Первым пытался объяснить причины волнения Леонардо да Винчи. Этим вопросом занимались также И. Ньютон, П. Лаплас и др. Постепенно развивалась теория морского волнения, накапливались, анализировались и обобщались материалы наблюдений во всех океанах и морях планеты. В настоящее время существует ряд классификаций морских волн по ряду признаков: силам, действию, изменчивости, отношению к глубине моря.
Известно, из каких элементов слагается волна. Это — гребень волны, или наивысшая точка волнового профиля, и подошва, т. е. ложбина, — наинизшая точка. Линия, проходящая вдоль гребня волны, перпендикулярная направлению перемещения волн, называется фронтом волны. Высота волны — это расстояние по вертикали от гребня до ближайшей подошвы. Расстояние по горизонтали между двумя гребнями или двумя подошвами соседних волн — длина волны. Время, в течение которого форма волны пробегает расстояние, равное ее длине, представляет собой период волны. За один период частица волны описывает свою орбиту. И наконец, расстояние, которое форма волны проходит в единицу времени, называется скоростью волны.
Итак, четыре элемента составляют характерные особенности волны: высота, длина, период и скорость. Три из них связаны между собой определенными зависимостями, из которых можно знать лишь два, а третий вычислить, и только высоту необходимо понаблюдать непосредственно в море или океане.
Из элементов морского волнения наиболее непостоянна высота волны — быстро возрастая, она быстро и уменьшается. Сильно изменяется и длина волны, особенно в начале волнения, когда волны наиболее крутые. С усилением шторма длила все более возрастает, но, достигнув известного предела, она еще долго остается прежней, даже когда ветер уже утих. Самый постоянный элемент морского волнения — скорость: она и мало меняется, и долго сохраняется. Период волны зависит от длины и скорости.
Всем, кто бывал в море или на его побережье, случалось наблюдать, как зарождаются, а потом развиваются ветровые волны. Поверхность моря гладкая, зеркальная, ветра нет. Но стоит ему подуть, начинают появляться мельчайшие первичные волны, называемые еще и капиллярными. На вид это — мелкая рябь. Она вызывается тем, что над спокойной поверхностью моря возникают не-большие воздушные вихри. Таким образом, давление над морем пульсирует, и там, где частицы воздуха опускаются, на воде можно заметить впадинки, а в точках восходящих воздушных частиц — возвышения. Рябь равномерна, она образует параллельные дуги, но складки ее невысоки — всего несколько миллиметров. Ветер все усиливается, волны тоже увеличиваются, растет их высота, длина и крутизна. Это происходит не сразу, должно пройти некоторое время, пока поверхность морской воды прореагирует на действие ветра. При этом, оказывается, имеет значение не только сила ветра, но и его продолжительность, и то расстояние, на котором наблюдается ветер, — как говорят, разгон ветра. Отношение скорости волн к скорости ветра называется возрастом волн.
Энергия ветра расходуется в двух направлениях: на увеличение длины и высоты волн и на преодоление трения. Длина волн растет быстрее, чем высота, поэтому крутизна становится меньше. Ветер всегда дует порывами и более или менее изменяет свое направление. Вот почему и волны образуются различные — рядом с большими более мелкие, они обладают различной скоростью, накладываются друг на друга, создают группы волн. И вот ветер начинает стихать, а за ним постепенно спадают и волны, сначала мелкие и значительно медленнее длинные. Как установлено наблюдениями, зыбь и мертвая зыбь (волнение при полном безветрии) заметна на поверхности океанов за сотни и тысячи километров от того места, где она появилась.
Современная наука о волнах имеет два теоретических направления — нахождение физических законов волновых процессов и разработка статистических основ этого явления. Основоположником теоретического направления был академик В. В. Шулейкин. Значительную роль сыграли его многочисленные опыты в специальном штормовом бассейне, построенном в Крыму. Как уже говорилось, ветровые волны на поверхности океанов и морей очень разнообразны. Поэтому статистические методы учитывают вероятность волн различных размеров, для чего строятся кривые повторяемости и обеспеченности тех или иных элементов волн (высот, периодов). На практике обычно используются эмпирические формулы, в которые входят сила, ветра, продолжительность и разгон. Такие формулы существуют уже около 100 лет, впервые их предложил Берген в 1890 г. По мере накопления новых материалов наблюдений эти формулы уточнялись, детализировались, получали физическую интерпретацию.
