КУМУЛЯТИВНЫЕ ВЫБРОСЫ ОКЕАНСКОЙ ВОДЫ
Гришаев А.А.
Институт метрологии времени и пространства, ГП ВНИИФТРИ
141570 Московская обл., Менделеево
Введение.
В судовых журналах не так уж редки записи о том, что судно налетало на мель в открытом океане, где достоверно измеренная глубина составляет 2 км и более. Если после такого происшествия судно своим ходом добиралось до ближайшего порта, то можно считать, что ему крупно повезло. Ведь таинственные гидроудары – даже при полном штиле – способны опрокидывать или переламывать корабли, о чём имеется множество свидетельств тех, кто выжил в такого рода морских катастрофах. Официальная наука, бессильная объяснить происхождение этих гидроударов, их просто замалчивает – а корабли и подводные лодки продолжают от них гибнуть.В настоящей статье описан природный механизм возникновения вертикального кумулятивного выброса океанской воды, а также рассмотрены некоторые следствия образования такого выброса – в частности, рождение цунами.
Подводные вулканы – гидро-пушки Океана.
Кумулятивные выбросы воды происходят над срединно-океаническими хребтами, в зоне Тихоокеанского “горячего кольца”, и т.п. – т.е. в тех районах океана, где дно сейсмически и вулканически активно.Рассмотрим, что происходит после того, как свод подводного вулкана проплавляется в достаточной степени и обрушивается. Вода устремляется в вулканическую каверну и, согласно уравнению Бернулли, это сопровождается динамическим падением давления в потоке. Установление новой картины давления в водной толще происходит с помощью возмущения, распространяющегося от области бывшего свода со скоростью звука. Пусть до того, как вода перестанет поступать в каверну, это возмущение успеет достигнуть поверхности океана не только в ближайшей точке, расположенной прямо над источником возмущения, но и в некотором круге с центром в этой точке. Тогда линии токов, начинающихся на поверхности океана, располагаются вдоль образующих у фигур вращения, которые имеют вид обращённых кверху раструбов с общей вертикальной осью симметрии. При этом градиенты давления, обусловленные его динамическим падением, направлены по нормалям к поверхностям этих раструбов, в сторону центральной оси. Таким образом, создаётся воронкообразная область, в которой на каждом уровне имеется понижение давления от периферии к центральной оси, причём такое распределение давления обусловлено течением воды в этой области. Поэтому, как только это течение воды прекращается, происходит выравнивание давления на уровнях – благодаря волне, которая схлопывается к центральной оси и порождает кумулятивный выброс.
Для грубой оценки высоты, на которую вздымается этот выброс над поверхностью океана, заметим, что эта задача эквивалентна следующей задаче о сообщающихся сосудах. В колена U-образной трубки, разделённой внизу перегородкой, залиты несмешивающиеся жидкости с различающимися плотностями, причём высота их столбов одинакова; требуется узнать, на какую высоту взметнётся уровень менее плотной жидкости после убирания перегородки. Для полной аналогии следует добавить, что динамическое падение давления в сливной струе можно формально рассматривать как результат статического понижения давления – из-за прямо пропорционального понижения плотности. Для оценки динамического падения давления с помощью уравнения Бернулли, требуется знать скорость потока v, которая на входе в “сливное отверстие” есть
v = km (2gH)1/2 , (1)
где
g - ускорение свободного падения, H - глубина, на которой расположено “сливное отверстие”, m - коэффициент, зависящий от формы краёв “сливного отверстия” [1] и k - коэффициент, учитывающий, что слив происходит не в свободную атмосферу, а в каверну, где давление значительно выше. Тогда, решая задачу о сообщающихся сосудах при разности плотностей, пересчитанной, как оговорено выше, на основе динамического падения давления в сливной струе, мы получаем следующее выражение для искомой оценки высоты выброса D h:D h = (km )2H/2. (2)
Так, при глубине расположения “сливного отверстия”, равной 2.5 км, при m =0.8 и
k=0.5, значение D h, согласно (2), составляет 200 м – и это, по-видимому, не предел.Может быть, скептики возразят, что никто никогда не видел таких опасных чудес в океане? Это не так: их видели неоднократно, особенно рыбаки из соответствующих регионов. Неспроста морские драконы являются непременными персонажами в мифологиях, например, народов побережья Юго-Восточной Азии. Так, один швейцарский дипломат писал из Японии: “Тац-Маки – ужас добрых людей. Это огромный дракон, большей частью скрывающийся в пещерах на дне морском; но иногда он поднимается на поверхность моря и вдруг взлетает в небо…”
[2]. Для тех, кто не верит “этим народным сказкам”, приведём свидетельство более просвещённого очевидца (цитируется по [3] – оговоримся, что мы не разделяем авторской интерпретации изложенных там фактов): “…мы шли в Индийском океане, из Одессы в Сингапур. Погода была нормальная, почти штилевая. Вдруг штурвальный “сыграл полундру”. Выбежав на палубу, мы увидели, как впереди, прямо по курсу в нескольких километрах вздыбился океан. Образовался высоченный столб воды, а вокруг волны – выше парохода!.. Капитан дал команду изменить курс и обойти опасное место… Что это было – мы так и не поняли”.А было это, на наш взгляд, то, что является основным природным источником цунами.
