. Как только глубина становится равной длине волны, волна начинает "чувствовать" дно. С этого момента волновые орбиты частиц воды, ограниченные дном, становятся еще более эллиптическими. Длина волны уменьшается, волна становится выше. Передний склон ее делается круче, волна опрокидывается вершиной вперед и, образуя бурун, разрушается. Разрушение волны происходит на глубине, приблизительно равной ее высоте. Особенности деформации и обрушения волн в прибрежной зоне тщательно исследовал и теоретически обосновал В, Лонгинов.
Небольшой прибой на песчаном отлогом пляже в хорошую погоду чарует глаз. Волна за волной с тихим шелестом набегает на берег, дробится на тысячи сверкающих на солнце пузырьков белой пены и отбегает назад. Но вот зыбь становится все крупнее и шире. Накат, как говорят моряки, усиливается. Волна разрушается теперь не у самого берега, а вдали от него, на глубине, которая соответствует ее высоте. Это уже не прибой, это – буруны. Между буруном и берегом нередко находится полоса воды с довольно спокойной поверхностью. Водная масса разбившейся волны добавляется к этой спокойной воде ж бежит по ней в виде гребня без ложбины, увлекая за собой всю толщу воды. Это так называемая волна перемещения или одиночная волна. У самого берега она образует вторичный прибой.
У мелких отлогих берегов буруны нередко образуются на расстоянии 1-2 км от берега. Если в таких местах зыбь, поступающая с моря, достаточно сильна, крупные одиночные волны пробегают все это расстояние со скоростью 20-25 км/час, а иной раз и больше. На Гавайских островах местные жители научились ими пользоваться. Возвращаясь с моря, рыбаки приближаются к бурунам и, улучив момент, стараются попасть на гребень такой волны. В несколько минут он выносит их на берег. Ребятишкам эти волны служат для забавы. На легкой лодочке или просто на широкой доске, высоко поднявшись над уровнем моря, они мчатся к берегу на гребне волны со скоростью быстроходного моторного катера. Отхлынувшая волна оставляет их на сухом месте. "Езда на прибое" – это старинный национальный вид спорта на Гавайских островах. Он приобрел широкую популярность среди туристов, посещающих океанское побережье и острова, где прибойные волны достигают большой высоты.
Длинные волны зыби при вступлении на мелкое место почти удваивают свою высоту. На Марокканском берегу Африки в Атлантическом океане или на островах Тихого океана прибой высотой от 3 до 6 м – довольно обычное явление. В штормовую погоду на берег обрушиваются волны высотой от 6 до 11 м.
Нагоняя к берегам воду и повышая ее уровень, волны создают довольно сложные системы прибрежных течений. Волны поднимают со дна или отрывают от берега частицы грунта, прибрежные течения их переносят. Поэтому при постройке портов, дамб и других гидротехнических сооружений предварительно изучаются волновой режим, течения и перенос донных осадков.
Одно из самых интересных течений, возбуждаемых волнами у берегов, – это так называемое разрывное течение. Скопившаяся у берега вода сначала движется вдоль береговой черты, а затем, когда набегающие волны уже не в силах сдерживать ее напор, она узким и быстрым потоком устремляется навстречу волнам прямо в море. Прорвав линию бурунов, разрывное течение расширяется, замедляет скорость и снова поворачивает вдоль берега. Горе пловцу, который попал в струю разрывного течения и в испуге пытается бороться с ним. Обессиленный неравной борьбой, он неизбежно будет унесен в море и погибнет. Спастись из разрывного течения можно, только плывя поперек него, а лучше всего, конечно, присмотревшись к прибрежной полосе моря, не купаться там, где чаще всего образуются разрывные течения.
Не всегда волны, набегающие на берег, могут служить предметом восторженного восхищения поэтических натур. Ураганы, буйствующие в океане, нередко посылают на берег такие разрушительные валы, которые не оставляют времени не только для наблюдения, но и для спасения жизни.
