Дэвид Росс - Энергия волн

Главной целью работ в это время являлось оказание помощи руководителю профессору Дербишайеру в создании метода прогноза высоты волн. Если известна сила ветра, длина и время разгона, то можно вычислить высоту волны. Но чтобы разработать метод, предварительно требовались данные о волнении.

Лишь только ИОН осознал ценность своих первых синхронных записей волнения, он обратился в Тринити-Хаус и в 1959 г. получил разрешение снять приборы, находящиеся в Ирландском море, и установить их на маяке «Смит Нолл» в Северном море. Был получен новый ряд волнограмм. Затем собраны данные маяков Бристольского канала Лендс-Энд[12] и еще одиннадцати станций, иные из которых работают и сегодня.

В одном месте сбор информации встретил неожиданные трудности. В глубоком море со стороны Шотландии нет плавучих маяков, ибо, как сообщил м-р Дрэйпер, «там маяки расположены на этих уютных маленьких островках». Однако он случайно наткнулся на отчет норвежского спасательного судна. Оно вело наблюдения, и англичанам в свое время предлагалось участвовать в них, но после отказа все как-то забыли о его существовании. М-р Дрэйпер написал в Норвегию и рассказал о своих целях. Ему удалось убедить норвежцев, что данные будут полезны всем. К счастью, норвежцы проявили меньшую узость во взглядах, чем англичане; прибор был установлен на судне в 1969 г. и оказался важным источником информации, внесшим свой вклад в безопасность платформ, поставленных впоследствии в норвежско-британском секторе моря.

Позднее стал завоевывать популярность другой самописец волнения. Это было датское изобретение, названное Вэйврайдер-буем, — яркий желто-оранжевый шар, 80 см в диаметре, на эластичном тросе, заякоренный на дне. Сейчас работают уже дюжины таких буев[13], один — в море у Бенбекулы. Для передачи информации используется радиосвязь, и единственный недостаток буя — уязвимость со стороны курсирующих судов или любопытных моряков. Антенна привлекает вороватых джентльменов.

Сбор данных начался по счастливой случайности, но оказался своевременным. Открытие нефти в Северном море уже висело в воздухе и нефтяные компании отчаянно нуждались в информации. Она была предоставлена в их распоряжение, но, стоит заметить, благодарность компаний не облеклась в принятые формы. Некоторые компании хотели получить данные о волнении бесплатно, и это заставляло самых осведомленных исследователей, не имевших финансовой поддержки, прикидываться, будто они опасаются, что утечка информации может пригодиться конкурентам, и волнограммы являются коммерческим секретом. Они оказались владельцами информации, получение которой субсидировало лишь правительство в те дни, когда практическая ценность информации была неочевидна. Но бизнес есть бизнес, даже если в его обеспечение вложены общественные средства.

Высотой волн характеризуется их энергия. Попросту говоря, энергия существует в двух формах: потенциальной (энергия положения) и кинетической (энергия движения). Известно, что количественно они равны и, следовательно, амплитуда волны является показателем всей энергии. Другой важной характеристикой служит частота волновых колебаний, зависящая, в частности, от разгона ветра — расстояния по прямой линии, на котором действует ветер от берега до данной точки. Зная разгон и скорость ветра, можно вычислить амплитуду волны. Сохранились данные столетней давности о полях ветра над морем. Имея сезонный прогноз скорости ветра, длину его разгона и время действия, можно при минимуме технических знаний воспользоваться номограммой для прогнозирования поля волнения. С аналогичных номограмм можно снять также данные о периоде волны, т.е. о времени между появлением двух последовательных гребней волны в заданном районе.

Период ветровых волн может изменяться от двух до двадцати секунд. Отсчитывая время между прибытием волн различного периода, можно определить место зарождения волны. Так, например, оказывается возможным иногда утверждать, что волна, достигшая Корнуэлла, зародилась в Антарктике.

Морские волны отличаются от радиоволн, движущихся с неизменной скоростью. Чем больше период волн, тем выше их скорость. Если расстояние от места шторма достаточно велико, то первыми прибывают волны с 20-секундным периодом, которые опережают волны с периодом 19 секунд, а те в свою очередь приходят быстрее волн 18-секундного периода и т.д. Чем большее расстояние прошла волна, тем больше дистанция, отделяющая волны различного периода. Это похоже на два аэроплана, взлетевших одновременно, один из которых имеет скорость 300 км/час, а второй — 600 км/час. Ложась на одинаковый курс, они находятся близко один от другого, но по мере продолжения полета разрыв между ними растет.

