Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

Поверхностные волны подразделяются на два вида: волны Лява и волны Рэлея, названные по именам ученых, описавших их математически. Волны Лява колеблют земную поверхность горизонтально — из стороны в сторону относительно направления распространения волны. Волны Рэлея, наоборот, перекатываются вверх-вниз; земля при этом перемещается по траектории овала, что роднит волны Рэлея с волнами океаническими.[42]

Сходство волн Рэлея и морских волн было подмечено одним из очевидцев землетрясения 1886 года в городе Чарльстон, штат Южная Каролина:

«Земля пошла волнами — совсем как па море… И волны эти выглядели точь-в-точь как те, что я тысячу раз видел с берега Салливан-Айленда… Казалось, волны идут и с юго-запада, и с северо-запада, пересекая улицу по диагонали и проходя друг через друга; они поднимали меня и опускали — я как будто качался на волнах неспокойного моря».{96}

Величина поверхностных волн, а следовательно, и разрушительная сила землетрясения, зависит не только от амплитуды колебаний, но и от глубины положения их центра. Сильное землетрясение на глубине более 300 км породит лишь незначительные поверхностные волны по сравнению с землетрясением у поверхности земли. Центр ужасающего землетрясения в 7 баллов, произошедшего в январе 2010 года на Гаити и до основания разметавшего Порт-о-Пренс, находился всего в 13 км от поверхности земли. Поэтому его поверхностные волны оказались такими губительными, сравняв город и пригороды с землей. Здания и инфраструктура столицы гаитян, нации довольно бедной, возводились без учета сейсмической активности и не устояли против землетрясения и последовавшей за ним серии многочисленных повторных толчков. В результате за считанные часы погибло около 230 000 человек.

Однако существует в природе такой зверек, которому ударные волны близки и знакомы; взгляните на следующую страницу.

Это рак-щелкун, которого еще называют креветкой. Креветка принадлежит семейству Alpheidae, подтип ракообразные; она обитает среди океанических рифов тропических и умеренных широт. В длину креветка едва достигает 5 см; даже не верится, что такое тщедушное существо может иметь что-то общее с ударными волнами. Однако вспомните: ударные волны характеризует отнюдь не размер, а резко выраженный фронт, высокая скорость распространения и последствия воздействия на среду. Ударные мини-волны не только существуют, но и являются рабочим инструментом этой самой боксирующей креветки. Я говорю «боксирующей», потому что одна клешня у нее заметно больше другой — креветка напоминает потерявшего одну перчатку боксера.

Захлопывая клешню с невероятной скоростью, креветка производит резкий щелкающий звук — так она общается с сородичами. Нырните на глубину и проплывите возле колонии этих креветок — можно подумать, будто вы очутились на подводной фабрике попкорна. Хлопки клешней нескольких креветок могут быть настолько громкими, что во время Второй мировой они даже мешали подводным лодкам отслеживать передвижения вражеских субмарин.

Однако щелкающие звуки составляют не только креветочную «азбуку Морзе» — они выступают в качестве смертоносного оружия. Когда креветка щелкает клешней, возникает струя воды, текущей со скоростью 105 км/ч. Когда дети плещутся в бассейне и под водой резко сжимают кулаки, получаются те же струи, только скорость у них меньше. Креветка с помощью струи оглушает, а иногда даже убивает небольшую рыбу и креветок других видов. Зрелище само по себе впечатляющее. Но удивительнее всего то, что орудием убийства выступает отнюдь не захлопывающаяся со звуком кастаньет клешня, а подводная ударная волна.{97}

И хотя ударная волна имеет малые масштабы, по силе воздействия ее можно сравнить с извержением Кракатау. Струя воды развивает скорость, достаточную для того, чтобы возник кавитационный пузырек. В момент зарождения струи давление падает настолько, что морская вода моментально превращается в пузырек водяного пара. В течение нескольких миллисекунд этот пузырек с силой схлопывается, порождая ударную волну, которая распространяется как участок сильного повышения давления и способна оглушить жертву на расстоянии 4 см.

