Сейши

Сейши — это стоячие волны, возникающие в замкнутых или частично замкнутых водоёмах (озёрах, заливах, бухтах, бассейнах, а также в резервуарах и цистернах). Сейши представляют собой колебания всей массы воды в водоёме с определённой частотой, при которых поверхность воды попеременно наклоняется то в одну, то в другую сторону, а уровень воды в противоположных концах водоёма изменяется в противофазе. В отличие от ветровых волн, сейши не являются результатом непосредственного воздействия ветра на водную поверхность, а возникают вследствие резкого прекращения или изменения внешнего воздействия, вызвавшего первоначальное возмущение.

Механизм возникновения

Сейши образуются, когда внешняя сила (ветер, резкое изменение атмосферного давления, сейсмические колебания, оползни, движение судов) выводит водную поверхность из равновесия. После прекращения действия этой силы вода под действием силы тяжести стремится вернуться в исходное положение. Однако, обладая инерцией, водная масса «проскакивает» точку равновесия, вызывая колебания, которые распространяются по всему водоёму. В результате в водоёме устанавливается стоячая волна, у которой есть узлы (точки с минимальным изменением уровня) и пучности (точки с максимальным изменением уровня).

Ключевое условие для возникновения сейш — наличие жёстких границ (берегов, стенок), от которых волна отражается, интерферируя сама с собой. Частота и период сейш определяются геометрией водоёма (длиной, глубиной, формой) и не зависят от силы первоначального возмущения.

Характеристики

Основные параметры сейш:

• Период — время одного полного колебания. Для озёр может составлять от нескольких минут до нескольких часов. Для крупных озёр, таких как Байкал или Ладожское, периоды сейш могут достигать 4–6 часов. Для небольших бассейнов или резервуаров — секунды или доли минуты.
• Амплитуда — максимальное отклонение уровня воды от среднего. В открытых озёрах амплитуда редко превышает 0,5–1 метр, но в узких заливах и бухтах может достигать 2–3 метров и более. В замкнутых резервуарах амплитуда может быть существенно меньше.
• Число узлов — количество точек, где уровень воды остаётся неизменным. Различают одноузловые, двухузловые и многоузловые сейши.

Классификация по числу узлов

• Одноузловая сейша (основная мода) — самый простой тип колебаний, при котором в центре водоёма образуется один узел, а на противоположных берегах — пучности. Уровень воды на одном берегу поднимается, одновременно опускаясь на другом.
• Двухузловая сейша — колебания с двумя узлами, расположенными на некотором расстоянии от берегов. В этом случае на берегах и в центре водоёма образуются пучности, а между ними — два узла.
• Многоузловые сейши — более сложные колебания с тремя и более узлами. Встречаются реже, обычно в водоёмах сложной формы.

Причины возникновения

Основные факторы, вызывающие сейши:

1. Резкое изменение атмосферного давления. Прохождение циклона или шквала может создать перепад давления над разными частями водоёма, что приводит к подъёму воды в зоне низкого давления и опусканию в зоне высокого. После выравнивания давления начинаются колебания.
2. Ветер. Сильный и продолжительный ветер, дующий в одном направлении, может «согнать» воду к одному берегу, создавая наклон водной поверхности. При внезапном прекращении ветра (или резком изменении его направления) начинается обратное движение воды, переходящее в сейши.
3. Сейсмические события. Землетрясения, подводные оползни или извержения вулканов могут вызвать колебания водной массы, особенно в крупных озёрах и водохранилищах. В некоторых случаях сейши, вызванные землетрясениями, могут быть разрушительными.
4. Движение крупных судов. Проход большого судна по узкому каналу или акватории порта может вызвать локальное возмущение, которое затем трансформируется в сейши.
5. Волны цунами. В замкнутых бухтах и заливах цунами могут генерировать сейши, которые продолжаются в течение нескольких часов после прохождения основной волны.

Сейши в различных водоёмах

Озёра

Наиболее известный пример — сейши на озере Байкал. Из-за большой длины (около 636 км) и значительной глубины (до 1642 м) период основной сейши составляет около 4,6 часов. Амплитуда колебаний в южной части озера может достигать 10–15 см, а в заливах — до 1 м. Сейши на Байкале часто возникают после резких изменений погоды, особенно при прохождении циклонов.

На Ладожском озере (крупнейшем в Европе) период сейш составляет около 2–3 часов, амплитуда — до 20–30 см. На Онежском озере — период около 1,5–2 часов.

Заливы и бухты

В узких и длинных заливах (например, в Невской губе, в заливах Финского залива) сейши могут иметь значительную амплитуду и представлять опасность для судоходства и береговой инфраструктуры. В заливе Фанди (Канада) сейши, хотя и не являются основной причиной рекордных приливов, могут влиять на их высоту.

Водохранилища

В искусственных водоёмах, особенно в горных районах, сейши могут возникать при сбросе воды через плотины или при резких изменениях уровня. Амплитуда может достигать нескольких десятков сантиметров.

Замкнутые резервуары и бассейны

В технике сейши наблюдаются в резервуарах с жидкостью (например, в топливных баках самолётов, в цистернах при транспортировке). В бассейнах сейши возникают при резком движении воды (например, при прыжке пловца). Период таких сейш обычно составляет доли секунды или несколько секунд.

Практическое значение

Изучение сейш имеет важное практическое значение:

• Гидротехническое строительство. При проектировании портов, причалов, набережных и гидроэлектростанций необходимо учитывать возможные колебания уровня воды, вызванные сейшами, чтобы предотвратить разрушение сооружений и обеспечить безопасность судов.
• Судоходство. Сейши могут вызывать резкие изменения уровня воды в узких проливах и каналах, что создаёт опасность для судов, особенно при швартовке.
• Экология. Колебания уровня воды могут влиять на размыв берегов, перемешивание водных масс и распределение питательных веществ и кислорода в водоёме.
• Сейсмология. Наблюдение за сейшами в озёрах может использоваться для регистрации слабых сейсмических событий, которые не фиксируются сейсмографами.
• Авиация и космонавтика. В технике сейши в топливных баках могут вызывать проблемы с подачей топлива и устойчивостью летательных аппаратов, поэтому их учитывают при проектировании.

Интересные факты

• Термин «сейша» происходит от французского seiche, что означает «сухой» или «мелкий». Впервые этот термин был использован швейцарским физиком Франсуа-Альфонсом Форелем в XIX веке для описания колебаний уровня воды в Женевском озере.
• Сейши могут наблюдаться не только в воде, но и в других жидкостях, а также в газах (например, в замкнутых воздушных полостях).
• В некоторых озёрах сейши могут быть настолько сильными, что вызывают повреждение береговой линии и затопление низменных участков.
• Наиболее крупные сейши в мире зафиксированы на озере Мичиган (США), где их амплитуда достигала 1,5–2 метров.

Источники

1. Большая советская энциклопедия. Статья «Сейши».
2. Физическая энциклопедия. Том 4. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994.
3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. — М.: Наука, 1986.
4. Боуэн А. Дж. Сейши в озёрах и заливах. — В кн.: Гидродинамика прибрежной зоны. — Л.: Гидрометеоиздат, 1970.
5. Материалы Института океанологии РАН.