Гэвин Претор-Пинни. Занимательное волноведение: волнения и колебания вокруг нас
- Издательство Livebook, 2012 г.
- Г. Претор-Пинни увлекательно и запросто знакомит всех желающих с теорией волн, а также с тем, какое значение волны имеют в нашей повседневной жизни.
Вас ждет кругосветное путешествие по всевозможным волнам — от серферских океанических до мозговых, радио-, микро-, инфракрасных, акустических, световых и многих прочих.
Музыка, эхолокация, теория Большого взрыва, радиотрансляции, вай-фай, рентген, серфинг, песчаные дюны, движение в пробках, приливы, гром и молнии, сверхзвуковые самолеты, землетрясения, жужжание пчел, стайные перелеты птиц — Претор-Пинни предлагает нам заново взглянуть на наш постоянно взволнованный мир.
Вступая в пору взросления, волны превращаются в форменных забияк. На третьем этапе жизни у особо крупных индивидов появляется пена у рта — барашки. При этом волны, гонимые безжалостным штормовым ветром, перекатываются через самих себя.
Если такой ветер устанавливается надолго, господствуя на обширном пространстве, его порывы срывают с гребней пенные хохолки — по склону каждой волны стекают белые ручейки. «Стена из зеленого стекла с холмиком снега», — так описал эту разновидность волн Джозеф Конрад. Хотя по мне, так больше напоминает слюну буйнопомешанного. Волны продолжают расти и, наконец, достигают 5 м.
Теперь барашки виднеются повсюду. Моряки иногда называют их «белыми лошадьми». А то и «дочерьми шкипера» — видимо, потому, что к ним, как и к дочерям шкипера, лучше не приближаться, себе дороже выйдет. Пена свидетельствует о том, что волны разбиваются на глубине; мощный ветер опрокидывает их гребни. И эти растущие, изрыгающие пену волны представляют для кораблей наибольшую опасность — они не просто вздымаются, подобно крутым утесам, но и зачастую разбиваются над судном, обрушивая на его палубу тонны морской воды.
Пытаясь избежать подобной напасти, мореходы еще в стародавние времена придумали один хитроумный трюк: чтобы успокоить волнение, они выливали за борт рыбий жир или бросали тюки с пропитанной маслом ветошью, и волны становились тише. Древние греки считали, что такой любопытный эффект получался благодаря маслянистой пленке, распространявшейся на поверхности воды и снижавшей силу трения между ветром и водой: «В чем причина? — задается вопросом древнегреческий историк Плутарх. — Верны ли рассуждения аристотеля о том, что ветер, скользя по глади морской поверхности, достигнутой таким способом, не оказывает на нее никакого воздействия и не поднимает волнения?»
Возможно, именно этот феномен лежит в основе чуда, о котором свидетельствует живший в восьмом веке англосаксонский летописец и монах Беда Достопочтенный. В своей «церковной истории народа англов» Беда описывает, как священник, которому предстояло отправиться в путешествие по суше, а вернуться морем, получает от епископа айдана немного освященного масла — чтобы в случае бури, угрожающей кораблю, смирить ее. Предполагалось, что масло обладает чудесными свойствами — мгновенно успокаивает шторм, возвращая море в тихое, спокойное состояние.
В 1757 году феноменом заинтересовался американский ученый-энциклопедист Бенджамин Франклин — наблюдая за поведением волн между соседними судами, идущими во главе каравана через атлантический океан, он заметил нечто любопытное. Волнение на отрезке между двумя кораблями было гораздо слабее, нежели возле остальных кораблей. Разъяснение ученому дал капитан: наверняка в этом виноваты коки, которые слили грязную, промасленную воду через шпигаты в море.
Судя по всему, случай запомнился ученому, потому как спустя шестнадцать лет Франклин в письме к другу Уильяму Браунриггу описал свой опыт, поставленный во время пребывания в лондоне; целью опыта было изучение эффекта, оказываемого маслом на волнение:
«Наконец достиг я Клапама; в окрестностях Клапам-Коммон есть большой пруд, на котором однажды, в ветреную погоду, довелось мне наблюдать приличное волнение. С собой я принес графинчик масла, коего немного вылил в воду. Масло, к моему удивлению, быстро растеклось по поверхности воды. Однако волнение не улеглось, потому как вылил я масло с подветренной стороны пруда, там, где волны самые высокие — ветер отнес его назад, к берегу. Тогда я прошел к наветренной стороне, где волны и образуются; там-то масло, которого было не более чайной ложки, чудесным образом разлилось по площади в несколько квадратных метров, тут же успокоив волнение. Затем оно постепенно достигло и подветренной стороны — почти четверть пруда, с половину акра, напоминала зеркальную поверхность».