Водяной пар в схлопнувшемся пузырьке мгновенно переходит обратно в жидкое состояние, нагреваясь до температуры около + 4 700° С. Подумать только, ведь это почти что температура поверхности Солнца! Одновременно происходит вспышка света. Она длится какую-то миллисекунду, и человеческому глазу незаметна, но при съемке 40 000 кадров в минуту видна. И хотя данный феномен — ударная волна давления, порождающая световую вспышку — известен как сонолюминесценция, заснявшие ее в природных условиях исследователи придумали термин «креветколюминесценция».{98}

Чем еще волны так примечательны? Тем, что мы их почти не замечаем.

И пускай в данном утверждении кроется внутреннее противоречие, доля правды в нем присутствует. Мы уделяем значительное внимание информации, которую волны переносят, однако сами волны не замечаем — для нас они всего лишь невидимые бойкие посыльные. Ведь вам совсем не обязательно понимать принцип работы лампочки накаливания, чтобы видеть освещенное пространство вокруг себя. И когда вам признаются в любви, вы не думаете (я на это очень надеюсь) о том, что это признание — не что иное, как последовательность периодических волн давления.

Вот и еще одна особенность ударных волн — мимо них так запросто не пройдешь. О приближении этих безжалостных чудовищ из мира волн оповещает сама среда распространения.

Как мы видим, ударные волны возникают в результате либо взрывов, будь то бомба, вулкан или щелчок клешни креветки, либо как головные ударные волны перед объектами, движущимися в среде со скоростью, обычной для волн в этой среде или выше. Однако существует еще один способ образования ударных волн: они появляются тогда, когда волна определенного типа достигает конца своего жизненного пути.

Вообще-то, такая ударная волна нам хорошо знакома. Закройте глаза и представьте себе волну — наверняка это она и будет.

Ну как, догадались, о чем я?

Это наш старый добрый знакомец — бурун. Вы, конечно же, помните: дойдя до прибрежного мелководья, морская волна, что называется, собирается гармошкой — замедляет бег, а склоны волны все набирают крутизну, пока гребень не перевешивает. И вот когда верхушка волны обрушивается вниз, волна превращается в ударную.

И то правда: буруны ведь обладают всеми характеристиками ударных волн. У них резко выраженный фронт — передний склон, который опрокидывается, расплескивается, накатывает, всегда круче пологого заднего. Они распространяются быстрее обычных волн, по крайней мере, это справедливо для бурунов внушительного вида, которые стремительно сменяют друг друга, разлетаясь брызгами. Когда буруны оборачиваются пенистыми потоками, они становятся неуправляемыми: Законы волны — отражение, рефракция и дифракция — уже не для них. К тому же большая часть энергии перемещающейся воды рассеивается — передается окружающему пространству в виде тепла и звука, а не продолжает свое существование в виде океанической волны.

Как и все ударные волны, буруны таят в себе угрозу, обладая разрушительной мощью. Любой серфингист знает, как опасно запрыгивать на огромный бурун; перед теми же, кто в достаточной мере ловок и везуч, ударные волны раскрываются во всей своей красе. Я мог бы наблюдать за этими волнами часы напролет. Мгновение, когда обычная волна оборачивается ударной, поистине волшебно.

Только что волны катили стройными рядами, как вдруг тишь да гладь сменяется хаосом: воздух перемешивается с водой, вода — с воздухом. Где еще можно любоваться таким изящным превращением порядка в полный беспорядок? Причем повторяющимся вновь и вновь. Конечно, это волшебное превращение вернее будет назвать переходом от линейной волны к нелинейной, но, право, это было бы несправедливо.

Разбиваясь о берег, волна умирает — точнее, подходит к концу та часть ее жизни, которую она провела в водной среде. Хотя энергия волны не исчезает — она преобразуется. Окончательно волна передает ее воздуху и берегу уже будучи ударной волной.