Тропические ураганы – частое явление в Атлантике в районе Центральной Америки и южной части Северной Америки. Еще чаще бушуют они в районе Филиппинских и Японских островов. Здесь их называют тайфунами. Тайфуны свирепствуют и в Индийском океане. Скорость ветра в зоне урагана достигает 100-150 м/сек, а порой – 300 м/сек. Во время урагана 3-метровый слой водяной пыли стирает границу между океаном и атмосферой; эта смесь воды с воздухом не в состоянии держать на себе человека, как вода, но и непригодна для дыхания, как воздух.
Самые высокие, опасные волны образуются в правой половине урагана, где направление движения самого урагана и ветра совпадают, и особенно в его заднем правом квадранте, где скрещиваются ветры двух направлений. Опасная беспорядочная толчея волн наблюдается и в глазу урагана – в его безветренной центральной части.
Даже если ураган не пересекает береговую черту, издалека посылаемые им волны вырастают у берега до 3- 5 м. Если же ураган переходит с моря на сушу, на берег вторгается 8-10-метровая стена воды, все сокрушающая на своем пути. Очень возможно, что огромная масса воды, выплескиваемая ураганом на сушу, первоначально втягивается с поверхности моря глазом урагана. У берега на небольшой глубине глаз урагана высасывает воду со дна и переносит ее на сушу. На обнаженное дно сейчас же устремляются волны из задней части урагана, завершая затопление и разрушение, которые были начаты авангардными волнами и водной массой, выброшенной глазом урагана (точней его "стенками").
Надо, однако, сказать, что ураган, идя войной на сушу, подобно древнерусскому князю Святославу, проявляет известное благородство. Он также оповещает прибрежное население: "иду на вас". Предвестниками урагана обычно служат небольшие волны высотой до 60 см с периодом в несколько минут. В Японии, где часто случаются ураганы, эти волны называют яппики. Одновременно с появлением волн нарушается нормальный суточный ход атмосферного давления, на небе появляются перистые облака, сходящиеся на горизонте в одной точке, в багряном пламени восходит и заходит солнце.
С 1956 г. жестоким разрушительным ураганам, трудно сказать почему, стали давать нежные женские имена.
Однажды в 1961 г. уровень воды у побережья Техаса начал подниматься без всяких видимых причин и за три дня повысился на 2,7 м. Вслед за этим на г. Галвестон налетел ураган "Карла". Волна за волной вкатывалась на берег. Уровень воды сразу поднялся до 4,5 м. Море затопило город и большую территорию вокруг него. Почти все население покинуло Галвестон. На дороги, по которым шли беженцы, из затопленных мест выползли тысячи ядовитых змей. Ураган причинил большой материальный ущерб. В 1963 г. ураган "Флора" затопил водами Карибского моря все низменные районы Кубы, многие города и села. Погибли тысячи людей. Ураган принес молодой социалистической республике огромные убытки.
В 1959 г. тайфун "Вера" (по-японски "Исэ-Ван") полностью разрушил Нагою, город с 2-миллионным населением. Город Нагоя расположен в вершине залива, имеющего форму воронки. Это увеличило волны в несколько раз. Нагонная волна разбила дамбу и смыла в море почти весь город. Вода не спадала 10 дней, погибло 6 тыс. человек, 13 500 человек было ранено и искалечено. Волны разрушили 1850 мостов, затопили 50 пассажирских и рыбачьих судов, 381 судно было разбито на прибрежных скалах, 1,5 млн. человек остались без крова. В 1961 г. тайфун "Нэнси" затопил в японском городе Осака 20 тыс. домов, часть из них была смыта в море. Пронесясь над Японией, тайфун достиг берегов Камчатки, где тоже причинил немалые разрушения. Российский пассажирский пароход "Забайкалье" с сотнями пассажиров на борту, теплоход "Академик Карпинский" и пароход "Глеб Успенский" два дня боролись с этим тайфуном. Можно себе представить, как чувствовали себя пассажиры, если размах качки с одного борта на другой достигал 80?. Все три судна успешно выдержали борьбу.
