С головы до ног: о самых высоких волнах в Мировом океане

Откуда берутся волны, почему одни из них почти незаметны, а другие наносят сокрушительный урон и что общего между цунами и приливами? Говорим о волнах с Игорем Медведевым, руководителем лаборатории цунами им. С. Л. Соловьева, кандидатом физико-математических наук и ведущим научный сотрудником института океанологии им. П. П. Ширшова.

Самые высокие ветровые волны в Мировом океане наблюдаются на побережье Исландии в Северной Атлантике, их высота может составить 29 метров, и на побережье Тайваня. В 2007 году там была зафиксирована волна высотой 32 метра. Под волной ученые подразумевают колебание соседних частиц воды, во время которого происходит перенос энергии. При этом переносе мы видим поступательные движения, то есть собственно волны.

Колебания — это возвратно-поступательные движения частиц воды вблизи некоторой точки. При колебаниях переноса энергии не происходит. Существует несколько типов классификаций морских волн по разным наборам признаков.

Люди чаще всего наблюдают гравитационные волны — именно их можно видеть на море. Морские волны можно разделить на короткие и длинные. Короткими, например, считаются ветровые, то есть, вызванные силой ветра волны, для них глубина моря больше, чем половина длины самой волны.

Короткие волны не чувствуют дна, и их орбитальные движения быстро затухают с глубиной. На глубине 30−50 метров они уже не ощутимы. Длинными волнами считаются те, чья длина как минимум вдвое-втрое больше, чем глубина бассейна, они чувствуются по всей толще воды моря или океана. К длинным волнам относятся приливы, цунами, штормовые нагоны — это наиболее разрушительные волны, которые приводят к наводнениям.

При выходе на мелководье, короткие волны, которые на глубине не чувствовали дна, становятся длинными, потому что на небольшой глубине они начинают чувствовать дно. Это происходит, когда глубина моря составляет примерно половину длины волны, то есть, максимально, порядка 10−15 метров. В этот момент происходит рефракция волн, то есть, волны, бегущие по более глубокой части, бегут быстрее, а по мелководной — медленнее. Из-за этого волновой фронт начинает разворачиваться в сторону берега и подходить под некоторым углом.

Одни волны называются свободными — они распространяются после прекращения действия какой-либо силы, например ветра, другие — вынужденными. Последние распространяются непосредственно под действием ветра.

В океане нередко встречается такое явление, как волны-убийцы. Это ветровые волны аномальной высоты. Значительная высота волны (средняя из максимальных) определяется следующим расчетом. Значения высот, которых достигают ветровые волны, сортируются от большего к меньшему, берется треть от наибольших высот волн и находится их среднее значение, которая и является значительной высотой волн. Если отдельная волна вдвое-втрое больше. Если отдельная волна вдвое-втрое больше средней, то она считается волной-убийцей. Именно такие волны и приводят к катастрофам. Например, капитаны судов подготовлены к обычной ветровой волне, пусть даже ее высота будет 5 или 6 метров: в этом случае капитаны берут волны носом судна и нормально их проходят, поскольку знают, откуда идут эти волны и чего ждать от них. А волна-убийца — это одиночная волна, которая неожиданно накатывает с непривычной стороны. Она может подойти с любого борта, и капитаны судов заранее не знают о ней. Даже если ее высота ниже, чем высота обычных ветровых волн в шторм, из-за неожиданности такие волны приводят к катастрофам.

Раньше считалось, что это очень редкое явление, однако сегодня благодаря обширным данным, которые дает спутниковый мониторинг, стало известно, что это достаточно частое явление, которое регулярно встречается во многих местах.

Самые наглядные длинные морские волны, которые можно увидеть в Мировом океане, — это приливы. За сутки наблюдений на берегу можно заметить две полные воды и две малые воды, так называют максимальный и минимальный уровни воды при приливах и отливах соответственно.

Приливы и отливы — это периодические колебания уровня и течения в морях и океанах.

В течение шести часов уровень воды будет медленно подниматься, а следующие шесть часов — также медленно опускаться. Эти длинные волны образуются под влиянием гравитационных сил Луны и Солнца, причем лунные приливы примерно вдвое сильнее солнечных, поскольку расстояние между Луной и Землей существенно меньше, чем расстояние между Землей и Солнцем.

