СЕЙШИ И ТЯГУН Уже почти три столетия было известно, что вода в Женевском озере может подниматься и падать на несколько дюймов, иногда неправильно, а иногда с большей или меньшей закономерностью: тот же самый род колебаний воды наблюдается и в других швейцарских озерах. При этом бывают ложные приливы, названные«сейшами»; еще недавно думали, что они наступают только в бурную погоду, теперь же известно, что небольшие сейши происходят почти каждый день. Д. Г. Дарвин. Приливы и родственные им явления в солнечной системе Во многих портах и бухтах иногда наблюдается удивительное природное явление. В спокойную погоду при отсутствии видимых внешних причин в закрытой акватории порта начинаются резкие подвижки судов, ошвартованных у причалов или стоящих на якоре. Горизонтальные перемещения судов, достигающие 5 — 7 метров, и вертикальная качка бывают настолько резкими и сильными, что нередко суда срываются с якорей, рвутся швартовные канаты, вырываются причальные тумбы, перегрузочные работы при этом прекращаются, возникает опасность аварий. Даже при очень малых ускорениях в движении судов возникают ударные силы, способные повредить их обшивку. Например, осенью 1965 года в порту Неаполь (Италия) наблюдалось интенсивное «таскание» судов, при этом одно судно получило пробоину и затонуло у причала. Такой же случай произошел в порту Кейптаун (ЮАР), где судно водоизмещением 14,2 тысячи тонн получило серьезные повреждения правого борта и было поставлено на ремонт в док. Еще в 1895 году известный швейцарский физик Ф. Форель опубликовал результаты исследования колебаний Женевского озера. Ему удалось с помощью специально сконструированного мареографа записать колебания уровня с широким диапазоном периодов. Проанализировав эти записи, исследователь смог выявить самостоятельно существующие затухающие колебания уровня воды, причем в этих колебаниях нетпоступательного движения формы волны, а только перемещения поверхности уровня: поднятия и опускания. Форель сохранил за этими явлениями известный сXVII века в Швейцарии термин «сейши». Колебания уровня воды во время сейш отличаются важной особенностью: относительно некоторой узловой линии, в которой колебаний воды нет, движение частиц по каждой из сторон этой линии происходит в одной фазе, но в противоположных направлениях. Точки или линии, вдоль которых наблюдаются наибольшие колебания уровня, называются пучностями. Форелем было впервые научно установлено, что взаимное расположение узлов и пучностей в каждом водном бассейне не меняется. Однако характер движения частиц воды на отдельных участках сейш различен: в узлах частицы перемещаются в горизонтальном направлении, в пучностях — в вертикальном. Направление перемещения изменяется на противоположное с периодичностью, равной периоду сейши. Наглядное представление о
природе сейш может дать обыкновенная тарелка с водой. Если тарелку слегка наклонить и резко вернуть в первоначальное горизонтальное положение, то вода в ней будет совершать колебательные движения. Рис. 9. Одноузловая (а) и двухузловая (б) сейши Сейши могут быть различными. Самый простой вид их характеризуется тем, что уровень воды поднимается у одного края бассейна и опускается у другого. В середине бассейна образуется узловая линия, в которой все частицы воды движутся горизонтально (рис. 9,а). Сейши этого вида называются одноузловыми. Придвухузловых сейшах колебательное движение воды характеризуется тем, что в то время, как в середине водоема ее уровень повышается, у краев он опускается, и наоборот (рис. 9,6). Сейши бывают также трех-, четырехузловые и т. д. Известно о существовании шестнадцатиузловой сейши. Основными элементами сейши, как и любой стоячей волны, являются период, амплитуда, высота и длина. Период — время, в течение которого масса воды совершает полное колебание. Амплитуда — наибольшее отклонение уровня воды от положения в