Когда волны приближаются к берегу, особенно по мелководью, они изменяются, деформируются: гребни делаются крутыми, а подошвы — пологими. Трение воды о дно становится все ощутимее: частицы, находящиеся у подошвы, движутся медленнее, чем на гребне, который начинает опрокидываться, разрушаться. У берега при этом возникает прибой. У глубокого берега, особенно когда его достигает океанская волна, образуется взброс. Когда волна опрокидывается не у самого берега, а над отмелями или рифами, возникает бурун, грохочущий как пушечный выстрел. Во всех морях нашей страны бывают буруны, особенно большие в Черном море и у берегов дальневосточных морей. Заметив и услышав шум буруна, мореплаватель знает, даже не глядя на карту, что там находятся рифы или подводные мели — и, значит, это место нужно обойти.
Можно ли ответить однозначно на вопрос, приносят волны вред или пользу берегам? Нет. С одной стороны, они их разрушают, с другой — участвуют в формировании новых, распределяя продукты разрушений и перенося их на новые места. Волны размывают породы, мельчат их, окатывают в гальку, песок, ил. Породы послабее разрушаются довольно быстро. Известно, что в Англии был утес, который размывало со скоростью 5—15 м в год, а другой утес, высотой 25 м, на котором жили люди, ныне погрузился в море на глубину 7 м. Взбросы могут достигать высоты 60 м. Те, кто бывал на Черном море вблизи Симеиза, видели разбитую на три куска скалу, называемую «Монахом». Еще в первых числах января 1931 г. эта скала была единым монолитом, пока гигантский шторм 19 января того же года не разбил его на части. В Шотландии дважды строился мол (первый — весом 1950 т, второй — почти вдвое тяжелее), и волны опрокидывали его в гавань. Такого рода примеров можно привести немало, и каждый из них содержит историю стихийного бедствия, часто трагедию. Во внутренних морях таких крупных разрушений не происходит, но и они могут быть достаточно серьезными. К ним относятся, в частности, постоянные разрушения волнами берега Черного моря.
Когда судно, идущее в море, попадает в район сильного волнения, оно испытывает качку, зависящую и от величины самого судна и от размеров волн. При определенном (предельном) наклоне корабля он может перевернуться. Эту катастрофу можно предупредить, изменив скорость и направление судна. С древних времен для уменьшения волнения используется масло — растекаясь по поверхности топким слоем, оно вследствие своей большой вязкости не дает ветру срывать гребни волн. Этот, в сущности, довольно простой способ спасает от несчастных случаев, когда волны, заливая палубу, смывают в море людей, грузы, спасательные шлюпки, ломают надстройки. Всего 3 кг масла (например, рыбьего или тюленьего жира) сглаживают гребни больших волн — точнее, превращают их в волны, подобные зыби. Такое же действие оказывают скопления водорослей и льдов (даже лишь кристаллы льда), дождь.
Тысячи наблюдений над волнением, производящиеся уже более 100 лет, позволили сделать некоторые общие заключения. Самые большие волны в открытом океане встречаются в южном полушарии, там, где Мировой океан охватывает Землю сплошным кольцом. Это объясняется и отсутствием суши, и характером ветров. В этих районах волны достигают 400 м длины, 12–13 м высоты, скорость распространения — до 22 м/с. Исключительно крупные, штормовые волны сравнительно редки. Обычно же штормовые волны, развивающиеся в южных широтах при северо-западных ветрах, имеют длину до 150 м и высоту 7–8 м.
Зыбь, так же как и ветровые волны, весьма различна по размерам. За двое-трое суток она может пересечь океан, сохраняя большую длину и период волн. Громадная зыбь зарождается преимущественно в 40°—50° с. и ю. ш., где зимой и ранней весной проходят штормовые циклоны, создающие, сильное волнение. Расходясь от этих широт, зыбь обычно достигает штилевой экваториальной зоны. В Атлантике такое явление наблюдается часто — зыбь приходит или из области штормовых циклонов Гольфстрима, или от штормов южных широт. Иногда она пересекает экватор. Часто вдоль океанического побережья Европы наблюдается пришедшая издалека зыбь с очень большими периодами.
Во внутренних морях ветровое волнение, естественно, не достигает таких размеров, как в открытом океане, что связано с их глубиной и площадью. В Средиземном море высота волн порядка 5–5,5 м, в Балтийском — до 5 м.