Однако Франклин так и не смог найти объяснение подобному воздействию масла на волны. Объяснению же древних греков, предположивших, что масло делает воду скользкой и тем самым препятствует сцеплению ветра и воды, недостает глубины.
На самом деле, решающий фактор здесь — тот эффект, который масло оказывает на поверхностное натяжение воды. Масло распространяется по поверхности воды в виде тончайшей пленки, своеобразной кожи; коэффициент поверхностного натяжения этой пленки ниже, чем у воды. В результате снижения коэффициента вода под влиянием ветра образовывает уже не высокие волны, а едва заметную — в один-два сантиметра — рябь капиллярных волн.
Вы скажете: едва заметная рябь — пустяк, не стоящий внимания, куда, мол, ей до жутких валов океанического шторма. Однако помните: эти едва народившиеся волны способствуют усилению трения между воздухом и водой. Они заставляют воющий ветер крепко вцепиться в склон волны, которая катит огромным валуном, и щедро поделиться с ней своей энергией. Масло, успокаивая рябь на поверхности воды, вполне способно тягаться с мощью ветра и остановить высоченный гребень, который вместо того, чтобы спокойно нести на себе корабль, грозит обрушиться на его палубу.
Но когда в следующий раз вы решите прогуляться на своей моторке, а за бортом вдруг начнется волнение, не торопитесь сливать масло из двигателя, поскольку ваш мини-разлив не возымеет никакого эффекта. Современные масла на основе нефти не годятся для усмирения шторма, для этого нужны масла органического происхождения, например, масло жирных пород рыб — оно распространяется достаточно быстро и далеко, чтобы утихомирить «дочерей шкипера».
Пока мы неспешно прогуливались по Клапам-Коммон, ураганный ветер продолжал реветь: под надзором этого сурового воспитателя волны успели значительно подрасти. Они превратились в громады высотой под
Однако высота волн, подстегиваемых ураганным ветром, зависит не только от силы этого самого ветра. Океанографы обнаружили и два других существенных фактора: длину разгона — площадь акватории, над которой ветер дует в одном направлении, и продолжительность действия ветра, неизменного по силе и направлению. Именно эти два фактора в конечном итоге и позволяют ответить на вопрос: приведет ли шторм к полностью развитому волнению или нет?
Чтобы представить, как наши волны будут выглядеть к концу третьего этапа своего развития, достаточно взглянуть на картину «Голландские корабли во время шторма» — миниатюрный шедевр кисти яна Порселлиса, написанный им около 1620 года и хранящийся в лондонском Национальном морском музее. Художник Самюэл Диркс ван хогстратен, современник Порселлиса, называл его «Рафаэлем морской живописи».
Порселлис рисовал неспокойное море с натуры; благодаря его картинам жанр морского пейзажа, возникший всего около столетия назад, начал набирать популярность. Для творчества Порселлиса того периода характерен был малый размер работ — немногим больше листа формата А4. Наверняка голландские аристократы семнадцатого века, глядя на суровый, полный драматизма морской пейзаж, представляли жестокую потасовку в таверне, которую они подсматривают с улицы в окошко. Творимый безудержной морской стихией хаос наверняка в одинаковой степени и завораживал их, и повергал в ужас.
* * *
Наконец, шторм стих; наши волны вступают в четвертый этап своего жизненного цикла. Против всяких ожиданий, с убылью ветра беспорядочное мельтешение вершин и подошв вовсе не сменяется тихим, едва заметным покачиванием. Подросшие за время шторма волны все так же перекатываются по водной поверхности, только их уже ничто не подталкивает. Из вынужденных волн, подгоняемых ветром, они превращаются в свободные волны. Их настроение меняется до неузнаваемости; они мужают, входят в пору зрелого возраста, оставляя прошлое далеко позади.
Буйные ветровые волны сменяются спокойной зыбью. Однако, хотя шторм и миновал, энергия, которую он передал воде, не может просто взять и исчезнуть. Волны продолжают двигаться, но уже без понуждения воздушных потоков — просто перекатываются себе. По мере взросления окончательно сформировывается их характер.