В среднем за год над океанами возникает 70-80 тропических ураганов. По счастью, 10-15-дневная жизнь их проходит главным образом над морем. Радиолокационное слежение за их продвижением и фотослежение со спутников позволяют своевременно оповещать находящиеся в море суда, а небольшая скорость перемещения зоны урагана (20-30 км/час) дает возможность судам избежать неприятной встречи. Больше всех стран страдает от ураганов Япония, над ней свирепствует в среднем 4 тайфуна в год. Только раз тайфун принес населению Японских островов не горе, а радость. Это произошло в 1281 г., когда монголы, покорившие Китай, снарядили для вторжения в Японию многочисленную десантную флотилию. Огромной силы тайфун разметал и потопил вражеские суда.
Немало бед причиняют и внетропические ураганы. Ураган 1953 г., бушевавший в Северном море, получил название Голландского. Скорость ветра равнялась 31 м/сек, а скорость отдельных шквалов – 60 м/сек. Уровень воды в Северном море поднялся на 0,67 м и настолько же понизился на скандинавском побережье у Бергена, а немного севернее, у Молея, упал еще больше – на 0,9. Штормовой нагон воды в этот раз совпал с большим сизигийным приливом. На берега Голландии хлынули 10-метровые волны. Плотины, ограждающие эту низменную страну, были прорваны. Вода затопила территорию в 2500 км2, было разрушено 143 тыс. домов, утонуло 260 тыс. голов крупного и 138 тыс. голов мелкого рогатого скота; погибли от наводнения 1400 человек. В Англии в это же время было затоплено 855 км2 земли, разрушено 80 железнодорожных станций, 500 км рельсового пути, 24 тыс. домов, 200 крупных промышленных, предприятий и погибло 240 человек.
В 1962 г. ураганный ветер со скоростью 50 м/сек создал нагон воды у берегов Западной Германии, затопил Гамбург и вместе с ним еще три приморских города. Начиная с XII в., наводнения в Западной Германии, вызванные штормовыми ветрами и волнами, разрушавшими плотины, повторялись по 1-2 раза в столетие.
Всем нам знакомо по поэме Пушкина "Медный всадник" петербургское наводнение 1824 года. Ровно через сто лет, в 1924 г., штормовой нагон балтийской воды поднял уровень в Неве почти до отметки 1824 г. С 1703 по 1955 г. в Ленинграде (Петербурге) было 50 нагонов с подъемом уровня воды в Неве выше 2 м и три нагона (1777, 1824, 1924 гг.) – выше 3 м. В 1955 г. вода в Неве у Ленинграда поднялась на 2,82 м. В 1924 г. было затоплено 72 км2 городской территории, в 1955 г. – 34 км2. При подъеме воды на 1,8 м в Ленинграде подтопляются предместья, подвальные помещения, канализационная система; при подъеме на 2,1 м вода заливает некоторые жилые кварталы. Над проблемой предотвращения ленинградских наводнений настойчиво работают российские ученые и инженеры.
Большие беды приносят прибрежному населению одиночные волны иного происхождения, чем те, с которыми мы уже познакомились. Они возникают под влиянием сейсмических и метеорологических причин. Вступая на мелководье, они растут, превращаются в волны перемещения и обрушивают на берег огромные массы воды. Природа одиночных метеорологических (барических) волн мало изучена. Предполагается, что самое резкое падение атмосферного давления не может вызвать волну выше 1 де, но с выходом на мелководье эта волна вырастает до 2-3 м.
Сейсмические одиночные волны образуются при извержениях подводных вулканов, при подводных землетрясениях и сдвигах земной коры. Эти волны носят японское название – цунами.