Если бы мировой океан покрывал всю поверхность земного шара, то можно было бы наблюдать два горба, которые кружились бы вокруг Земли в течение 12 часов. Из-за материков и береговой линии картина приливных колебаний уровня и приливных течений гораздо более сложная.

На данный момент ученые выделяют два пункта, где наблюдаются самые сильные приливы. Оба они находятся в Северной Атлантике, на побережье Канады, высота приливных колебаний там достигает 15−18 метров. Это заливы Фанди и Унгава. В России наибольшие приливы наблюдаются в Пенжинской губе, это северо-восточная часть залива Шелихова в Охотском море. Там высота приливных колебаний достигает 12 метров.

На фотографиях: Залив Фанди.
На первой фотографии представлена полная вода, на второй — малая вода (прошло 6 часов).
H = 18м

От большинства иных видов колебаний уровней и волн (и других процессов в Мировом океане) приливы отличаются тем, что они предсказуемы. Вызванные Луной и Солнцем, они даже не предсказываются, а предвычисляются, потому что для вычислений мы используем астрономические параметры и несмотря на большую высоту приливов (до 12 метров) с точностью до минут можем сказать, когда и какой высоты будет прилив, а также какой скорости будет достигать приливное течение.

Один из видов волн, который сложен для предсказания, это длинные волны — штормовые нагоны. Это подъемы уровня моря, вызванные действием тропических или внетропических циклонов.

Штормовой нагон — значительный подъем уровня моря, возникающий в результате действия ветра (ветрового напряжения) и статического и динамического воздействия изменений атмосферного давления.

Штормовые нагоны приводят к наводнениям, например, так случается в Санкт-Петербурге, Венеции и и на восточном побережье Соединенных Штатов Америки. На побережьях России штормовые нагоны наблюдаются в Финском заливе, в Каспийском море, в Азовским море и в арктических морях.

Именно штормовой нагон в 1970 году в Бангладеше (Восточный Пакистан) стал самым катастрофическим природным явлением, зафиксированным когда-либо. Тогда циклон Бхола поднял уровень воды на 10 метров, а наводнение стало причиной гибели от 300 до 500 тысяч человек. К такому числу жертв не приводило ни одно цунами. При этом волны цунами считаются наиболее опасными и разрушительными.

Цунами могут быть вызваны разными факторами, но примерно 80% всех наблюдаемых цунами имеют сейсмическое происхождение: волна образуется вследствие подводного землетрясения.

Можно также выделить цунами оползневого или обвального происхождения, когда сходит либо подводный, либо надводный оползень или происходит обвал горных пород. Вулканическая активность и скачки атмосферного давления также могут послужить толчком к началу цунами: вулканические цунами происходят из-за извержения подводных вулканов, а изменения атмосферного давления генерируют длинные морские волны, которые в прибрежной зоне имеют цунами-подобные характеристики.

Период волн цунами составляет от нескольких минут до пары часов. Волны цунами наиболее часто формируются в тихоокеанском огненном кольце в зонах субдукции — то есть в местах, где океаническая плита пододвигается под материковую. Там происходят сильные землетрясения, извержения вулканов и около 80% сейсмических цунами.

Самое сильное землетрясение, зафиксированное инструментально, произошло в 1960 году в Чили. Высота волн цунами тогда достигла 30−40 метров. Однако бывали волны и выше. Так, самая высокая волна цунами — 524 метра! — зафиксирована в бухте Литуя в 1958 году. Ученые смогли определить высоту волны с такой точностью, поскольку именно на этой высоте был целиком снят почвенный покров и уничтожена растительность.

На территории России за последнее столетие наблюдалось несколько цунами. Можно выделить два из них: самое катастрофическое и самое высокое. Первое случилось в 1952 году вблизи полуострова Камчатка и Северных Курил. Землетрясение вызвало цунами с высотой волны 18−20 метров и полностью уничтожило поселок Северо-Курильск. После этого события ученые Советского Союза начали заниматься проблемой цунами: появилась Служба цунами, которая в дальнейшем развилась в отдельную научную отрасль. Другое сильное цунами произошло совсем недавно, в декабре 2018 года на реке Бурея в Хабаровском крае. Тогда волну, достигшую 90 метров в высоту, сформировал гигантский оползень. Волна перехлестнула на противоположный берег реки, уничтожив растительность и лес. Она стала самой высокой в России за всю историю наблюдений.

Статья подготовлена на основе видеолекции, прочитанной для проекта «Нау. Путеводитель по науке в Москве»: