Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

В начале изучения этих и других подобных явлений возникновение и устойчивость ударных волн казались весьма таинственными «событиями». Эмоциональные ученые говорили о катастрофе — градиентной (или скачковой) катастрофе, угрожающей всей науке. Ситуация прояснилась, когда было обнаружено, что в большинстве нелинейных сред волны различной длины движутся с различными скоростями, а при взрывах или при турбулентных процессах в плазме возбуждаются волны со множеством различных длин волн. Эти волны, постепенно догоняя друг друга, складываются в единую волну, передний фронт которой становится все круче. Так возникает ударная волна, характеризующаяся разрывом — резким переходом от малого давления в газе или плазме, там, куда фронт еще не дошел, к большему давлению за фронтом, — скачком давления, быстро увеличивающегося на самом фронте. Этот переход и вызывает резкий удар, когда такая волна набегает на препятствие.

Сколь ни удивительны все эти и другие явления, родственные солитонам, сами солитоны поражают тем, что могут длительно существовать, не меняя своей формы даже в тех средах, где нет ни источников энергии, ни процессов, поглощающих энергию.

Физикам удалось разгадать тайну этих солитонов, понять, как они сохраняют свои свойства несмотря на возмущения, приходящие извне. Здесь возможны два механизма. Солитон может поглощать внутрь себя энергию возмущающего воздействия. При этом он остается солитоном, хотя энергия его постепенно возрастает. Бывает и так, что солитон пропускает энергию возмущения сквозь себя, поглощая ее своим передним фронтом и излучая через задний фронт. Физики говорят в этом случае, что энергия возмущающего воздействия проходит в «хвост» солитона.

Примером солитона, набирающего энергию, является нагонная волна. Нагонная волна — это одиночная волна, возникающая на воде, если скорость ветра постоянна и равна скорости распространения волн в данном месте. Например, нагонные волны возникают — к счастью, не часто — при ровном западном ветре в Финском заливе. Впитывая в себя энергию ветра, движущегося вместе с ней, нагонная волна постепенно возрастает и начинает быстро увеличиваться, когда сужающиеся берега залива втискивают ее в устье Невы. Так возникают наводнения, угроза которых может быть ликвидирована только дамбой, возводимой сейчас в Финском заливе.

Еще более разрушительными бывают нагонные волны, образуемые тайфунами в водах Бенгальского залива, уносящие иногда десятки тысяч жизней. Этому способствует невозможность точного предсказания возникновения этих убийственных волн. Для их грозного развития нужны особые величины скорости и направления ветра, а оценить ход турбулентных процессов не могут и ЭВМ. Здесь тоже приходится ограничиваться предупреждениями об угрожающей ситуации. Но когда эти предупреждения не сбываются, бдительность населения притупляется — и, несмотря на предупреждение, катастрофа оказывается неожиданной.

Свойствами солитонов обладают и волны океанских приливов.

Иногда говорят о том, что цунами тоже солитон. Это так, но цунами не обычный уединенный солитон, а более редкий — множественный солитон. Ведь цунами бежит группой следующих одна за другой волн.

«Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустой забавою». Последуем же этому совету Козьмы Пруткова.

Вспомним. Камень падает в воду, увлекая ее в глубину. На месте его падения образуется воронка. Потом вода заполняет ее, вздыбливаясь по инерции горкой. От вершины горки зачастую отрывается, поднимается ввысь и падает капля. Но это деталь. Не она определяет картину. Горка вновь опускается. В ее центре образуется углубление, а ее края разбегаются, образуя первую кольцевую волну. Так продолжается несколько раз. Вода в месте падения постепенно успокаивается, а по ее поверхности разбегается в стороны группа кольцевых волн. По мере удаления от центра они постепенно затухают, и все успокаивается.

Цунами начинается аналогично, по не совсем так. Момент рождения цунами, вероятно, не наблюдал никто. Ведь оно возникает в результате сильного подводного землетрясения, а оказаться в его эпицентре можно только случайно. По-видимому, такого случая не было.

Но хорошо известно, как это происходит. Мощные цунами возникают при внезапных сильных опусканиях значительных участков дна океана. Вслед за дном опускается весь толстый слой воды, расположенный над этим участком. В этом вся разница. Камень приводит в движение лишь небольшой объем воды, сообщает ей лишь малую порцию энергии. При этом возникают маленькие волны, их движение с большой точностью описывается линейным уравнением.