В случае подводного землетрясения или извержения подводного вулкана в море возникает волна или группа волн. Их особенность состоит в том, что они охватывают всю толщу воды. Это и есть волны цунами. При подводном вулканическом извержении или при подводном взрыве образуется, кроме того, "волна давления" или, иначе, "ударная волна". Судно, настигнутое ударной волной, испытывает сильный резкий толчок – гидравлический удар, который создает впечатление, будто судно внезапно наскочило на подводный камень. Капитаны, введенные в заблуждение ударной волной, нередко сообщают географические координаты мнимой подводной скалы. Однако высланные для проверки гидрографические суда не находили в указанном месте никаких подводных препятствий. Ударная волна распространяется в воде со скоростью звука.
Несколько лет тому назад пропало без вести японское гидрографическое судно, шедшее для исследований в область эпицентра подводного землетрясения. Предполагают, что оно стало жертвой мощной ударной волны, которая разбила и поглотила судно, не оставив от него никакого следа, кроме нескольких обломков, пропитанных вулканическими газами и найденных много времени спустя.
В открытом море, в удалении от места своего возникновения, сейсмические волны незаметны, так как высота их не превышает 0,3-0,6 м. Однако с выходом на мелководье они быстро растут, достигают порой высоты в 20-30 м и являются причиной катастрофических разрушений и наводнений, уносящих нередко тысячи жизней и причиняющих многомиллионные убытки. Исследователь Камчатки С. Крашенинников один из первых обратил внимание на волны цунами. В своей книге "Описание Земли Камчатской" он рассказал о землетрясении и цунами, которые наблюдал в 1737 г.
Чаще всего от цунами страдают берега Японии. В 1854 г. русский офицер Путятин во время стоянки фрегата "Диана" в японском порту Симода был свидетелем разрушительного действия волн цунами, повлекших, за собой гибель прибрежной части города и самого фрегата.
С тех пор подробно описано много случаев сейсмических волн, наблюдавшихся в различных морях. Теоретические основы возникновения и распространения волн цунами разработаны российским геофизиком Е. Ф. Саваренским.
Волны цунами распространяются в океане со скоростью до 800 км/час. Приближаясь к берегам, они даже на малых глубинах сохраняют скорость около 50 км/час.
Подводные землетрясения, сдвиги частей земной коры и извержение вулканов одновременно с цунами возбуждают, как уже было сказано, ударные волны и, кроме того, сейсмические волны, распространяющиеся в земной коре. Так как скорость первых примерно вдвое, а вторых – втрое превышает скорость волн цунами, это дает возможность предсказывать образование и приближение цунами. Для этого на берегах в нескольких пунктах устанавливаются сейсмографы, регистрирующие колебания земной коры, а под водой – акустические приборы, улавливающие ударные волны. С их помощью во многих странах, особенно расположенных на берегах Тихого океана, организована служба цунами, своевременно оповещающая население о приближении волн цунами. Впрочем, эти предупреждения, как мы увидим ниже, не всегда принимаются к сведению. Система сейсмических станций, организованная под эгидой ЮНЕСКО, охватывает 65 стран.
Что испытывает население, когда на берег врываются волны цунами, можно себе представить из описания следующих двух случаев.
В 1953 г. произошло землетрясение в Суве на островах Фиджи в Тихом океане. Фокус землетрясения находился на глубине 60 км. Через полминуты после землетрясения появился предвестник опасности – на берег набежала небольшая одиночная волна высотой всего 30 см, а через четыре часа одна за другой в гавань ворвались волны высотой от 3 до 15 м. Как потом удалось выяснить, волны цунами возникли вследствие оползня на подводном островном склоне с глубины 360 до глубины 1100 м. Оползень во многих местах разорвал телеграфный кабель и отнес его далёко в сторону.
