Сейша ( / s eɪ ʃ / SAYSH ) — стоячая волна в закрытом или частично закрытом водоеме . Сейши и связанные с сейшами явления наблюдались на озерах , водохранилищах , плавательных бассейнах , заливах , гаванях , пещерах и морях . Ключевым требованием для формирования сейши является то, чтобы водоем был хотя бы частично ограничен, что позволяло образовывать стоячую волну.
Этот термин был предложен швейцарским гидрологом Франсуа-Альфонсом Форелем в 1890 году, который первым провел научные наблюдения за этим эффектом в Женевском озере . [1] Это слово, по-видимому, уже давно использовалось в этом регионе для описания колебаний в альпийских озерах. По словам Уилсона (1972), [2] [3] это слово на швейцарско-французском диалекте происходит от латинского слова siccus , означающего «сухой», т. е. по мере того, как вода отступает, пляж высыхает. Французское слово sec или sèche (сухой) происходит от латинского.
Сейши в гаванях могут быть вызваны длиннопериодными или инфрагравитационными волнами , которые возникают из-за субгармонического нелинейного взаимодействия волн с ветровыми волнами , периоды которых превышают периоды сопутствующих ветровых волн. [4]
Сейши часто незаметны невооруженным глазом, и наблюдатели в лодках на поверхности могут не заметить, что происходит сейша, из-за чрезвычайно длительных периодов.
Эффект вызван резонансами в водоеме, нарушенном одним или несколькими факторами, чаще всего метеорологическими воздействиями (изменения ветра и атмосферного давления), сейсмической активностью или цунами . [5] Гравитация всегда стремится восстановить горизонтальную поверхность тела с жидкой водой, поскольку это представляет собой конфигурацию, в которой вода находится в гидростатическом равновесии .
В результате возникает вертикальное гармоническое движение, создающее импульс, который перемещается по длине бассейна со скоростью, зависящей от глубины воды. Импульс отражается обратно от конца бассейна, создавая помехи. Повторяющиеся отражения создают стоячие волны с одним или несколькими узлами или точками, которые не испытывают вертикального движения. Частота колебаний определяется размером бассейна, его глубиной и очертаниями, а также температурой воды.
Самый длинный естественный период сейши — это период, связанный с фундаментальным резонансом водоема, соответствующий самой длинной стоячей волне. Для поверхностной сейши в замкнутом прямоугольном водоеме это можно оценить по формуле Мериана: [6] [7]
где T — самый длинный естественный период, L и h — длина и средняя глубина водоема, а g — ускорение свободного падения . [8]
Также наблюдаются гармоники более высокого порядка. Период второй гармоники будет равен половине собственного периода, период третьей гармоники — трети естественного периода и т.д.
Сейши наблюдались как на озерах, так и на морях. Ключевое требование состоит в том, чтобы водоем был частично ограничен, чтобы обеспечить образование стоячих волн. Правильность геометрии не требуется; даже гавани чрезвычайно неправильной формы обычно колеблются с очень стабильными частотами.
На более крупных озерах почти всегда присутствуют невысокие ритмичные сейши. Они обычно незаметны среди обычных волновых моделей, за исключением периодов необычного затишья. Гавани , заливы и устья часто подвержены небольшим сейшам с амплитудой в несколько сантиметров и периодом в несколько минут.
Первоначальные исследования Франсуа-Альфонса Фореля на Женевском озере показали , что продольный период имеет 73-минутный цикл, а поперечная сейша - около 10 минут. [9] Еще одно озеро, хорошо известное своими регулярными сейшами, — новозеландское озеро Вакатипу , высота поверхности которого в Квинстауне меняется на 20 сантиметров за 27-минутный цикл. Сейши могут образовываться и в полузамкнутых морях; В Северном море часто наблюдаются продольные сейши продолжительностью около 36 часов.
Национальная метеорологическая служба выпускает предупреждения о малом уровне воды для некоторых частей Великих озер, когда вероятны сейши высотой 2 фута и более. [10] Озеро Эри особенно подвержено сейшам, вызванным ветром, из-за его мелководья и вытянутости по оси северо-восток-юго-запад, которая часто совпадает с направлением преобладающих ветров и, следовательно, максимизирует усиление этих ветров. Это может привести к возникновению сильных сейш высотой до 5 метров (16 футов) между краями озера.
