“Неправильные” волны

Большие волны во все времена вызывали беспокойство у мореплавателей. Их называют по-разному - «неправильные», «ненормальные», «обрушивающиеся» или «экстремальные». Мы примем к употреблению термин «неправильные» волны. В общем смысле, неправильная волна, это та, которая резко отличается по своим характеристикам от окружающих ее волн. Такие волны намного выше и круче обычных больших океанских волн, развивающихся во время шторма. Они имеют большую ширину и обычно глубже, чем выше, и возникают вследствие различных причин, которые мы рассмотрим в этой статье. Здесь мы говорим о волнах открытого моря, не о прибрежных или приливных волнах, накатывающихся на берег, или о волнах цунами.
Океанографы и метеорологи давно наблюдают и изучают такие волны во всех регионах мирового океана. Информация о неправильных волнах приходит из двух источников: действительных, визуальных  наблюдений с судов, и записей с автоматических погодных буев и станций  в различных морях мира.

Слева, на рисунке 1, показана волнограмма записи реального волнения, наблюдаемого в 30-узловой ветер на плавучем маяке в океане у берегов Ирландии. 42-футовая волна появилась в обычной череде волн высотой 16 футов.

Что это такое – неправильные волны?

Простую волновую систему, такую как в пруду или небольшом озере, легко наблюдать и предсказать. Каждая волна имеет такую же высоту, длину и скорость, как и другие. В открытом море, однако, волны не так предсказуемы. Хотя общая картина волнения видится усредненной, каждая волна отличается от другой размерами, формой и своим движением. Общее волнение состоит как бы из групп  волн, которые движутся относительно друг друга. Наложение одной партии волн на другую под воздействием ветра, течения, мелководья или комбинации этих факторов, приводит к смешиванию волн и наблюдаемой беспорядочности волнения.

Неправильная волна представляет крайний конец спектра всех возможных волн, и является необычно высокой и крутой (часто описывается как «стена воды»), или с очень глубокой подошвой («яма в море»). По сравнению с обычными волнами, которые образуют пенные гребни лишь на своих вершинах, ненормальные волны обрушиваются вдоль всего длинного фронта и ведут себя агрессивно - они могут нести с собой массу воды вперед, чего обычные волны не делают. Чаще случается единичная ненормальная волна, или две (реже три волны), с глубокими подошвами между ними.

Наивысшая зафиксированная волна имела высоту 112 футов (34,1 метра) и, безусловно, была отнесена к ненормальным. Но не все ненормальные волны такие монстры, хотя они и опасны в сравнении с их соседями. В море, со средней высотой волны 6 футов, например, крутая волна высотой 20 футов может быть названа ненормальной. Стоить иметь в виду тот факт, что ненормальные волны образуются не только в экстремальных штормах. Такого типа волны значительных размеров и представляющих собой опасность для парусной яхты могут образоваться при ветре 30-40 узлов, т.е. 8 Баллов по Бофорту.

Волны, отнесенные к неправильным, большие и опасные. Это не уникальное чудо природы - они являются неизбежным следствием статистической закономерности. Мы будем встречать их всегда. Очень грубо, каждые два часа вы увидите одну из таких волн, которая будет в два раза выше других или даже больше, если ветер сильный, и дует на протяжении долгого периода времени.  В отличие от обычных волн, ненормальные формируются в особых условиях, и поэтому весьма редки и не могут быть предсказаны. К счастью, очень короткий период их жизни и ограниченность в пространстве, способствует тому, что яхтсмены встречаются с исключительно большими волнами очень редко, если вообще никогда. Нужно быть большим неудачником, чтобы найти такую волну. Имейте в виду, что мы говорим о больших волнах в плохую погоду. Не имеется доказательств, что такая волна может идти через океан, и подкрасться к вам при отсутствии большого волнения на море.

И все же, несмотря на редкость появления неправильных волн, стоит знать об их существовании, чтобы не думать, что пришел конец света, если придется увидеть такую волну.
Неправильные волны чаще всего становятся причиной сотен случаев переворотов яхт, повреждений и затоплений судов, и потери людей и грузов. И наверняка, произошло больше инцидентов связанных с такими волнами, чем об этом было сообщено. Знание особенностей района, где мы находимся, возможно, не поможет избежать, но поможет лучше приготовиться к случайной встрече с неправильной волной. Хорошим правилом для яхт океанского плавания является подготовка судна к перевороту на 180 и полному перевороту на 360 градусов.