состоянии покоя. Высота — разность между высшей и низшейотметками. Длина волны — расстояние между двумя соседними пучностями. В реальных морских водоемах сейши имеют самые различные значения периода и амплитуды. Так, амплитуда морских сейш в порту Нагасаки (Япония) достигает 60 сантиметров, период составляет от нескольких минут до нескольких часов. Известны стоячие волны в проливе Эврика (Греция). Здесь течение меняет направление до 20 раз в сутки. В Алжирской бухте сейши достигают амплитуды 1 метр при периоде 1 — 3 минуты. Стоячие волны наблюдаются и в более обширных частях морей. Так, колебания уровня у острова Мальта обусловлены, по-видимому, многоузловыми сейшами между островом Сицилия и Африкой. На южном берегу Сицилии в районе Сиракуз часто наблюдаются колебания уровня, амплитуда которых достигает 1 метра, при этом со дна поднимаются частицы ила, придающие воде красноватый оттенок. И на морях Советского Союза из-за сложности очертаний берегов и рельефа дна сейши отличаются большой изменчивостью. На Каспийском море в районах Баку и Махачкалы отмечены сейши высотой примерно 70 сантиметров с периодом 3 — 4 часа. В открытой части Балтики наблюдаются сейши высотой 7 — 8 сантиметров спериодом приблизительно 20 минут. На Азовском море отмечены сейши с периодами 6 — 7 и 23 часа. Наибольшая высота сейши зарегистрирована в порту Ейск — примерно 80 сантиметров. На Черном море в зависимости от местных условий отмечены сейши с периодами от 10 минут до 2 часов. Интересной особенностью сейш является их возникновение и существование даже под сплошным ледовым покровом. Таким образом, можно сказать, что свободные колебания водной массы — сейши — являются обычным состоянием любого водоема, и если они не всегда заметны, то лишь вследствие преобладания малой амплитуды колебаний. Для образования сейш необходимы какие-либо внешние воздействия. В большинстве случаев вначале они создают беспорядочные возмущения, которые впоследствии трансформируются в правильные стоячие волны. Так, если по какой-либо причине происходит накопление воды в одной части водоема, то после исчезновения этой причины возникает колебательный процесс. Основной причиной, порождающей сейши, является ветер. Действуя над водоемом в течение длительного времени, он нагоняет массы воды у одного берега. После прекращения ветра вода под действием разности уровней стремится к положению равновесия, вызывая колебательные движения в водоеме. Например, ветровой эффект является главной причиной сейш в Азовском море. Изменения атмосферного давления также часто вызывают колебания уровня воды в водоеме. По закону «обратного барометра» понижение давления на 1 миллибар вызывает повышение уровня на 1 сантиметр. При выходе барического образования с морской акватории на сушу вода, оказавшись без внешнего воздействия, приходит в колебательное движение. Известен случай, когда при резком изменении давления на 8 миллиметров уровень воды в Севастопольской бухте стал колебаться с начальной амплитудой 58 сантиметров и периодом 50 — 60 минут. В качестве вероятных причин возникновения сейш можно назвать шквалы, резкие порывы ветра, атмосферные фронты, то есть воздушные волны. Наконец, причиной образования сейш могут быть землетрясения, а также вызываемые ими цунами. Так, Лиссабонское землетрясение 1775 года сопровождалось сейшами в рядешвейцарских озер. В бухте Паго-Паго (острова Самоа) после прохождения там 22 мая 1960 года цунами образовались сейши высотой 180 сантиметров с периодом 20 минут. Через некоторое время после возникновения сейш их амплитуда уменьшается и колебания затухают. Время затухания определяется силой трения воды о дно и сильно зависит от глубины водоема и конфигурации берегов, тем не менее сейши продолжаются длительное время. Так, известный советский океанолог Л. С. Берг наблюдал на Аральском море сейшу, продолжавшуюся 22 суток.