Эффект похож на штормовой нагон , подобный тому, который вызывается ураганами вдоль побережья океана, но эффект сейши может в течение некоторого времени вызывать колебания взад и вперед по озеру. В 1954 году остатки урагана «Хейзел» скопили воду вдоль северо-западной береговой линии озера Онтарио недалеко от Торонто , вызвав обширное наводнение, и образовали сейшу, которая впоследствии вызвала наводнение вдоль южного берега.
Сейши на озере могут возникать очень быстро: 13 июля 1995 года из-за большой сейши на озере Верхнее уровень воды упал, а затем снова поднялся на три фута (один метр) в течение пятнадцати минут, в результате чего некоторые лодки свисали с доков на причале. линии, когда вода отступила. [11] Та же штормовая система, которая вызвала сейшу в 1995 году на озере Верхнее, произвела аналогичный эффект на озере Гурон , где уровень воды в Порт-Гуроне изменился на 6 футов (1,8 м) за два часа. [12] На озере Мичиган восемь рыбаков были снесены с пирсов на пляжах Монтроуз и Норт-авеню и утонули, когда 10-футовая (3,0 м) сейша обрушилась на набережную Чикаго 26 июня 1954 года. [13]
Озера в сейсмически активных районах, таких как озеро Тахо в Калифорнии / Неваде , подвергаются значительному риску от сейш. Геологические данные показывают, что в доисторические времена берега озера Тахо могли подвергаться сейшам и цунами высотой до 10 метров (33 фута), и местные исследователи призвали учитывать этот риск в планах действий в чрезвычайных ситуациях для региона. [14]
Сейши, возникшие в результате землетрясения , можно наблюдать за тысячи миль от эпицентра землетрясения. Бассейны особенно подвержены сейшам, вызванным землетрясениями, поскольку колебания грунта часто соответствуют резонансным частотам небольших водоемов. Землетрясение в Нортридже в 1994 году в Калифорнии привело к переполнению бассейнов по всей южной Калифорнии. Мощное землетрясение Страстной пятницы , произошедшее на Аляске в 1964 году, вызвало сейши в плавательных бассейнах даже в Пуэрто-Рико . [15] Землетрясение , которое произошло в Лиссабоне, Португалия, в 1755 году, также вызвало сейши на 1300 миль (2100 км) дальше на север в Лох-Ломонд, Лох-Лонг, Лох-Катрин и Лох-Несс в Шотландии , [16] и в каналах в Швеции . Землетрясение в Индийском океане в 2004 году вызвало сейши в стоячих водоемах во многих индийских штатах, а также в Бангладеш , Непале и северном Таиланде . [17] Сейши снова наблюдались в Уттар-Прадеше , Тамилнаде и Западной Бенгалии в Индии , а также во многих местах в Бангладеш во время землетрясения в Кашмире в 2005 году . [18]
Известно, что землетрясение в Ассам-Тибете 1950 года вызвало сейши даже в Норвегии и южной Англии . Другие землетрясения на Индийском субконтиненте, которые, как известно, вызвали сейши, включают землетрясения Кумаон-Барахат 1803 года, Аллах Бунд 1819 года , Центральную Бенгалию 1842 года, Кангра 1905 года, Дхубри 1930 года, Непал-Бихар 1934 года, Бхудж 2001 года, Ниас 2005 года, землетрясения на острове Тереза 2005 года. Землетрясение в Чили 27 февраля 2010 года вызвало сейшу на озере Пончартрейн , штат Луизиана , высотой около 0,5 фута. Землетрясение в Сьерра-эль-Майор в 2010 году вызвало появление крупных сейшей, которые быстро стали интернет-феноменом. [19]
Сейши высотой не менее 1,8 м (6 футов) наблюдались в Согне-фьорде , Норвегия , во время землетрясения Тохоку в Японии в 2011 году. [20] [21]
Сейши наблюдались в таких морях, как Адриатическое и Балтийское моря . Это приводит к затоплению Венеции и Санкт-Петербурга соответственно, поскольку оба города построены на бывших болотах. В Санкт-Петербурге осенью на Неве часто случаются сейшевые наводнения . Сейша движется по суше из региона низкого давления в Северной Атлантике , вызывая циклонические понижения в Балтийском море . Низкое давление циклона привлекает больше, чем обычно, количество воды в практически не имеющую выхода к морю Балтику. Поскольку циклон продолжается вглубь суши, в Балтийском море устанавливаются длинные низкочастотные сейшовые волны с длиной волны до нескольких сотен километров. Когда волны достигают узкой и мелкой Невской губы, они становятся значительно выше и в конечном итоге затопляют набережные Невы. [22] Подобные явления наблюдаются в Венеции, в результате чего появился проект MOSE — система из 79 мобильных барьеров, предназначенных для защиты трёх входов в Венецианскую лагуну .
