Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Стоячая волна в замкнутом или частично замкнутом водоеме
Standing wave in an enclosed or partially enclosed body of water
Сейш (/s//eɪ//ʃ/ СЕЙШ) – это 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 условием для формирования сейши является хотя бы частичная замкнутость водоема, позволяющая образованию стоячей волны. Термин был популяризирован швейцарским гидрологом Франсуа Альфонсом Форелем в 1890 году, который впервые провел научные наблюдения этого эффекта в Женевском озере. По-видимому, это слово уже давно использовалось в этом регионе для описания колебаний в альпийских озерах. Согласно Уилсону (1972), это слово швейцарского французского диалекта происходит от латинского слова siccus, означающего "сухой", то есть по мере отступа воды обнажается берег. Французские слова sec или sèche (сухой) происходят от латинского. Сейши в гаванях могут быть вызваны волнами с длинным периодом или инфрагравитационными волнами, которые обусловлены субармоническим нелинейным взаимодействием волн с ветровыми волнами, имеющими периоды, превышающие периоды сопровождающих ветровых волн.
A seiche (/s//eɪ//ʃ/ SAYSH) is a standing wave in an enclosed or partially enclosed body of water. Seiches and seiche related phenomena have been observed on lakes, reservoirs, swimming pools, bays, harbors, caves, and seas. The key requirement for formation of a seiche is that the body of water be at least partially bounded, allowing the formation of the standing wave. The term was promoted by the Swiss hydrologist François Alphonse Forel in 1890, who was the first to make scientific observations of the effect in Lake Geneva. The word had apparently long been used in the region to describe oscillations in alpine lakes. According to Wilson (1972), this Swiss French dialect word comes from the Latin word siccus meaning "dry", i. e., as the water recedes, the beach dries. The French word sec or sèche (dry) descends from the Latin. Seiches in harbours can be caused by long period or infragravity waves, which are due to subharmonic nonlinear wave interaction with the wind waves, having periods longer than the accompanying wind generated waves.
Причины и характер
Сейши часто незаметны невооруженным глазом, и наблюдатели на лодках на поверхности могут не заметить происходящего сейша из-за его чрезвычайно больших периодов. Этот эффект вызван резонансами в водоеме, возмущенном одним или несколькими факторами, чаще всего метеорологическими (изменениями ветра и атмосферного давления), сейсмической активностью или цунами. Гравитация всегда стремится восстановить горизонтальную поверхность жидкой воды, так как именно эта конфигурация соответствует гидростатическому равновесию. В результате возникает вертикальное гармоническое движение, создающее импульс, распространяющийся вдоль бассейна со скоростью, зависящей от глубины воды. Импульс отражается от противоположного конца бассейна, вызывая интерференцию. Многократные отражения формируют стоячие волны с одним или несколькими узлами – точками, в которых вертикальное смещение отсутствует. Частота колебаний определяется размерами бассейна, его глубиной и формой, а также температурой воды. Наибольший естественный период сейша соответствует фундаментальному резонансу для данного водоема, то есть самой длинной стоячей волне. Для поверхностного сейша в замкнутом прямоугольном водоеме его можно оценить по формуле Мериана:
Seiches are often imperceptible to the naked eye, and observers in boats on the surface may not notice that a seiche is occurring due to the extremely long periods. The effect is caused by resonances in a body of water that has been disturbed by one or more factors, most often meteorological effects (wind and atmospheric pressure variations), seismic activity, or tsunamis. Gravity always seeks to restore the horizontal surface of a body of liquid water, as this represents the configuration in which the water is in hydrostatic equilibrium. Vertical harmonic motion results, producing an impulse that travels the length of the basin at a velocity that depends on the depth of the water. The impulse is reflected back from the end of the basin, generating interference. Repeated reflections produce standing waves with one or more nodes, or points, that experience no vertical motion. The frequency of the oscillation is determined by the size of the basin, its depth and contours, and the water temperature. The longest natural period of a seiche is the period associated with the fundamental resonance for the body of water—corresponding to the longest standing wave. For a surface seiche in an enclosed rectangular body of water this can be estimated using Merian's formula:
где T – наибольший естественный период, L и h – длина и средняя глубина водоема, а g – ускорение свободного падения. Также наблюдаются высшие гармоники. Период второй гармоники составляет половину естественного периода, период третьей гармоники – треть естественного периода и так далее.
where T is the longest natural period, L and h are the length and average depth of the body of water, and g the acceleration of gravity. Higher order harmonics are also observed. The period of the second harmonic will be half the natural period, the period of the third harmonic will be a third of the natural period, and so forth.
Возникновение
Сеиши наблюдались как в озерах, так и в морях. Главное условие – частичная замкнутость водоема, позволяющая формироваться стоячим волнам. Регулярность формы не требуется; даже гавани с крайне неправильной конфигурацией обычно демонстрируют колебания с очень стабильными частотами.
Seiches have been observed on both lakes and seas. The key requirement is that the body of water be partially constrained to allow formation of standing waves. Regularity of geometry is not required; even harbours with exceedingly irregular shapes are routinely observed to oscillate with very stable frequencies.