Цунами: продольные волны, а не поперечные.
Давно подмечена корреляция между выплёскивающимися на побережье водяными валами и подводными землетрясениями, которые этому предшествовали. Также давно подмечено, что грозная мощь этих водяных валов проявляется лишь непосредственно у побережья – в открытом море они практически незаметны. Исходя из первой названной особенности, полагают, что волны цунами являются поверхностными поперечными волнами, которые порождаются подвижками морского дна, а, исходя из второй названной особенности – что они имеют огромную длину волны (100 км и более) и малую амплитуду (порядка 0.5 м). Для скорости c0 таких волн теория даёт выражение [4,5]c0 = (gD)1/2 , (3)
где
D – глубина моря; причём с этим выражением неплохо согласуются результаты измерений времён пробега волн цунами в открытом море. Но недоумение вызывает поведение этих “поверхностных волн” вблизи побережья, особенно при отсутствии широкого прибрежного мелководья. В таких условиях формирование водяного вала, готового обрушиться на берег, длится считанные секунды. Очевидно, что за эти секунды гребень должен успеть пройти расстояние в половину длины волны. При длине волны в 100 км это означает, что гребень должен двигаться со скоростью, в несколько раз превышающей третью космическую, что, конечно, совершенно не согласуется с выражением (3).На наш взгляд, эту проблему
можно легко разрешить в предположении, что волны цунами являются не поперечными, а продольными волнами повышения давления, которые возникают, в частности, при образовании водяного пика над поверхностью моря, о чём шла речь выше. Заметим, что подошва водяного пика непременно является источником волны повышения давления в водной толще. Действительно, по всем канонам гидростатики, это давление зависит лишь от высоты водяного столба, но не от количества воды, составляющей водяной столб – что эффектно демонстрирует знаменитый опыт Паскаля: полная бочка отлично держала воду, но в неё вставляли вертикальную трубку, длиною в несколько метров, и заполняли эту трубку (на что уходила всего одна кружка воды), и тогда вода начинала сочиться “изо всех щелей” бочки. Поскольку нет разницы, создан ли дополнительный столб воды с помощью трубки или без неё, то действие водяного пика совершенно аналогично действию воды в трубке, которую использовал Паскаль.Теперь рассмотрим вопрос о скорости распространения волны повышения давления от подошвы водяного пика. Обычное выражение для скорости звука в воде здесь неприменимо, поскольку в нём используется коэффициент адиабатической сжимаемости
, т.е. считается, что сжатия и разрежения в звуковой волне являются адиабатическими, тогда как наш случай – явно неадиабатический. В таком случае обычно используется Ньютонова скорость звука [6]:c = (P/r )1/2 , (4)
где
P – давление в среде, r - плотность среды. Тогда, считая, что плотность водной среды r является константой, а давление в этой среде линейно зависит от глубины d, мы получаем:c = [(Pатм + r gd)/r ]1/2 , (5)
где
Pатм - атмосферное давление на уровне моря.Как следует из выражения (5), скорость волны повышения давления сильно зависит от глубины, на которой эта волна распространяется; придонный участок фронта этой волны движется быстрее всех остальных. Поэтому, на наш взгляд, именно скорость придонной волны играет роль скорости движения цунами; для глубины в 4 км эта скорость отличается от скорости c0 (см.(3)) всего на 0.25%. При движении цунами от источника в океане к побережью, именно придонная волна первой достигает материкового склона и затем, поднявшись по этому склону, порождает выплеск, обрушивающийся на побережье.
С учётом вышеизложенного, становится понятно, что даже далёкий кумулятивный выброс воды смертельно опасен для аквалангистов и подводных лодок, находящихся на своих предельных глубинах погружения. Морские обитатели, для которых чревато неприятностями быстрое повышение давления на лишние десятки атмосфер, давным-давно выработали защитные реакции. Например, подмечено, что перед приходом волны цунами обычно заметно усиливается флуоресценция моря, за которую ответственны морские микроорганизмы. Логично предположить, что эти микроорганизмы просто поднимаются поближе к поверхности, реагируя на звуковой предвестник повышения давления: хлопок от кумулирующей волны с последующими шумами, которые возникают при оседании водяного пика.
Заключение.
В настоящей работе вкратце обрисован природный механизм образования кумулятивных выбросов океанской воды, которые представляют серьёзную опасность для кораблей и подводных лодок, а также для низколетящих самолётов и вертолётов. Хотелось бы верить, что эта статья проинициирует, наконец, систематическое изучение этого грозного стихийного явления. Добавим, что, в согласии с вышеизложенным, водяной пик, замеченный, например, со спутника, контролирующего поверхность океана, безошибочно свидетельствовал бы о рождении цунами.
Ссылки.
Источник:
http://newfiz.narod.ruПоступило на сайт: 28 февраля 2002.