Энергия волн

Высотой волн характеризуется их энергия. Попросту говоря, энергия существует в двух формах: потенциальной (энергия положения) и кинетической (энергия движения). Известно, что количественно они равны и, следовательно, амплитуда волны является показателем всей энергии. Другой важной характеристикой служит частота волновых колебаний, зависящая, в частности, от разгона ветра — расстояния по прямой линии, на котором действует ветер от берега до данной точки. Зная разгон и скорость ветра, можно вычислить амплитуду волны. Сохранились данные столетней давности о полях ветра над морем. Имея сезонный прогноз скорости ветра, длину его разгона и время действия, можно при минимуме технических знаний воспользоваться номограммой для прогнозирования поля волнения. С аналогичных номограмм можно снять также данные о периоде волны, т.е. о времени между появлением двух последовательных гребней волны в заданном районе.

Период ветровых волн может изменяться от двух до двадцати секунд. Отсчитывая время между прибытием волн различного периода, можно определить место зарождения волны. Так, например, оказывается возможным иногда утверждать, что волна, достигшая Корнуэлла, зародилась в Антарктике.

Морские волны отличаются от радиоволн, движущихся с неизменной скоростью. Чем больше период волн, тем выше их скорость. Если расстояние от места шторма достаточно велико, то первыми прибывают волны с 20-секундным периодом, которые опережают волны с периодом 19 секунд, а те в свою очередь приходят быстрее волн 18-секундного периода и т.д. Чем большее расстояние прошла волна, тем больше дистанция, отделяющая волны различного периода. Это похоже на два аэроплана, взлетевших одновременно, один из которых имеет скорость 300 км/час, а второй — 600 км/час. Ложась на одинаковый курс, они находятся близко один от другого, но по мере продолжения полета разрыв между ними растет.

Если известны периоды волн и время их прибытия в некоторую точку, то можно определить, откуда они пришли. Возьмем, воспользовавшись номограммами ИОН, ветер скоростью 50 узлов и длиной разбега 100 км. Тогда то, что принято называть характерной высотой волны[14], составляет 6 м. Допустив, что скорость ветра составляет 50 узлов при разгоне 1000 км, получим характерное значение высоты волны — 8 м. Каждому, кто знаком с алгебраическими уравнениями, очевидно, что, зная две из этих величин, можно определить третью. Но решение подобных задач, определяющих некоторые наши перспективы, потребовало длительного времени и незаурядных способностей. Я намеренно упрощаю проблему. Почему, например, штормовые волны столь различны по высоте? Ответ м-ра Дрэйпера содержит некоторые указания на трудности, с которыми сталкивались он и его коллеги и их предшественники, занимавшиеся этим предметом: «Каждая отдельная волна порождена одним и тем же ветром, одновременно действующим над однородной средой, и все же высота их может отличаться в отношении 1:10. Объяснение состоит в том, что существует волна очень недолго; ни одна штормовая волна как идентифицируемое индивидуальное образование не живет более двух минут. Даже 80-футовые чудовища имеют короткий период триумфа, и если можно было бы проследить за их эволюцией, то было бы видно, как они уменьшаются и за пару минут опускаются до уровня остальных, приняв участие в случайной сумятице волн на морской поверхности и никогда не возвращаясь к первоначальным формам. Такое поведение является следствием того, что энергия морских волн распределена по очень широкому спектру волновых компонент, каждая из которых имеет свою амплитуду и период.

Каждая компонента движется со скоростью, определяемой ее периодом, так что более быстрые компоненты (имеющие больший период) постоянно опережают более медленные. Представим на момент простейший случай волновой системы, состоящей из двух компонент с несколько различными скоростями. Когда вершина одной волны настигнет вершину другой, временно возникает волна, превышающая по высоте и ту и другую; аналогично когда вершина одной волны попадает в подошву другой, то поверхность относительно сглаживается, В реальном море не две, а миллионы волновых компонент (бесконечное число, если перейти к их математическому пределу), и каждая движется со своей собственной изначальной скоростью. Если бы когда-нибудь, чисто случайно, очень большое число компонент совместилось в одной пространственно-временной точке и наблюдатель, к несчастью, оказался поблизости, он узрел бы волну огромных размеров[15].

Отсюда можно понять, что задача идентификации волн — действительно задача. В этом одна из причин того, что инженеры и ученые, занимающиеся волновой энергетикой, проявляют осторожность даже сегодня, когда потребность в дополнительных энергетических источниках выше, чем в прошлом. Самые тщательные эксперименты в модельных условиях, на озерах или в бухтах никогда не в состоянии воспроизвести ярость открытого моря.