Конфигурация сейши, число узлов, расстояние между ними зависят от средней глубины бассейна, рельефа дна, наличия бухт и проливов. Чем больше глубина моря, тем на большем расстоянии один от другого располагаются узлы сейши. В замкнутом бассейне узлы располагаются в центре. Если бассейн соединен с морем длинным проливом, то узлы располагаются на его концах. Если же пролив короткий, то узел, как правило, один и расположен в середине пролива. Узловая линия сейши в открытом заливе располагается на выходе из него. В заливах с широким выходом в океан характер сейш меняется. Здесь обычно наблюдаются одноузловые сейши, период их возрастает, а высота и амплитуда уменьшаются. В связи с тем что сейша представляет собой маятниковое колебание, энергия, которую нужно затратить, чтобы привести в действие ее механизм, очень незначительна. Ее запасы всегда существуют в природе, поэтому и вероятность образования сейш очень велика. При образовании сейш с аномально большой амплитудой основную роль играет явление резонанса. Период (в секундах) собственных колебаний воды в бассейне определяется по известной формуле Мериана Т-= = 2L:(nVgH) где L — длина бассейна в метрах; п — число узлов; Н — глубина в метрах; g — ускорение свободного падения в метрах на секунду в квадрате. Если период действия вынуждающей силы совпадает с циклом собственных колебаний воды в водоеме, то возникают аномально высокие сейши. Так, циклон или атмосферный фронт, продвигаясь над водной поверхностью со скоростью, близкой к значению VgH,формирует высокие нагоны воды у берегов, переходящие затем в сейши с большой амплитудой колебаний уровня. Сейши по большей части, хотя и не несут в себе какой-либо угрозы имуществу и безопасности населения приморских районов, представляют некоторую опасность для мореплавания. Во-первых, узлы сейш располагаются у выхода из заливов и портов. В этих узлах происходят горизонтальные перемещения воды, которые при больших периодах сейш (T>0,5 часа) способствуют возникновению в этих местах довольно сильных, быстро изменяющих свое направление течений, которые отрицательно влияют на управляемость судов, входящих в порт или выходящих из него. Во-вторых, низкочастотные колебания воды в гаванях вызывают внезапные подвижки судов, стоящих у причала или на якорях. Явление, с которым связаны такие внезапные перемещения судов в защищенных бухтах, получило название ягуна. Это природное явление наблюдается почти на всем Тихоокеанском побережье Северной и Южной Америки: в чилийских портах, портах полуострова Калифорния. Особенно большой силы оно достигает около атолла Мидуэй, Японских островов и у восточных берегов Новой Зеландии. Интенсивный тягун существует и на побережье Атлантического океана, а также окружающих его морей: в портах Касабланка, Дакар, Кейптаун, Гавр, Алжир, Тулон, Неаполь и др. На Черноморском побережье Кавказа тягун наблюдается в портах Батуми, Туапсе, Поти, Сочи и др. В бассейне Индийского океана явление тягуна наблюдается в портах Мадрас, Бомбей, Таматаве (остров Мадагаскар), а также у западных берегов Австралии. Таким образом, действию тягуна подвержены берега всех материков, кроме Антарктиды, и бухты внутренних и окраинных морей. Характерно, что большинство районов, подверженных воздействию тягуна максимальной интенсивности, расположены на западных берегах материков и морей. У южных и восточных берегов это явление возникает редко и его действие обычно оказывается слабым. Это обстоятельство, по-видимому, объясняется тем, что в направлении движения циклонов обычно превалирует восточная составляющая, обусловленная направлением вращения Земли. Тягуны неблагоприятно влияют на условия стоянки судов не только у стенки, но и на внешнем рейде. Так, 4 декабря 1967 года французский танкер «Руссильон», стоявший на якоре на внешнем рейде порта Туапсе, в результате воздействия умеренного тягуна был сорван с якоря и выброшен на берег. Тягуны отрицательно воздействуют на устойчивость портовых сооружений и ритмичность работы портов. Перегрузочные операции во время тягуна прекращаются. Простой судов приносит ощутимые убытки морскому флоту. Например, в Батумском порту в отдельные годы из-за тягуна суда простаивают до 28 суток. Бывают случаи, когда тягун уничтожает портовые сооружения. Так, в январе 1968 года в результате сильного тягуна в порту Туапсе были завалены два огромных бетонных массива мола, образовался пролом в парапете волнолома, одновременно были разрушены три причала. Проведенные океанологами исследования показали, что причиной тягуна является совпадение (резонанс) периода собственных колебаний воды в акватории порта с периодами вынуждающей силы, как правило, сейши на входе в порт. Поскольку для образования тягуна нужно, чтобы период действия силы совпадал с периодом собственных колебаний небольшой (относительно всего моря) акватории порта, сейши, сопровождаемые тягуном, имеют малые период и высоту (до 30 сантиметров). В результате развития и затухания ветровых волн возникает долгопериодная зыбь с периодами, измеряемыми минутами. Эта зыбь возникает вместе с обыкновенной зыбью короткого периода, а поскольку скорость ее перемещения значительно больше скорости средних волн зыби, она приходит от источника волнения раньше и носит название «предвестник зыби». При подходе к порту долгопериодная зыбь начинает играть роль внешней силы, вызывающей колебания уровня акватории. Как внешняя сила могут выступать и внутренние волны, которые образуются под действием штормов в открытом море. Приходя на мелководье, такие волны выходят на поверхность и проникают в