Если известны периоды волн и время их прибытия в некоторую точку, то можно определить, откуда они пришли. Возьмем, воспользовавшись номограммами ИОН, ветер скоростью 50 узлов и длиной разбега 100 км. Тогда то, что принято называть характерной высотой волны[14], составляет 6 м. Допустив, что скорость ветра составляет 50 узлов при разгоне 1000 км, получим характерное значение высоты волны — 8 м. Каждому, кто знаком с алгебраическими уравнениями, очевидно, что, зная две из этих величин, можно определить третью. Но решение подобных задач, определяющих некоторые наши перспективы, потребовало длительного времени и незаурядных способностей. Я намеренно упрощаю проблему. Почему, например, штормовые волны столь различны по высоте? Ответ м-ра Дрэйпера содержит некоторые указания на трудности, с которыми сталкивались он и его коллеги и их предшественники, занимавшиеся этим предметом: «Каждая отдельная волна порождена одним и тем же ветром, одновременно действующим над однородной средой, и все же высота их может отличаться в отношении 1:10. Объяснение состоит в том, что существует волна очень недолго; ни одна штормовая волна как идентифицируемое индивидуальное образование не живет более двух минут. Даже 80-футовые чудовища имеют короткий период триумфа, и если можно было бы проследить за их эволюцией, то было бы видно, как они уменьшаются и за пару минут опускаются до уровня остальных, приняв участие в случайной сумятице волн на морской поверхности и никогда не возвращаясь к первоначальным формам. Такое поведение является следствием того, что энергия морских волн распределена по очень широкому спектру волновых компонент, каждая из которых имеет свою амплитуду и период.

Каждая компонента движется со скоростью, определяемой ее периодом, так что более быстрые компоненты (имеющие больший период) постоянно опережают более медленные. Представим на момент простейший случай волновой системы, состоящей из двух компонент с несколько различными скоростями. Когда вершина одной волны настигнет вершину другой, временно возникает волна, превышающая по высоте и ту и другую; аналогично когда вершина одной волны попадает в подошву другой, то поверхность относительно сглаживается, В реальном море не две, а миллионы волновых компонент (бесконечное число, если перейти к их математическому пределу), и каждая движется со своей собственной изначальной скоростью. Если бы когда-нибудь, чисто случайно, очень большое число компонент совместилось в одной пространственно-временной точке и наблюдатель, к несчастью, оказался поблизости, он узрел бы волну огромных размеров[15].

Отсюда можно понять, что задача идентификации волн — действительно задача. В этом одна из причин того, что инженеры и ученые, занимающиеся волновой энергетикой, проявляют осторожность даже сегодня, когда потребность в дополнительных энергетических источниках выше, чем в прошлом. Самые тщательные эксперименты в модельных условиях, на озерах или в бухтах никогда не в состоянии воспроизвести ярость открытого моря.

Все же факт, что викторианские инженеры, не обладавшие познаниями о надежности, умели строить гавани, волноломы и дамбы, которые противостоят морю уже 150 лет и более. Большая волна, которая в январе 1978 г. снесла часть Маргейского пирса, явилась свидетельством не того, что море непобедимо, а — показателем инженерных возможностей в 1800 г.; при этом следует учесть, что тип сооружений, устоявших до нашего времени, может строиться сегодня значительно лучше.

Не следует забывать, что пирс, как и нефтяная платформа, конструируется таким образом, чтобы испытывать возможно меньшее воздействие моря, в то время как генераторы волновой энергии предназначены для противоположной цели. Они будут, следовательно, подвержены большим нагрузкам. Но техника строительства прошла большой путь с тех пор, как возникли гидротехнические сооружения, и в том числе нефтяные платформы Северного моря.

Мы не можем быть уверенными в надежности, генераторов, пока не проверили их в реальных условиях. Вполне может быть, что те из нас, чья осторожность опирается лишь на интуицию, окажутся более правы, чем специалисты, настаивающие на безотлагательных действиях. Действительность рассудит нас.