Глава V

 

Инерционные волны. Экспериментальные исследования

        

         Изложены результаты экспериментальных исследований  инерционных волн. Показано, что это постоянно наблюдаемое энергетически устойчивое волновое поле с большим временем возбуждения и жизни, изменение скорости течений инерционных волн преимущественно зависит от их взаимодействия между собой.        Из анализа измерений течений ясно, что течения инерционных волн доминируют в течениях высокочастотного диапазона течений в морях и океанах. Демонстрируется важная роль инерционных волн в динамике вод  моря или океана.

             

         В океанах, морях и крупных озёрах  обнаруживаются инерционные волны, частицы воды в которых движутся в горизонтальной плоскости почти по круговым орбитам с периодом T=12ч/sinj, где j - широта места [Блатов и др., 1984, Морозов, 1985, Филатов, 1983]. Роль инерционных волн в динамике вод морского и океанического бассейна огромна. Так, например, их энергия в Каспийском море может достигать 60% энергии переменных течений [Бондаренко, 1993]. Также указывалось о важной роли этих волн в динамике вод оз. Мичиган [Veber, 1964].

               Изучению инерционных волн уделяется много внимания, однако мнения о некоторых их свойствах и характере связей с источником энергии весьма противоречивы и часто неубедительны. В настоящее время экспериментально установлено, что в океанах и морях такие волны регистрируются от поверхности до горизонта 5000м, однако наибольшие скорости волновых течений наблюдаются в верхнем слое воды (50-100 м) [Блатов и др., 1984]. В Атлантическом океане и в Чёрном море в поверхностном слое воды максимальные скорости инерционных течений составляют 50-60, а средние – 20-25 см/с [Блатов и др., 1984, Гилл, 1986]. С такими же скоростями зарегистрированы волны в Среднем Каспии [Бондаренко, 1993]. В прибрежной зоне частотная структура течений инерционных волн меняется, а скорости могут достигать 100-150 см/с [Бондаренко, 1993]. В этом случае эти волны могут рассматриваться как фактор силового давления на дно моря или гидротехнические сооружения.

              В море инерционные волны наблюдаются в виде групп. Амплитуда колебаний скорости течений в группе постепенно увеличивается и, достигнув максимума, постепенно уменьшается [Блатов и др., 1984, Морозов, 1985]. Группы включают в себя в основном 2-6 [Блатов и др., 1984] или 15-18 волн [Бондаренко, 1993]. На рис.26 приведены записи скоростей течений инерционных волн, зарегистрированных в средней части Среднего Каспия [Бондаренко, 1993, Бондаренко и др., 1993, Бондаренко, Щевьёв, 2006]. Период колебания вектора течения равен инерционному периоду 17,5 ч. Эти течения доминируют в высокочастотной области спектра течений моря.

      

 

 

 

 

 

 

Рис.26. Проекции на меридиан (а) и параллель (б) колебаний скорости течений инерционных волн.

            

         Инерционные волны существенно изменяются не только во времени, но и в пространстве. Так, согласно [Блатов и др., 1984] при расстоянии 3 км в горизонтальном направлении когерентность инерционных течений составляет всего 0.7, а согласно [Бондаренко, 1993, Бондаренко, Ведев, 1998, Иванов, Янковский, 1993] она равна 0.8-0.9 при горизонтальных расстояниях 70 км. Амплитуда групп инерционных волн и их фазы в толще вод 50-1300 м почти одинаковы [Морозов, 1985]. Поэтому можно предположить, что такие волны представляют собой взаимосвязанные единые, целостные образования.                        Считается, что инерционные волны могут быть вызваны переменным по скорости и направлению ветром, флуктуациями давления, турбулентностью квазипостоянных течений, а также разними долгопериодными волнами [Блатов и др., 1984, Гилл, 1986]. Нам кажется, что наиболее вероятные источники инерционных волн – флуктуации атмосферного давления и (или) ветра. Так как ветер непосредственно связан с градиентом давления, то следует ожидать схожести частотных спектров ветра и давления. Считается также [Блатов и др., 1984, Иванов, Янковский, 1993], что увеличение амплитуды скорости течения в волне вызвано  возбуждением их источником энергии, после прекращения действия которого волны затухают. Однако автору не известны экспериментальные данные, убедительно подтверждающие связь параметров волн с источником.

         Итак, по мнению большинства исследователей, инерционные волны наблюдаются в виде групп и могут быстро образовываться и быстро “затухать”, а параметры групп и самих волн зависят непосредственно от параметров сиюминутного действия источника. В этом случае волновой процесс рассматривается как локальный, а его связь с источником энергии, как квазикогерентная. Время возбуждения волн равно 2-3, а время их жизни – 2-10 периодам инерции.

           Такие представления о волнах, по мнению автора данной работы, не обоснованы экспериментальными данными и не согласуются с результатами анализа поведения волн и источника их энергии. Процесс не может быть локальным, а связь с источником – квазикогерентной, так как когерентность волновых движений по горизонтали затухает гораздо быстрее, чем поле  источника, в качестве которого принимаются анемобарические образования (тайфуны, циклоны, области с повышенной скоростью ветра и т.д.). На это указывают ряд исследований  [Блатов и др., 1984, Морозов, 1985]. Скорее всего, источник энергии характеризуется случайным распределением временных и пространственных параметров. Если это так, то согласно оценкам [Munk,  Phillips, 1968], время жизни волн должно быть большим, больше 100 суток.   Такое несоответствие расчётных и наблюдаемых значений этих временных характеристик отмечает и автор этой работы.

