Kirill Pankratov (neznaika_nalune) wrote,
Kirill Pankratov
neznaika_nalune

Categories:

"Посейдон", "девятый вал" и немного физики


Сейчас многие смотрят киношку "Посейдон" про то как отдельная волна в открытом океане перевернула белый кораблик огромный океанский лайнер, и некоторые пишут на тему этих волн.

Физики, блин. Мореплавание на протяжении тысяч лет способствует разным байкам и легендам - дело опасное, а на берегу между походами времени много порасказывать всего. Некоторые штучки весьма любопытны. Например, в русском языке существует выражение "девятый вал" - интуитивное представление из морских баек о том что каждая девятая волна в штормовом океане значительно сильнее остальных. Насколько я знаю подобного выражения нет ни в каком другом языке и "морском фольклоре". И "девятый вал" не подтверждается физикой - в смысле никакого особого преимущества у девятой волны, по сравнению с восьмой, седьмой, десятой и т.д. нет.

Но в каждой стране свой набор морских баек, в том числе о морских змеях, драконах, русалках, Бермудских треугольниках и т.д. Последние годы, наверное начиная с киношки "Идеальный шторм" 2000 года, некоторую моду приобрела тема "волн-убийц", rogue wave - давно существует устойчивое выражение в английском, как "девятый вал" в русском языке.

Насколько такие штучки оправданы? Начнём с того что отдельная "стена воды" в открытом, спокойном океане всё-таки с физикой плохо согласуется. Это явление напоминает ударную волну в воздухе - вещь вполне реальную и распространённую. Но в воздухе физика волн совсем другая - у звуковых волн нет дисперсии, и поэтому из-за нелинейный эффектов возможна концентрация энергии в одном месте, на фронте распространения волны - в этом и состоят "ударные волны". Но поверхностные волны в воде не такие - у них высокая дисперсия (зависимость скорости волны от её длины), и концентрированный фронт - "стена воды" - будет быстро размыт и потеряет крутизну. В принципе это не является абсолютно невозможным - в том случае когда длина волны намного больше глубины, дисперсия практически исчезает, и концентрированный фронт возможен. И на мелководье это явление случается, да и любая обычная волна, набегающая на берег, концентрирует свою энергию и превращается в обрушающуюся стены воды - обычный прибой. Но в открытом океане, чтобы нелинейные эффекты преобладали над дисперсией и создали движущийся фронт как в "Посейдоне", нужно чтобы высота волны была сравнима с глубиной. Представляете - например, километр глубины и при этом 500 метров высота волны. Теоретически возможно, но уж слишком гигантскую энергию нужно, иначе такой фронт быстро "рассосётся".

Именно поэтому цунами в открытом океане почти незаметны - плавное поднятие воды на несколько метров - энергия слишком быстро расплывается по пространству, и только у самого берега концентрируется и превращается в разрушительную волну. Волны большой длины (по сравнению с глубиной) распространяются в воде со скоростью примерно sqrt(gh), где h - глубина воды, g - ускорение свободного падения. Для средней глубины океана около 4 км эта скорость - 200 м/с, или около 700 км/ч. С такой скоростью и бежит по океану цунами.

Так же рассматриватеся и другая категория - не цунами, а обычные штромовые волны среди которых по некоторым последним представлениям могут быть особенно большие "волны-убийцы", блуждающие среди просто сильных волн. О реальности и частоте подобного явления сейчас спорят, но тема становится довольно модной. Кроме некоторых газетных статей по вышеуказанной ссылке можно найти много материалов - например:
http://www.math.uio.no/~karstent/waves/index_en.html
http://www.esa.int/esaCP/SEMOKQL26WD_index_0.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Freak_wave

В принципе никакого жёсткого ограничения по высоте у штормовых волн нет - просто у больших волн есть тенденция распадаться на более мелкие (в силу дисперсии), и из-за этого такие штучки как пуля всю ночь напролёт за комбатом гонялась "волна-убийца" блуждающая по океану на сотни километров, представляются маловероятными. Но физика не запрещает большой волне, сложившейся из нескольких более мелких в силу нелинейности, особой топографии дна и т.д., существовать хотя бы несколько минут. Если такая волна случилась и оказалась около корабля или нефтяной платформы, то может причинить серьёзный ущерб. Но такие комбинации всё же чрезвычайно редки. В принципе, например, и в самолёт может метеорит попасть - но вроде бы пока не случалось Так же и в океане - огромная волна может существовать секунд 20-100, но очень редко, и большие суда в океане плавают и почти не тонут.

Есть другая, экзотическая, категория волн - так называемые "солитоны", которые могут распространяться на большие расстояния не меняя своей формы (напоминающей колоколо-образную гауссовую кривую). В такой волне дисперсия (постепенное размазывание энергии по пространству) строго уравновешивается нелинейными эффектами. У такой волны есть красивое математическое решение (уравнение Кортевега де Вриза и т.д.) и эта тема была весьма модной в физике лет 30-40 назад, да и потом ей многие баловались - не только в поверхностных волнах в воде, но и в других областях - в нелинейной оптике и т.д.

Но для открытого океана солитоны очень маловероятны. Во-первых, это чисто одномерное решение (т.е. ширина волнового фронта должна быть во много-много раз больше длины волны), во-вторых - длина волны должа быть сравнима с глубиной (несколько километров в глубоком океане, т.е. "стена воды" не получится), в третьих - при взаимодействии с другими штормовыми волнами будет происходить быстрая эрозия подобного "солитона". Солитоны вполне реальны (и неоднократно наблюдались) в условиях, например, прямого канала, но для открытого океана - никто ничего подобного не видел. На бумаге красиво, но в реальной жизни - слишком экзотично.

Мне доводилось плавать в "ревущих сороковых" в южном полушарии, где наш корабль (такой же как "Келдыш" - в фильме "Титаник") попал в страшный шторм и его качало как шлюпку, волны катались по нижней палубе. Но волны был, в принципе, самые обыкновенные, только больше чем обычно. Такого, чтобы, например, 10 маленьких волн а за ними одна огромная - не замечали. Большинство сравнимы друг с другом.

На самом деле в океане и атмосфере есть совершено потрясающие явления вызванные очень интересными нелинейными эффектами, которые приводят к концентрации энергии и долгоживущим самоподдерживающимся "блуждающим" структурам - это вполне известные вихри, от ураганов до смерчей (а так же "ринги" Гольфстрима, солнечные пятна и "красное пятно" Юпитера). И разрушений от них гораздо больше и чаще чем от мифических "волн-убийц" далеко в океане.
Subscribe

  • "Going postal" - Кучно пошло

    Очередные пострелушки - теперь в Индианаполисе, в офисе Fedex, 8 убитых.…

  • Апрельская зима по расписанию

    16 апреля 2021 - более 10 см снега. Повторяется прошлогодняя история почти день в день, тогда было 18 апреля. И примерно так почти каждый год в…

  • Байденские - 2

    Политика США зарабатывает на дозу сыну президента Байдена - вполне подходящий заголовок, по мотивам по мотивам публикации в британской Daily Mail.…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 23 comments

  • "Going postal" - Кучно пошло

    Очередные пострелушки - теперь в Индианаполисе, в офисе Fedex, 8 убитых.…

  • Апрельская зима по расписанию

    16 апреля 2021 - более 10 см снега. Повторяется прошлогодняя история почти день в день, тогда было 18 апреля. И примерно так почти каждый год в…

  • Байденские - 2

    Политика США зарабатывает на дозу сыну президента Байдена - вполне подходящий заголовок, по мотивам по мотивам публикации в британской Daily Mail.…