Озерные сеиши
Низкоритмичные сеиши почти всегда присутствуют на крупных озерах. Обычно они незаметны среди обычных волн, за исключением периодов необычного спокойствия. Гавани, заливы и устья рек часто подвержены небольшим сеишам с амплитудой в несколько сантиметров и периодами в несколько минут. Первые исследования на Женевском озере, проведенные Франсуа Альфонсом Форелем, показали, что продольный период имеет цикл в 73 минуты, а поперечный сеиш – около 10 минут. Еще одним озером, хорошо известным своими регулярными сеишами, является озеро Вакатипу в Новой Зеландии, которое изменяет высоту своей поверхности в Квинстауне на 20 сантиметров за 27-минутный цикл. Сеиши также могут формироваться в полузакрытых морях; Северное море часто испытывает продольный сеиш с периодом около 36 часов. Национальная метеорологическая служба выпускает предупреждения о низком уровне воды для отдельных участков Великих озер, когда вероятны сеиши высотой 2 фута и более. Озеро Эри особенно подвержено ветровым сеишам из-за своей малой глубины и вытянутой формы по оси северо-восток – юго-запад, которая часто совпадает с направлением преобладающих ветров и, следовательно, максимизирует их воздействие. Это может приводить к экстремальным сеишам, достигающим противоположных берегов озера. Эффект аналогичен штормовому нагону, вызванному ураганами вдоль океанских побережий, но эффект сеиша может вызывать колебания вперед и назад по всему озеру в течение некоторого времени. В 1954 году остатки урагана «Хейзел» скопили воду вдоль северо-западного берега озера Онтарио вблизи Торонто, вызвав обширные наводнения, и спровоцировали сеиш, который впоследствии вызвал наводнения вдоль южного берега. Озерные сеиши могут возникать очень быстро: 13 июля 1995 года крупный сеиш на озере Верхнее привел к падению и последующему подъему уровня воды на три фута (один метр) в течение пятнадцати минут, в результате чего некоторые лодки остались висеть на причалах на своих швартовых канатах, когда вода отступила. Та же система штормов, вызвавшая сеиш на озере Верхнее в 1995 году, оказала аналогичное воздействие на озеро Гурон, где уровень воды в Порт-Хуроне изменился на 6 футов (2 метра) за два часа. На озере Мичиган десять рыбаков были смыты с пирсов на пляжах Монтроуз и Норт-Авеню и утонули, когда 10-футовый (3 метра) сеиш обрушился на набережную Чикаго 26 июня 1954 года. Озера в сейсмически активных районах, такие как озеро Тахо в Калифорнии/Неваде, подвержены значительному риску сеишей. Геологические данные свидетельствуют о том, что берега озера Тахо могли быть затронуты сеишами и цунами в доисторические времена, и местные исследователи призвали учитывать этот риск при разработке планов действий в чрезвычайных ситуациях для региона. Сеиши, вызванные землетрясениями, можно наблюдать на расстоянии тысяч километров от эпицентра. Бассейны особенно подвержены сеишам, вызванным землетрясениями, поскольку колебания грунта часто совпадают с резонансными частотами небольших водоемов. Землетрясение в Нортридже 1994 года в Калифорнии привело к переполнению бассейнов по всей южной Калифорнии. Массивное землетрясение в Страстную пятницу, обрушившееся на Аляску в 1964 году, вызвало сеиши в бассейнах, расположенных в таких отдаленных местах, как Пуэрто-Рико. Землетрясение, произошедшее в Лиссабоне, Португалия, в 1755 году, также вызвало сеиши севернее, в Лох-Ломонд, Лох-Лонг, Лох-Катрин и Лох-Несс в Шотландии, а также в каналах Швеции. Землетрясение в Индийском океане 2004 года вызвало сеиши в стоячих водоемах во многих штатах Индии, а также в Бангладеш, Непале и северном Таиланде. Сеиши снова наблюдались в Уттар-Прадеше, Тамил-Наду и Западной Бенгалии в Индии, а также во многих местах Бангладеш во время землетрясения в Кашмире в 2005 году. Землетрясение в Ассаме и Тибете в 1950 году, как известно, вызвало сеиши на расстоянии до Норвегии и южной Англии. Другие землетрясения на Индийском субконтиненте, которые, как известно, вызвали сеиши, включают землетрясения в Кумаун Барахат 1803 года, Алла Бунд 1819 года, Центральной Бенгалии 1842 года, Кангра 1905 года, Дубри 1930 года, Непал-Бихар 1934 года, Бхудж 2001 года, Ниас 2005 года, а также землетрясения на островах Тереза 2005 года. Землетрясение 27 февраля 2010 года в Чили вызвало сеиш на озере Пончартрейн в Луизиане, высотой около 0,5 фута. Землетрясение в Сьерра-Эль-Майор в 2010 году вызвало сильные сеиши, которые быстро стали интернет-феноменом. Сеиши высотой не менее 1,8 м (6 футов) были зафиксированы в Согнефьордене, Норвегия, во время землетрясения Тохоку в Японии в 2011 году.