Причины образования неправильных волн

Главной причиной образования неправильных волн служит явление интерференции (наложения) двух или более групп волн друг на друга. По океану всегда путешествуют группы волн, образованных под воздействием ветра, и каждая их них имеет свой собственный период, высоту скорость и направление движения.
Как и с отдельными волнами, когда две группы волн накладываются друг на друга, результирующие волны будут отличаться друг от друга, и от тех волн, из которых они образовались. В некоторых местах конструктивная интерференция  генерирует большие волны, в то время как меньшие волны являются результатом деструктивной интерференцией. Пример принципа волновой интерференции показан на рис.2.
На картинке схематически показаны две группы волн – одна красным цветом, другая – синим, накладывающиеся друг на друга, и генерирующие третью группу волн (в зеленом цвете). Когда две волны находятся в одной фазе, т.е. их  гребни находятся близко друг к другу или совпадают, то результирующая волна будет большой – почти вдвое больше каждой начальной волны. Это конструктивная волновая интерференция. И наоборот, несовпадение фаз двух волн, приводит к затуханию результирующей волны. 
Если учесть, что на море может иметь место интерференция более чем двух волн из разных волновых групп, то нетрудно представить, что при совпадении всех их в одной фазе, может образоваться исключительно высокая волна или серия волн. Период жизни таких волн короткий (возможно, минуту или меньше), поскольку группы волн движутся с разными скоростями, и быстро выходят из состояния совпадения фаз.
Как уже отмечалось, большие волны, образованные интерференцией, не обязательно требуют штормового ветра. Если две зыби от разных направлений накладываются друг на друга, то это тоже может генерировать необычную для штилевых условий волну. Но реально опасные ненормальные волны образуются только в штормах. Это происходит по той причине, что сильный ветер образует все новые и новые группы волн, которые взаимодействуют со старыми, и уже возможно, более высокими и крутыми.  Несколько новых групп волн могут встретиться с другими  группами, которые образовались в разных частях шторма и от шквалов, и идут с другого направления. Шквалы обычно генерируют более крутые и быстрые группы волн, которые активно взаимодействуют с имеющимся волнением, часто причиняя волновой хаос на море.

Образование больших, нестабильных волн значительно усиливается, если имеется встречное течение, на котором длина волн уменьшается, а их высота и крутизна растет. Высота волны в этом случае зависит от скорости самой волны и скорости встречного течения. В крайне неблагоприятных условиях волны могут вырасти вдвое, по сравнению  с теми, что находятся за пределами встречного течения. Если этот эффект комбинируется с интерференцией, как мы рассматривали выше, то могут образоваться волны в четыре раза выше, чем обычное волнение при данном ветре. Такое явление можно наблюдать  в североатлантическом Гольфстриме, где большие штормовые волны от 40 до 50 футов высоты могут двигаться в южном направлении против северного течения и формировать неправильные волны высотой 80 футов.

Опасные волны могут образовываться также на мелководных участках моря. Когда морская волна начинает «ощущать» морское дно, будь то на подходе к берегу, мелководной банке или при встрече с  подводным препятствием, то скорость ее замедляется, но, сохраняя свою энергию, волна увеличивает свою высоту и становится  нестабильной и имеет тенденцию  к обрушению гребня. Волны, образованные таким образом, могут случаться в любых ветровых условиях, включая штиль. В комбинации с сильным штормовым волнением, мелководье может создать очень высокие и крутые обрушивающиеся волны.

Размеры экстремальных волн

Кроме упомянутой выше 112-футовой волны 1933 года в Тихом Океане, заслуживает внимания записи с нефтяной платформы SEDCO 135F в Британской Колумбии, где в один из ураганов значительная  высота волнения увеличилась с 14 футов до 65 футов в течение 6 часов, с по меньшей мере, одной волной 102 фута. И вероятно, что это не были неправильные волны с учетом того, что наблюдался ветер скоростью 80 узлов. Волны подобных размеров наблюдались очевидцами. Обрушивающиеся гребни таких волн фиксировались радарами судов с дистанции до 50 миль. Поскольку такие огромные волны явление редкое, они нечасто фиксируются приборами, и еще реже фотографируются.
Наблюдения показывали образование 25-футовой волны при среднем волнении всего 5 футов, и 65-футовой при волнении 14 футов, которые безусловно можно назвать неправильными..
Но опаснее, чем ее большой размер, является форма ненормальной волны – ее крутизна и глубина ложбины, что и определяет название – ненормальная. Более того, ненормальной волне даже нет необходимости быть исключительно большой, чтобы быть разрушительной и нанести повреждения судну или казаться зловещей, неожиданно появляясь перед вами. Крутизна ее является критическим фактором в сочетании с глубиной ложбины, куда судно падает, почти в буквальном смысле слова. Периодически появляющиеся рассказы о «дырах» или «ямах» в океане являются не выдумкой, а свидетельствами очевидцев. (см. рис слева)

