Сейша ( / s eɪ ʃ / SAYSH ) — стоячая волна в замкнутом или частично замкнутом водоеме . Сейши и явления, связанные с сейшами, наблюдались на озерах , водохранилищах , бассейнах , заливах , гаванях , пещерах и морях . Ключевым требованием для образования сейши является то, чтобы водоем был хотя бы частично ограничен, что позволяет образовываться стоячей волне.
Термин был предложен швейцарским гидрологом Франсуа-Альфонсом Форелем в 1890 году, который первым провел научные наблюдения за эффектом в Женевском озере . [1] Это слово, по-видимому, долгое время использовалось в этом регионе для описания колебаний в альпийских озерах. Согласно Уилсону (1972), [2] [3] это слово из швейцарского французского диалекта происходит от латинского слова siccus, означающего «сухой», т. е. по мере отступления воды 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 , имеющими периоды, превышающие периоды сопутствующих ветровых волн. [4]
Сейши часто незаметны невооруженным глазом, а 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 эффектами (колебаниями ветра и атмосферного давления), сейсмической активностью или цунами . [5] Гравитация всегда стремится восстановить горизонтальную поверхность водоема в жидком состоянии, поскольку это представляет собой конфигурацию, в которой вода находится в гидростатическом равновесии .
В результате возникает вертикальное гармоническое движение, создающее импульс, который проходит по длине бассейна со скоростью, зависящей от глубины воды. Импульс отражается от конца бассейна, создавая интерференцию. Повторные отражения создают стоячие волны с одним или несколькими узлами или точками, которые не испытывают вертикального движения. Частота колебаний определяется размером бассейна, его глубиной и контурами, а также температурой воды.
Самый длинный естественный период сейши — это период, связанный с фундаментальным резонансом для водоема, соответствующий самой длинной стоячей волне. Для поверхностной сейши в замкнутом прямоугольном водоеме это можно оценить с помощью формулы Мериана: [6] [7]
где T — самый длинный естественный период, L и h — длина и средняя глубина водоема, а g — ускорение силы тяжести . [8]
Также наблюдаются гармоники более высокого порядка. Период второй гармоники будет составлять половину собственного периода, период третьей гармоники будет составлять треть собственного периода и т. д.
Сейши наблюдались как на озерах, так и на морях. Ключевое требование заключается в том, чтобы водоем был частично ограничен, чтобы позволить образование стоячих волн. Регулярность геометрии не требуется; даже гавани с чрезвычайно нерегулярными формами регулярно наблюдаются для колебаний с очень стабильными частотами.
Низкие ритмичные сейши почти всегда присутствуют на крупных озерах. Они обычно незаметны среди обычных волновых моделей, за исключением периодов необычного затишья. Гавани , заливы и эстуарии часто подвержены небольшим сейшам с амплитудой в несколько сантиметров и периодами в несколько минут.
Первоначальные исследования Женевского озера, проведенные Франсуа-Альфонсом Форелем, показали, что продольный период имеет цикл в 73 минуты, а поперечный сейш имеет период около 10 минут. [9] Другое озеро, известное своими регулярными сейшами, — новозеландское озеро Вакатипу , которое изменяет высоту поверхности в Квинстауне на 20 сантиметров за 27-минутный цикл. Сейши также могут образовываться в полузамкнутых морях; в Северном море часто случаются продольные сейши с периодом около 36 часов.
Национальная метеорологическая служба выпускает предупреждения о низком уровне воды для частей Великих озер, когда вероятны сейши высотой 2 фута и более. [10] Озеро Эри особенно подвержено сейшам, вызванным ветром, из-за своей мелководности и вытянутости по оси северо-восток-юго-запад, что часто совпадает с направлением преобладающих ветров и, следовательно, максимизирует разгон этих ветров. Это может привести к экстремальным сейшам до 5 метров (16 футов) между концами озера.
Эффект похож на штормовой нагон , который вызывают ураганы вдоль океанских побережий, но эффект сейши может вызывать колебания вперед и назад по всему озеру в течение некоторого времени. В 1954 году остатки урагана Хейзел накопили воду вдоль северо-западной береговой линии озера Онтарио около Торонто , вызвав обширное наводнение, и создали сейшу, которая впоследствии вызвала наводнение вдоль южного берега.
