Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас - Гэвин Претор-Пинней Страница 3

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:

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.

Как только скорость ветра увеличивается до пары узлов, иными словами до 0,6 м/с, потоки воздуха в результате трения оставляют на воде едва заметные следы. Крошечная, чуть выше сантиметра рябь гуляет по поверхности. Вскоре то тут, то там легкая рябь, похожая на россыпь бриллиантов — ее еще называют «кошачьи лапки» — начинает поблескивать на солнце — там, где, выражаясь словами викторианского поэта Алджернона Суинберна, «…над морем ветер пятками сверкал…» [2]. Приметив эту рябь еще издали, моряк уже знает — сейчас задует.

Эта рябь и есть новорожденные волны; они находятся в самом начале своего жизненного пути. С порывами ветра крошечные гребни то появляются, то исчезают; когда ветер усиливается, подросшие гребни уже беспрестанно будоражат водную поверхность.

Как и все маленькие дети, они доставляют своим родителям немало хлопот. С ростом волн трение между водой и воздушными потоками увеличивается — ветер уже не может скользить по океанической глади беспрепятственно. Крошечные завихрения образуются прямо над капиллярными волнами [3], в результате чего ветер воздействует на воду с разной силой. Маленькие волны с готовностью идут на контакт с воздушными потоками — там вырастает гребень, здесь опускается подошва, — увеличиваясь в размерах.

Их рост — всегда результат столкновения сил. С одной стороны это сила ветра, понуждающая водную поверхность вздыматься и опадать, нарушая тем самым ее равновесие. С другой стороны — стремление воды противостоять такому воздействию: она пытается вернуться к прежнему состоянию спокойствия, в котором благостно пребывала в отсутствие ветра. Стремление это обусловлено двумя причинами: силой поверхностного натяжения воды и силой тяжести. Сила поверхностного натяжения противодействует малейшему натяжению поверхности у гребня и малейшему нагромождению у подошвы волны, в то время как сила тяжести тянет гребень волны вниз или (благодаря давлению воды) выталкивает подошву наверх. В своих стараниях вернуть воду к прежнему равновесному состоянию обе силы чересчур усердствуют: гребень продолжает погружаться и становится подошвой, а подошва продолжает подниматься, становясь гребнем. Но изначально, пока наши волны еще пребывают во младенчестве, сила поверхностного натяжения воды преобладает. Такое естественное сопротивление побуждающему воздействию ветра и заставляет маленькие волны перемещаться по поверхности.

Когда волны вырастают сантиметров до трех, они выходят из младенческого возраста — первый этап их жизненного пути завершается. Мы больше не называем их капиллярными волнами, теперь они — гравитационные, потому что вес воды — сила, с которой гравитация воздействует на воду, — оказывает на них преобладающее воздействие. Вес воды пересиливает ветер, стремясь вернуть воде спокойное состояние, но только усиливает молодые волны и приводит их в беспорядок.

* * *

Итак, наши волны, эти шумливые карапузы, прощаются с детством и вступают в следующую фазу развития — вырастают в неуправляемых подростков, по которым воспитательная колония плачет. По мере того, как усиливается ветер, стройные ряды капиллярных волн принимают совсем иной облик. Гребни и подошвы беспорядочно перемешиваются: носятся туда-сюда, сталкиваются, летят кубарем друг через друга — ни дать ни взять группа детсадовцев, неосмотрительно вверенная надзору такого же неугомонного воспитателя. Это явление называется ветровыми волнами [4]. Термин обозначает волнующуюся поверхность воды — ветер хлещет по ней, отдавая все больше своей энергии. Если говорить о зарождающемся шторме, то ветровые волны — стадия, при которой волнение быстро и неуклонно возрастает.