В Японии сейши наблюдались в заливе Нагасаки , чаще всего весной. Во время сейши 31 марта 1979 года на приливной станции Нагасаки было зарегистрировано смещение уровня воды на 2,78 метра (9,1 фута); Считается, что максимальное смещение во всем заливе достигло 4,70 метра (15,4 фута). Сейши на западе Кюсю , включая залив Нагасаки, часто возникают из-за низкого атмосферного давления, проходящего к югу от острова Кюсю. [23] Сейши в заливе Нагасаки имеют период от 30 до 40 минут. На местном уровне сейши вызвали наводнения, разрушили портовые сооружения и нанесли ущерб рыболовству: отсюда и местное слово сейша あびき( абики ) от 網引き( амибики ) , что означает «утаскивание рыболовной сети».
Иногда цунами могут вызывать сейши из-за местных географических особенностей. Например, цунами, обрушившееся на Гавайи в 1946 году, имело пятнадцатиминутный интервал между фронтами волн. Естественный резонансный период залива Хило составляет около тридцати минут. Это означало, что каждая вторая волна находилась в фазе с заливом, создавая сейшу. В результате Хило пострадал больше, чем любое другое место на Гавайях: совокупное цунами и сейша достигло высоты 26 футов (7,9 м) вдоль набережной, в результате чего только в городе погибло 96 человек. Волны Сейша могут продолжаться в течение нескольких дней после цунами.
Создаваемые приливами внутренние уединенные волны ( солитоны ) могут возбуждать прибрежные сейши в следующих местах: остров Магейес в Пуэрто-Рико, [24] [25] [26] Пуэрто-Принсеса на острове Палаван, [27] залив Тринкомали в Шри-Ланке, [28] ] [29] и в заливе Фанди на востоке Канады, где сейши вызывают одни из самых высоких зарегистрированных приливных колебаний в мире. [30] Существует динамический механизм образования прибрежных сейш глубоководными внутренними волнами. Эти волны могут генерировать достаточное течение на краю шельфа, чтобы возбудить прибрежные сейши. [31]
Сейши наблюдаются и под поверхностью скованных водоемов, действующих вдоль термоклина . [32]
По аналогии с формулой Мериана ожидаемый период внутренней волны можно выразить как: [33]
где T — естественный период , L — длина водоема, средние толщины двух слоев, разделенных стратификацией ( например, эпилимнион и гиполимнион ), плотности этих двух одинаковых слоев и g ускорение свободного падения .
По мере того, как термоклин движется вверх и вниз по наклонному дну озера, он создает «зону перекоса», где температура может быстро меняться, [34] потенциально влияя на среду обитания рыб. Поскольку термоклин поднимается вверх по наклонному дну озера, он также может вызывать бентосную турбулентность за счет конвективного опрокидывания, тогда как падающий термоклин испытывает большую стратификацию и низкую турбулентность на дне озера. [35] [36] Внутренние волны также могут перерождаться в нелинейные внутренние волны на наклонных днах озер. [37] Когда такие нелинейные волны разбиваются о дно озера, они могут быть важным источником турбулентности и иметь потенциал для ресуспендирования отложений [38]
19 сентября 2022 года сейша высотой 4 фута (1,2 метра) произошла в Дьявол-Хоул в национальном парке Долина Смерти в США после землетрясения магнитудой 7,6, произошедшего на западе Мексики , примерно в 1500 милях (2400 километрах) от нее. Сейши также наблюдались в пещере после мощных землетрясений в 2012, 2018 и 2019 годах. [39]
Инженеры учитывают явление сейш при проектировании сооружений по защите от наводнений (например, плотины Санкт-Петербурга ), водохранилищ и плотин (например, плотины Гранд-Кули ), бассейнов для хранения питьевой воды, гаваней и даже бассейнов для хранения отработанного ядерного топлива.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Общий
Отношение к водным «монстрам»