Всем памятно катастрофическое землетрясение в Чили в 1960 г. Высота вызванных им волн цунами в разных пунктах у берегов Чили колебалась от 2 до 25 м. За двадцать минут до появления первой волны вода ушла далеко от берега. Несмотря на объявленную тревогу, население бросилось на обнаженную отмель собирать оставленных морем моллюсков и рыбу. Вернуться неосторожным не удалось. Их раздавила 8-метровая волна; отхлынув, она унесла с собой сотни людей, рыбачьи суда, целые дома. Самыми мощными волнами были третья и четвертая. Они набежали на берег через 2-3 часа после землетрясения. После их вторжения на сушу по улицам г. Коралл плавали два судна по 2 тыс. т каждое.
Население Гавайских островов было предупреждено об ожидающемся появлении цунами. Однако мало кто поверил, что могут оказаться опасными волны, пробежавшие в океане более 8 тыс. км. За недоверие к прогнозу многим пришлось поплатиться жизнью – волны чилийского цунами произвели большие разрушения на островах Гаваи и Оаху. Продолжая свой бег по северной части Тихого океана, волны совершили путь в 17 тыс. км и опустошили побережье японских островов, где население также отнеслось с недоверием к полученному предупреждению. У о. Хонсю волны имели от 2 до 6 м высоты, на островах Рюкю – 4 м, у о. Окинава – 3,5 м. Чилийское цунами достигло и наших Курильских островов. Предупрежденное население Петропавловска, Рыбачьего, Южно-Курильска и других населенных пунктов ушло на возвышенные места. Волны, пробежавшие 16 тыс. км, имели высоту от 2 до 4,7 м. Они причинили значительные разрушения, но человеческих жертв не было.
Чилийское цунами достигло и берегов Новой Зеландии и Новой Каледонии; здесь на сушу хлынули 5-метровые волны; в Сиднейском порту было повреждено много судов. Но самое удивительное в распространении этих "странных" волн, как часто называют цунами, было то, что они, покрыв расстояние 17 тыс. км до Петропавловска и 12 тыс. км до Австралии и донеся до этих пунктов такую колоссальную энергию, обошли в то же время с двух сторон – с севера и с юга – широкую экваториальную полосу. Между 10-15? ю. ш. и 30? с. ш. волны у западных берегов океана не превышали 0,5 м. По всей вероятности это объясняется рельефом тихоокеанского дна. У тихоокеанских волн цунами есть и еще одна странность. От берегов Америки к берегам Азии они приходят с огромным запасом энергии, тогда как, возникнув в районе Японских и Курильских островов, у берегов Америки они появляются настолько ослабленными, что не представляют опасности. Весьма вероятно, что тормозом в этом случае служат планетарные волны длинных периодов, распространяющиеся в океане с востока на запад; существование их показал английский океанолог М. С. Лонгет-Хиггинс. Они же гасят распространение на восток и способствуют распространению на запад штормовых волн, вышедших из зоны урагана.
За 64 года нашего столетия зарегистрировано 127 случаев сильных цунами, а по сведениям, собранным И. Д. Понявиным из летописей, хроник и прочих записей начиная с 425 г. до н. э. и до конца XIX в., известно около 300 цунами в разных морях и частях света. В действительности их было, вероятно, за это время несколько тысяч, но память о них утрачена. Больше всех стран страдала от цунами Япония. С 684 г. н. э. и до половины XX в. сохранились сведения о 84 случаях цунами; из них в 36 случаях волны достигали высоты от 7,5 до 30 м. За 64 года XX в. в Японии было 32 случая цунами разной величины.
Огромные одиночные волны типа цунами вызываются иногда и менее значительными причинами, чем извержения подводных вулканов и землетрясения. В 1934 г. в Норвегии с высоты 500 м в море упали скалы общим весом в 3 млн. т, при этом волна высотой в 37 м выбросила на берег много судов более чем на 100 м от береговой черты и уничтожила целое прибрежное селение. Исключительные по высоте волны наблюдались в заливе Литуя на Аляске. Этот залив давно приобрел дурную славу своим бурным сулоем. Первыми его жертвами были две шлюпки с экипажем экспедиции Лаперуза, который в память погибших в заливе поставил на о. Сенотаф крест. Сейчас в заливе установлен проблесковый маяк.