        Если придерживаться представлений о локальности волнового процесса и квазикогерентной связи волн с источником, то трудно себе представить, что существует источник энергии, способный в течение 2-3 инерционных периодов привести огромные массы воды в специфическое для инерционных волн круговое движение со скоростями, достигающими 50-60 см/с. Трудно предположить также, что потери энергии в волнах велики настолько, что движение последних прекращается за такое же время. Потери энергии в волнах крайне малы. Например, время возбуждения и время жизни ветровых волн составляет ~10³ - 10⁵  периодов соответственно. Потери энергии в волнах крайне малы.

          Противоречия между расчётными [Munk,  Phillips, 1968] и данными наблюдений [Блатов и др., 1984, Морозов, 1985] может быть разрешено, если развитие инерционных волн представить следующим образом: как постоянно наблюдаемое явление [Бондаренко, 1993, Гилл, 1986, Иванов, Янковский, 1993]. Такие волны не локальны, а охватывают воды всего бассейна и представляют собой целостное образование – волновое поле. Дозы поступления энергии волнам и ее потери за время, равное их периоду, малы по сравнению с энергией самих волн, практически не нарушают их квазигармоническую структуру и поэтому незаметны в развитии волн. Связь с источником энергии имеет случайно распределённый во времени и пространстве характер, и, соответственно [Munk,  Phillips, 1968], время жизни волн должно быть большим. Скорее всего, энергия поля инерционных волн квазипостоянна [Бондаренко, 1993], а их групповая структура связана с взаимодействием волн между собой. Подобное взаимодействие наблюдается в ветровых волнах [Давидан, Лопатухин, Рожков, 1985]. Применительно к инерционным волнам групповая структура может быть образована путем взаимодействия (или простого  “наложения”) волновых движений частиц воды с различными периодами, зависящими от широты места образующихся волн. В реальных условиях не наблюдается чётких, правильных по форме групп в колебаниях инерционных течений, так как масса воды моря не сосредоточена в небольшом объёме воды, а непрерывно распределена по большому пространству.

              

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.27. Функции спектральной плотности проекций на параллель (а) и меридиан (б) течений, измеренных у восточного  побережья Среднего Каспия на горизонте 5,5 м при глубине моря 50 м.  Здесь и на рис. 28  числа у кривых – периоды, ч, энергетических максимумов и минимумов.

        

        

 

         Изложенные представления об инерционных волнах пока ещё не являются строгим доказательством, но и не противоречат имеющимся данным наблюдений. Так, при очень слабой атмосферной активности над всем Каспийским морем в течение месяца в пункте, расположенном на границе между Северным и Средним Каспием, эпизодически регистрировались  течения инерционных волн с очень большими скоростями (до 60-70 см/с) [Бондаренко, 1993]. Такие большие скорости течений наблюдались только один этот раз за десять лет наблюдений течений. Описан случай [Иванов, Янковский, 1993], когда в течение двух месяцев также при слабой атмосферной активности в Чёрном море около Южного берега Крыма инерционные волны  большой величины регистрировались непрерывно.

         На то, что поступающие дозы энергии малы, по сравнению с энергией волн, указывают спектры течений (рис. 27а, б) и ветра – предполагаемого источника волновых колебаний  (рис. 28а, б) [Бондаренко, 1993]. Так, на 24-ч периоде в спектре скорости ветра наблюдается внушительный максимум энергии, а вместе с тем в спектре течений на этом же периоде имеется глубокий “провал” энергии. Можно допустить, что энергия источника не превышает энергию “шума” спектра течений. Тогда она составляет 10-15% энергии переменных течений.

              

 

 

 

 

 

 

 

Рис.28. Функции спектральной плотности проекций ветра на параллель (а) и меридиан (б).

     

 

 

         Таким образом, инерционные волны - постоянно наблюдаемое, энергетически устойчивое поле с большим временем возбуждения и жизни. Изменение во времени и пространстве амплитуд колебаний скорости течений преимущественно зависит не от поступления энергии от источника, а от взаимодействия между собой волн, имеющих различные, но близкие периоды. Поэтому корреляционная  связь амплитуд колебаний скорости течений инерционных волн с параметрами источника не прослеживаются.

         Мы осветили некоторые теоретические и экспериментальные стороны различного типа долгопериодных волн, которые, как предполагается, должны существовать в океанах и морях. Среди них заметно выделяются в натурных измерениях волны Россби и инерционные (см. рис. 17а,б).

 

 

 

Сведения об авторе.
Альберт Леонидович Бондаренко, океанолог, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института водных проблем РАН. Область научных интересов: динамика вод Мирового океана, взаимодействие океана и атмосферы. Достижения: доказательство существенного влияния океанических волн Россби на формирование термодинамики океана и атмосферы, погоды и климата Земли.

Контакты с автором статьи