Частота появления неправильной волны

Находясь в шторме, яхтсмен наблюдает волны и их группы, атакующие яхту. Существует общепринятое мнение, что каждая седьмая или девятая волна больше, чем остальные. Это, однако, не научный подход, но просто повод помнить, что мы имеем дело со статистическими вопросами – сколько волн небольших, сколько крупных, и сколько необычно больших. Наблюдения показывают, что каждая группа  волн постоянно изменяется и реформируется, сами волны имеют собственное движение - от задней части группы они движутся к передней кромке, и там как бы исчезают. Формируясь у задней кромки системы, небольшая вначале волна, продвигаясь вперед, растет в размерах, и достигает наибольшей высоты на пол пути к передней части группы, а затем уменьшается снова. Следовательно, наиболее опасные волны вероятнее всего будут в середине группы волн. Типичный образец группы волн состоит из нескольких больших волн подряд (конструктивная интерференция) и следующей за ними череды сначала меньших, а потом и небольших волн (деструктивная интерференция). Эта картина повторяется снова и снова. Когда большие волны объединяются в группу из трех, их часто называют «три сестры». Статистика говорит, что в среднем, каждая 2000-я волна имеет высоту в 2 раза больше значительной высоты волнения. (значительная высота волнения, это усредненная высота одной трети всех наивысших волн)
Когда боретесь с волнами и пытаетесь избежать наибольших из них, то лучше смотреть какие волны и с какого направления подходят, чем их считать, и направляйте лодку прямо вслед за прошедшей большой волной.

Шквалы и порывы ветра, приходя с другого направления, формируют свои волны, которые интерферируют с имеющимися, и вероятность образования неправильных волн возрастает. Такой сценарий наиболее вероятен при прохождении фронтов и вблизи «глаза» тропического циклона, где ветер меняет направление, а группы волны идут под углом друг к другу. Большинство волновых систем шторма встречаются в его центре, где возникает хаотическое и наибольшее волнение с неожиданно возникающими водяными «горами».
Так называемый «метеорологическая бомба» - внетропический циклонический шторм с падением давления 24 миллибара за 24 часа,  по своей силе может достичь уровня урагана. Температура воздуха на его восточной стороне намного ниже температуры океана, что приводит к возникновению сильных турбулентных потоков в атмосфере, которые воздействуют на поверхность океана и повышают вероятность появления неправильных волн.
Мощные нисходящие потоки воздуха, характерные для грозовых шквалов вносят свою лепту в образование экстремальных волн. И хотя один шквал не в состоянии образовать полноценную систему волн, то гроза со шквалами идущая вдоль имеющихся волн, которые в этом случае будут подвержены длительному  воздействию шквалов, может значительно усилить волнение и внести нестабильность в его поведение.

Опасность для судов

Неправильные волны опасны для судов всех размерений, включая наибольшие и наиболее мореходные. Даже авианосцы - наибольшие из военных кораблей, получают повреждения от таких волн.  Эффект воздействия волны на судно зависит от его размеров и размеров волны, а также прочности судна, его скорости встречи с волной и положения  относительно волны.
Яхты являются очень мореходными судами, но размеры неправильных волн могут свести этот фактор на нет. Наибольшую опасность для малых судов представляет обрушивающийся вертикальный фронт волны. Такое обрушение гребня, несущее огромные массы воды по крутому переднему склону (что происходит когда отношение высоты волны к ее длине достигает 1/7), у неправильных волн случается очень часто. По этой причине такие волны часто называют обрушивающимися. Яхта подвергается удару всей массы гребня волны. Один метр кубический воды весит 1 тонну, и с учетом огромных объемов обрушивающихся гребней, можно представить себе, какой нагрузке подвергается судно. Яхта может быть подхвачена гребнем и брошена бортом на подошву волны. В таких случаях  чаще всего страдает и разрушается рубка или подветренный борт, срываются люки, ломаются мачты. Яхта может быть перевернута через борт на 360 градусов. Имели место случаи переворота яхт через нос при подходе неправильной волны с кормы яхты.

Готовность к встрече

Отдельные волны – неправильные или любые другие, появляются почти без предупреждения, и могут ударить, когда худшее в шторме уже миновало. В любом шторме яхтсмен должен осознавать, что имеется вероятность встречи с неправильной волной. Естественно, все люки должны быть задраены, все на палубе и под ней закреплено, проверено, и еще раз закреплено, на случай полного переворота, а ношение страховочных сбруй обязательно. Анализ многих задокументированных трагедий в связи с неправильными волнами показывает, что часто несчастья можно было избежать лишь следованием принципам хорошей морской практики, что в данном случае означает уважение к морю и его силе.

From Weather Trainer by David Burch
Перевод С.Свистула

Опубликовано в журнале Фарватер

Неправильные волны. Статья для яхтсменов mail to info@amariner.net