Озерные сейши могут происходить очень быстро: 13 июля 1995 года большой сейш на озере Верхнее вызвал падение уровня воды, а затем его повторный подъем на три фута (один метр) в течение пятнадцати минут, в результате чего некоторые лодки остались висеть на швартовах в доках, когда вода отступила. [11] Та же штормовая система, которая вызвала сейш 1995 года на озере Верхнее, произвела аналогичный эффект в озере Гурон , в котором уровень воды в Порт-Гуроне изменился на 6 футов (1,8 м) за два часа. [12] 26 июня 1954 года на озере Мичиган в Чикаго восемь рыбаков были смыты с пирсов на пляжах Монтроуз и Норт-Авеню и утонули, когда 10-футовый (3,0 м) сейш обрушился на набережную Чикаго . [13]
Озера в сейсмически активных районах, такие как озеро Тахо в Калифорнии / Неваде , значительно подвержены риску сейш. Геологические данные указывают на то, что берега озера Тахо могли быть поражены сейшами и цунами высотой до 10 метров (33 фута) в доисторические времена, и местные исследователи призвали учитывать этот риск в планах действий в чрезвычайных ситуациях для региона. [14]
Сейши, вызванные землетрясениями, можно наблюдать за тысячи миль от эпицентра землетрясения. Бассейны особенно подвержены сейшам, вызванным землетрясениями, поскольку толчки грунта часто совпадают с резонансными частотами небольших водоемов. Землетрясение в Нортридже 1994 года в Калифорнии привело к переполнению бассейнов по всей южной Калифорнии. Мощное землетрясение в Страстную пятницу , произошедшее на Аляске в 1964 году, вызвало сейши в бассейнах даже в Пуэрто-Рико . [15] Землетрясение , произошедшее в Лиссабоне, Португалия, в 1755 году, также вызвало сейши на 1300 миль (2100 км) севернее в озерах Лох-Ломонд, Лох-Лонг, Лох-Катрин и Лох-Несс в Шотландии , [16] и в каналах в Швеции . Землетрясение в Индийском океане 2004 года вызвало сейши в стоячих водоемах во многих индийских штатах, а также в Бангладеш , Непале и северном Таиланде . [17] Сейши снова наблюдались в Уттар-Прадеше , Тамил Наду и Западной Бенгалии в Индии , а также во многих местах в Бангладеш во время землетрясения в Кашмире в 2005 году . [18]
Известно, что Ассамско-Тибетское землетрясение 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 , Центральная Бенгалия 1842 года, Кангра 1905 года, Дхубри 1930 года, Непал-Бихар 1934 года, Бхудж 2001 года, Ниас 2005 года, остров Тереза 2005 года. Чилийское землетрясение 27 февраля 2010 года вызвало сейшу на озере Пончартрейн , штат Луизиана , высотой около 0,5 фута. Землетрясение в Нижней Калифорнии 2010 года вызвало большие сейши, 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 . Это приводит к затоплению Венеции и Санкт-Петербурга соответственно, поскольку оба города построены на бывших болотах. В Санкт-Петербурге наводнения, вызванные сейшами, обычны вдоль реки Невы осенью. Сейша вызывается областью низкого давления в Северной Атлантике , движущейся к берегу, что приводит к циклоническим депрессиям на Балтийском море . Низкое давление циклона втягивает большее, чем обычно, количество воды в фактически замкнутую Балтику. По мере того, как циклон продолжает движение вглубь страны, в Балтике устанавливаются длинные, низкочастотные волны сейши с длиной волны до нескольких сотен километров. Когда волны достигают узкой и мелководной Невской губы, они становятся намного выше — в конечном итоге затапливая набережные Невы. [22] Аналогичные явления наблюдаются в Венеции, что привело к проекту MOSE , системе из 79 мобильных барьеров, предназначенных для защиты трех 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 зафиксировано смещение уровня воды на 2,78 метра (9,1 фута); максимальное смещение во всем заливе, как полагают, достигло 4,70 метра (15,4 фута). Сейши в Западном Кюсю , включая залив Нагасаки, часто вызываются низким атмосферным давлением, проходящим к югу от острова Кюсю. [23] Сейши в заливе Нагасаки имеют период около 30-40 минут. Местами сейши вызывали наводнения, разрушали портовые сооружения и наносили ущерб рыболовству: отсюда и местное слово для сейши, あびき( abiki ) , от 網引き( amibiki ) , 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 волновыми фронтами. Естественный резонансный период залива Хило составляет около тридцати минут. Это означало, что каждая вторая волна была в фазе с заливом, создавая сейшу. В результате Хило понесло больший ущерб, чем любое другое место на Гавайях, причем объединенные цунами и сейша достигли высоты 26 футов (7,9 м) вдоль залива, убив 96 человек только в городе. Волны сейши могут продолжаться в течение нескольких дней после цунами.