Волны на поверхности моря, приведенные в движение, отдают окружающей среде на удивление немного энергии. А значит, способны совершать дальние путешествия. То же количество энергии, которым они все же делятся, идет в основном на образование барашков — данный процесс называют затуханием; волны с особенно крутыми склонами теряют некоторое количество энергии в момент сопротивления встречному ветру. Лишь зачаточные капиллярные волны теряют большую часть своей энергии из-за вязкости самой воды. Таким образом, крупная зыбь, появляющаяся после шторма, способна преодолевать поистине гигантские расстояния.
впервые это продемонстрировал Уолтер Мунк из Института океанографии Скриппса, расположенного возле Сан-Диего. Мунк — теперь ему уже за восемьдесят, но он до сих пор трудится, занимая в институте должность почетного профессора — хорошо известен в среде ученых-океанографов и пользуется огромным уважением. Во время второй мировой войны он разработал уникальную систему, позволявшую прогнозировать высоту волн. Дата высадки американо-английских войск в Северной Африке — предприятия, успех которого зависел от штилевой погоды на море, — была назначена с учетом его прогнозов.
В 1957 году Мунк доказал: волны, достигшие острова Гваделупа возле западного побережья Мексики, зародились во время штормов в Индийском океане, то есть на расстоянии около 15 000 км. Спустя десять лет Мунк с коллегами из Института океанографии Скриппса отследили перемещение океанической зыби через весь Тихий океан — с юга на север. Высокочувствительное оборудование было установлено на шести станциях, отстоявших одна от другой на тысячи километров; именно на них отмечалось движение океанических волн. Приборы зафиксировали зыбь, возникшую во время штормов в Антарктике, и затем записывали ее показатели, когда она проходила через Новую Зеландию, Самоа, Гавайи и далее через обширную северную часть Тихого океана. Эту же зыбь приборы зарегистрировали на расстоянии более 10 000 км — возле Якутата, штат Аляска; волны затратили на путешествие около двух недель.
Проходя такие расстояния, крупная зыбь постепенно теряет свою изначальную высоту. Прибегнув к помощи измерительных приборов, Мунк с коллегами зарегистрировали волны длиной до полутора километров и высотой всего лишь в одну десятую миллиметра. Однако высота снижается вовсе не из-за убыли энергии. Причина — в способе распространения волн: они расходятся от источника веером. В итоге энергия, сообщаемая поверхности воды ураганными ветрами, вместе с волнами распространяется по все большей и большей площади океана.
Все мы с возрастом смягчаемся, становимся спокойнее. По сравнению с неистово мечущимися штормовыми волнами, зрелые, свободно распространяющиеся волны океанической зыби ведут себя довольно расслабленно. В одной и той же акватории они проходят друг сквозь друга, точно дружелюбно настроенные привидения, продолжая каждая свой путь без малейших для себя последствий. И хотя при встрече двух зыбей морская поверхность приходит в беспорядочное волнение, зыби идут дальше, нимало не пострадав в результате столкновения.
По мере продвижения на открытом морском пространстве сборище разновеликих волн, возникших под влиянием сильного ветра, начинает упорядочиваться. Правило простое: длинные волны перемещаются быстрее коротких. Возникает ассоциация с марафонским бегом, при котором скорость бегунов зависит исключительно от длины их ног, — каланчи бегут быстрее коротышек. При звуке стартового пистолета пестрая компания бегунов разного роста одновременно пускается бежать. Однако в соответствии с правилом — чем длиннее у бегуна ноги, тем быстрее он бежит — толпа постепенно принимает следующий вид: каланчи впереди, коротышки позади.
То же самое происходит и с разновеликими волнами. По мере продвижения на открытом морском пространстве более длинные океанические волны идут быстрее, чем короткие — 80 км/ч против 50 км/ч, — в результате чего движение принимает организованный характер.
По мере распространения по все более обширной акватории высота волн убывает, они сглаживаются, вступая в фазу зрелости: нет больше крутых, с острыми пиками, трохоидальных гребней, подгоняемых ветром. Волны теряют стремительность бега, каждый новый гребень принимает форму пологого холма: «необъятный океан колышется низкими, широкими волнами — будто бы вздымает могучую грудь, глубоко вдыхая после изматывающей бури», — написал теоретик искусства Джон Рескин, живший в викторианскую эпоху.
Плавные линии волн теперь больше напоминают зыбь с картины Клода Моне «Зеленая волна». Моне первым начал изображать морской пейзаж в импрессионистской манере; собрат по цеху, Эдуард Мане, называл художника «Рафаэлем воды».
Но вы знаете, на месте Моне я бы оскорбился — неужели Мане не мог придумать комплимент пооригинальней?
войдите или зарегистрируйтесь