Катера гидрографических судов, снабжающие продовольствием обслуживающий персонал маяка, каждый раз с опасностью для жизни преодолевают беспорядочную толчею огромных волн при входе в залив. Рыбачьи суда, по неведению ищущие в заливе спасения от шторма, большей частью разбиваются о скалы и гибнут. В этом заливе в 1958 г. во время землетрясения на Аляске с высокого пика Криллон, возвышающегося над заливом, соскользнула часть ледника, увлекая за собой оторванные от горы скалы и камня. Вызванная этим оползнем волна не превышала сначала 30 м, но, приблизившись к южному берегу залива, выросла настолько, что повалила и частью смыла хвойный лес до высоты 150 м над уровнем моря. У берегов о. Сенотаф она достигла 50-метровой высоты. Судя по остаткам ранее поваленных деревьев, такие обвалы и волны повторялись в заливе не один раз.
До сего времени в известной степени остаются загадкой невидимые, так называемые внутренние волны. Они возникают на границе двух слоев морской воды, обладающих разной плотностью. Причины, порождающие внутренние волны, известны лишь предположительно. По всей вероятности, их возбуждают частично поверхностные волны, но главным образом – приливо-отливные течения, и резкие изменения атмосферного давления.
Высота внутренних волн нередко в десятки раз превышает высоту поверхностных волн, но на поверхности моря они совершенно не заметны.
Как объяснить такую разницу в высоте поверхностных и внутренних волн? Вспомним закон Архимеда: всякое тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Волна на поверхности моря как бы погружается в воздух. При этом она теряет в весе столько, сколько весит вытесненный ею воздух. Но плотность, а следовательно, и вес вытесненного воздуха ничтожно малы и практически не меняют веса выпуклой части волны. Поэтому сила тяжести не позволяет поверхностным волнам подняться больше чем на 18-20 м. Гребень же внутренней волны проникает в лежащий над ней слой воды, плотность которого лишь немногим меньше плотности нижнего слоя, в котором образовалась волна. Таким образом, внутренняя волна теряет очень значительную часть своего веса и, освобождаясь от влияния силы тяжести, достигает порой высоты 100-200 м.
Благодаря внутренним волнам на одной и той же глубине в течение сравнительно короткого времени температура и соленость могут изменяться в очень больших пределах. Само собой разумеется, что такие изменения гидрологической "погоды" не могут не оказывать влияния на организмы, живущие в толще воды. Однако это влияние, равно как сам механизм распространения внутренних волн, еще мало изучены.
Как многое в природе, волны и полезны и вредны. Положительная роль волн в океане заключается в том, что они перемешивают воду и способствуют проникновению в толщу воды тепла и растворенного кислорода. В зоне прибоя, на стыке трех стихий – воды, воздуха и суши и особенно на твердом скалистом дне, где волны кажутся самыми грозными, на первый взгляд не может существовать жизнь. В действительности это не так. В море много растительных и животных организмов, которые не только приспособились к жизни в таких беспокойных местах, но и сами ищут их, так как волны и создаваемые ими течения непрерывно подносят к ним обильную пищу. Фауна и флора прибойной зоны сформировались в процессе длительного приспособления. Коралловые полипы, морские желуди, некоторые моллюски и водоросли так прочно прикрепляются к скалам, что никакой прибой не в силах их оторвать.
По отношению к человеку волны пока играют только отрицательную роль. Они затрудняют и делают опасными мореплавание, разрушают берега и портовые сооружения. До настоящего времени все попытки использовать энергию волн не выходили за пределы экспериментов. Если будут найдены способы концентрировать рассеянную энергию волн, человечество овладеет новым неиссякаемым источником энергии.