Внутренние одиночные волны ( солитоны ), генерируемые приливами , 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 залив Фанди в восточной Канаде, где сейши вызывают одни из самых высоких зарегистрированных приливных колебаний в мире. [30] Существует динамический механизм для возникновения прибрежных сейш глубоководными внутренними волнами. Эти волны могут создавать достаточное течение на разрыве шельфа, чтобы возбудить прибрежные сейши. [31]
В сентябре 2023 года огромный оползень, возникший в результате таяния ледника около фьорда Диксон в Гренландии, спровоцировал мегацунами высотой около 200 метров (660 футов). [32] [33] [34] За этим последовал сейш с волнами высотой до 7 метров (23 фута), колеблющимися внутри фьорда. [35] Этот сейш длился девять дней, что отражает большой размер лавины и длинную узкую форму фьорда. В течение этого периода он генерировал необычные сейсмические реверберации, обнаруженные по всему миру, что озадачило сейсмологов на некоторое время, прежде чем они смогли определить их источник. [32] [35] [36]
Сейши также наблюдаются под поверхностью стесненных водоемов, действуя вдоль термоклина . [ 37]
По аналогии с формулой Мериана ожидаемый период внутренней волны можно выразить как: [38]
где T — естественный период , L — длина водоема, средняя толщина двух слоев, разделенных стратификацией (например, эпилимнион и гиполимнион ), плотность этих двух слоев и g — ускорение силы тяжести .
Когда термоклин движется вверх и вниз по наклонному дну озера, он создает «зону перекачки», где температуры могут быстро меняться, [39] потенциально влияя на среду обитания рыб. Когда термоклин поднимается вверх по наклонному дну озера, он также может вызывать бентосную турбулентность путем конвективного опрокидывания, тогда как падающий термоклин испытывает большую стратификацию и низкую турбулентность на дне озера. [40] [41] Внутренние волны также могут вырождаться в нелинейные внутренние волны на наклонных днах озера. [42] Когда такие нелинейные волны разбиваются о дно озера, они могут быть важным источником турбулентности и иметь потенциал для повторного взмучивания осадка [43]
19 сентября 2022 года сейш, достигший 4 футов (1,2 метра), произошел в Дьявольской дыре в Национальном парке Долина Смерти в США после землетрясения магнитудой 7,6, произошедшего на западе Мексики , примерно в 1500 милях (2400 километрах) отсюда. Сейши также наблюдались в пещере после мощных землетрясений в 2012, 2018 и 2019 годах. [44]
Инженеры учитывают явления сейши при проектировании противопаводковых сооружений (например, плотины Санкт-Петербурга ), водохранилищ и плотин (например, плотины Гранд-Кули ), резервуаров для хранения питьевой воды, гаваней и даже резервуаров для хранения отработанного ядерного топлива. Сооружения и системы пляж-дюна особенно уязвимы к повреждениям от высоких уровней воды. Водно-болотные угодья могут серьезно пострадать даже от небольших колебаний уровня воды, и поэтому исторические и прогнозируемые колебания уровня воды являются важнейшими данными для любого прибрежного проектирования. Информация о сейшах, а также о штормовых нагонах и приливных колебаниях имеет важное значение. [45]
Период сейши зависит от размера и глубины бассейна , в котором она происходит. Если входящий волновой поезд имеет период , аналогичный собственной частоте гавани, каждая волна будет усиливать интенсивность сейши, что приведет к более бурным водам в гавани по сравнению с окружающим морем, что может создать проблемы для судоходства. Например, уровни высокой воды в Венеции являются результатом комбинации штормового нагона, барометрического нагона и сейш. [45] [46]
Общий
Связь с водными «монстрами»