портовую акваторию. И если период внешней силы, действующей на воду в бассейне, близок к периоду собственных колебаний воды портовой акватории, то в последней возникают сейшевые колебания. Они быстро нарастают и достигают максимально возможного значения. После прекращения действия внешней силы колебания, подобно маятниковым, постепенно затухают. Во время тягуна вода в бассейне колеблется так, как показано на рис. 9. В зависимости от того, в какой точке находится судно, оно испытывает в большей мере или горизонтальные перемещения, или вертикальную качку. При этом размах колебательных движений различных судов сильно различается. Применительно к одному судну он во многом зависит от способа швартовки. Объясняется это достаточно просто. Различная инерция судов разных размеров с неодинаковой загрузкой и различной осадкой может быть причиной их неодинаковой реакции на явление, длящееся несколько минут. Наибольшие колебания судов и вызванные этим обрывы швартовных канатов и якорных цепей наблюдаются тогда, когда период собственных колебаний судна совпадает с периодом вынуждающей силы — сейш в гавани. Но при этом рядом может находиться судно, практически не испытывающее воздействия тягуна. Это судно отличается от первого размерами, массой, периодом качки и периодом собственных колебаний. Учеными проведено экспериментальное изучение колебаний пришвартованных судов. В лабораторных условиях измеряли смещения судов и усилия, возникающие при этом в швартовных концах. Оказалось, что силы, действующие при тягуне на судно, увеличиваются с ростом высот длиннопериодных волн, слабины швартовки, водоизмещения судна, а также угла подхода волн. Наибольшие усилия возникают в том случае, если волны подходят под прямым углом к диаметральной плоскости судна. Исследования тягуна на моделях подтвердили его резонансную природу. Так, при исследовании на гидравлической модели Батумского порта возникали устойчивые сейши, как только период вынуждающих колебаний (длиннопериодной зыби) становился близким периоду одно-или двухузловой сейши модели порта. Во всех других случаях наблюдались только исходные или отраженные волны. Однако были случаи, когда при воздействии длиннопериодной зыби устойчивых сейш в порту не возникало, в то время как наблюдения показали, что пришвартованные суда совершают значительные колебания. Ученые полагают, что в таком случае тягун вызывается воздействием волны с периодом примерно 1 минута (совпадающим с периодом собственных колебаний судов), хотя период этих волн не совпадает с собственным периодом колебаний воды портовой акватории и сейш здесь они не вызывают. Итак, тягун — весьма сложное явление, возникающее при совместном резонансе двух взаимосвязанных систем: колебаний сейши в море и собственных колебаний воды в бухте, собственных колебаний воды в акватории и собственных колебаний судна. Первая резонансная система-чисто природное явление, хотя человек может существенным образом варьировать ее характеристики, меняя конфигурацию и глубину порта, расположение входных молов, глубины в подходных каналах. Изучением возникновения и затухания сейш в портовых акваториях занимаются прогностические органы Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды. Исследования колебаний уровня воды в бухтах и гаванях позволили выявить факторы возникновения этих колебаний и признаки появления сейш, разработать методы прогноза. Однако прогноз тягуна зависит от знания второй резонансной системы: портовая акватория — судно. И здесь мореведы пока бессильны, поскольку второе звено этой системы столь же многообразно, сколь разнообразны типы судов. Кроме того, большую роль играет загрузка судов. Если судно находится в порту, подверженном действию тягуна, капитан должен знать особенности тягуна в нем, период колебаний воды в акватории, правила и обычаи порта, связанные с действиями портовых властей и капитанов судов в случае возникновения тягуна. Кроме того, судоводитель должен хорошо знать маневренные качества своего судна, период его собственных колебаний, уметь прогнозировать его реакцию на тягун, наконец, привести судно в готовность для выхода в море. Тщательный учет судоводителем всех факторов позволит уменьшить вероятность возникновения аварийных ситуаций.
|