Low rhythmic seiches are almost always present on larger lakes. They are usually unnoticeable among the common wave patterns, except during periods of unusual calm. Harbours, bays, and estuaries are often prone to small seiches with amplitudes of a few centimetres and periods of a few minutes. The original studies in Lake Geneva by François Alphonse Forel found the longitudinal period to have a 73 minute cycle, and the transversal seiche to have a period of around 10 minutes. Another lake well known for its regular seiches is New Zealand's Lake Wakatipu, which varies its surface height at Queenstown by 20 centimetres in a 27 minute cycle. Seiches can also form in semi enclosed seas; the North Sea often experiences a lengthwise seiche with a period of about 36 hours. The National Weather Service issues low water advisories for portions of the Great Lakes when seiches of 2 feet or greater are likely to occur. Lake Erie is particularly prone to wind caused seiches because of its shallowness and its elongation on a northeast–southwest axis, which frequently matches the direction of prevailing winds and therefore maximises the fetch of those winds. These can lead to extreme seiches of up to between the ends of the lake. The effect is similar to a storm surge like that caused by hurricanes along ocean coasts, but the seiche effect can cause oscillation back and forth across the lake for some time. In 1954, the remnants of Hurricane Hazel piled up water along the northwestern Lake Ontario shoreline near Toronto, causing extensive flooding, and established a seiche that subsequently caused flooding along the south shore. Lake seiches can occur very quickly: on July 13, 1995, a large seiche on Lake Superior caused the water level to fall and then rise again by three feet (one metre) within fifteen minutes, leaving some boats hanging from the docks on their mooring lines when the water retreated. The same storm system that caused the 1995 seiche on Lake Superior produced a similar effect in Lake Huron, in which the water level at Port Huron changed by 6 feet (2 m) over two hours. On Lake Michigan, eight fishermen were swept away from piers at Montrose and North Avenue Beaches and drowned when a 10 feet (3 m) seiche hit the Chicago waterfront on June 26, 1954. Lakes in seismically active areas, such as Lake Tahoe in California/Nevada, are significantly at risk from seiches. Geological evidence indicates that the shores of Lake Tahoe may have been hit by seiches and tsunamis as much as high in prehistoric times, and local researchers have called for the risk to be factored into emergency plans for the region. Earthquake generated seiches can be observed thousands of miles away from the epicentre of a quake. Swimming pools are especially prone to seiches caused by earthquakes, as the ground tremors often match the resonant frequencies of small bodies of water. The 1994 Northridge earthquake in California caused swimming pools to overflow across southern California. The massive Good Friday earthquake that hit Alaska in 1964 caused seiches in swimming pools as far away as Puerto Rico. The earthquake that hit Lisbon, Portugal in 1755 also caused seiches farther north in Loch Lomond, Loch Long, Loch Katrine and Loch Ness in Scotland, and in canals in Sweden. The 2004 Indian Ocean earthquake caused seiches in standing water bodies in many Indian states as well as in Bangladesh, Nepal, and northern Thailand. Seiches were again observed in Uttar Pradesh, Tamil Nadu and West Bengal in India as well as in many locations in Bangladesh during the 2005 Kashmir earthquake. The 1950 Assam–Tibet earthquake is known to have generated seiches as far away as Norway and southern England. Other earthquakes in the Indian sub continent known to have generated seiches include the 1803 Kumaon Barahat, 1819 Allah Bund, 1842 Central Bengal, 1905 Kangra, 1930 Dhubri, 1934 Nepal Bihar, 2001 Bhuj, 2005 Nias, 2005 Teresa Island earthquakes. The February 27, 2010 Chile earthquake produced a seiche on Lake Pontchartrain, Louisiana, with a height of around 0.5 feet. The 2010 Sierra El Mayor earthquake produced large seiches that quickly became an internet phenomenon. Seiches up to at least 1.8 m (6 feet) were observed in Sognefjorden, Norway, during the 2011 Tōhoku earthquake in Japan.
Пещерные сеихи
19 сентября 2022 года в Devils Hole (Дьявольская дыра) в Национальном парке Долины Смерти (США) произошел сейш высотой 4 фута (1 метр) после землетрясения магнитудой 7,6, произошедшего в западной Мексике на расстоянии около 2414 км. Сейши также наблюдались в пещере после сильных землетрясений в 2012, 2018 и 2019 годах.
On September 19, 2022, a seiche reaching 4 feet (1 m) occurred at Devils Hole at Death Valley National Park in the U. S. after a 7.6 magnitude earthquake hit western Mexico, about 1500 mile (2414 km) away. Seiches were also observed in the cave after powerful earthquakes in 2012, 2018 and 2019.
Инженерная защита
Инженеры учитывают явления сейши при проектировании сооружений для защиты от наводнений (например, дамба Санкт-Петербурга), водохранилищ и плотин (например, плотина Гранд-Кули), резервуаров для хранения питьевой воды, портов и даже бассейнов для хранения отработанного ядерного топлива.
Engineers consider seiche phenomena in the design of flood protection works (e. g., Saint Petersburg Dam), reservoirs and dams (e. g., Grand Coulee Dam), potable water storage basins, harbours, and even spent nuclear fuel storage basins.