Энергия волн

Выразительное описание представил Королевскому обществу искусств в марте 1975 г. (т. е. поколение назад в темпах развития волновой энергетики) А.Н. Уолтон Ботт — первый инженер-практик, подступившийся к проблеме волновой энергетики. Он сказал: «Я никогда не мог найти подходящую механическую аналогию, но, возможно, разглаживание складки на ковре от центра к краю у стенки ближе всего напоминает движение волны: складка движется по ковру, но каждая ворсинка остается на своем месте.

Каждая частица воды описывает круговую траекторию в вертикальной плоскости волны, радиус этих орбит быстро уменьшается с глубиной, стремясь к нулю».

Следует осознать, что волны не похожи на прилив и на течения. О волнах, достигших Корнуэлла, иногда говорят, что они зародились в Антарктике, но это, конечно, не означает, что холодное течение прорвалось сквозь Гольфстрим.

Моряк делит волны на два основных типа: волны, которые образуются местным ветром и иногда называются ветровыми, и волны, которые прибывают из области шторма в виде зыби. Для любого наблюдателя внешнее различие между ними сводится к различию между активно, неравномерно колеблющейся поверхностью моря и вытянутыми, правильными валами, в которых частицы воды совершают орбитальное движение. И затем м-р Ботт пишет: «Волна встает на дыбы, как только почувствует, так сказать, почву под ногами, дно, а затем летит кувырком, разбиваясь на прибрежной отмели или рифах».

Наши знания об энергии волн сравнительно современны. Исследования проводились в течение последних 150 лет, но подлинное их развитие было вызвано — как и во многих других дисциплинах — военными нуждами и стремлением к обоснованию правительственных затрат. То же самое произошло с паровой энергией: в результате наполеоновских войн возросли цены на фураж и использовать пар стало выгоднее, чем лошадей. То же самое произошло и с ядерной энергией: сэр Джон Андерсон, министр вооружений, заметил: «За четыре года наши ученые решили задачу, которая в мирное время могла бы занять 25-50 лет». Что же касается волн, то планирование вторжения в континентальную Европу в 1944 г. вызвало внезапный рост интереса к ним и готовность тратить деньги.

Корабли с десантом должны были подойти к Нормандии. Искусственную гавань, названную Мальберри, отбуксировали через Ла-Манш и установили в пункте высадки. Необходимой информации было мало. Я вспоминаю обращение министерства информации ко всем любителям-фотографам с просьбой прислать снимки побережья Северной Европы. Адмиралтейство организовало исследовательскую лабораторию группы В (таинственная буква, обозначающая волнение, но это было секретом, не так ли?)[7]

Эта единица образовала ядро Национального океанографического института, переименованного в настоящее время в Институт океанографических наук (ИОН). Он подчинен исследовательскому совету по природной среде. Позже возникла еще одна организация — Гидрологическая исследовательская станция в Уоллингфорде, Оксфордшир, предназначенная для оценки инженерных проектов гаваней, корабельных причалов и прочее. Она имела собственный план развития волновой энергетики, отражающий ее инженерную специализацию. ИОН занимался фундаментальными исследованиями океана, начиная от характера и поведения волн, включая приливы, до морской биологии, химии и геологии дна.

Очкастый физик, участвовавший в этих ранних исследованиях по волновой энергии, был Лоуренс Дрэйпер, который как-то неправдоподобно втянулся в них из-за увлечения скалолазаньем. В начале пятидесятых годов он стал студентом Ноттингемского университета, поработав перед этим лаборантом в I.C.I.[8]. У него не было особого желания возвращаться обратно, и он слабо представлял себе, что будет делать, когда получит диплом. Он был страстным альпинистом и однажды прочел в журнале некролог о талантливом скалолазе Р. Унна. Незадолго до этого в научном журнале «Природа» он наткнулся на статью о волнах, которую написал Р. Унна. Он подумал, что если один покоритель гор мог увлечься волнами, то почему бы не сделать этого и ему. Позднее ему попался отчет об измерении волнения в недавно возникшем Институте океанографии; он написал туда и спросил, не заинтересован ли институт в его помощи на период каникул.

В институте никогда не пользовались такого рода помощью, но идея понравилась. Он проработал лето, и директор предложил ему работу после окончания университета. Такое совершенно нелогичное, случайное сочетание гор и моря во многом определило состояние дел сегодня.

М-р Дрэйпер смотрит сейчас флегматично в прошлое на примитивные усилия исследовательской лаборатории группы В, связанные с проблемой высадки десанта в Нормандии. «Они сделали это толково в 1944 г., — сказал он мне, — но только однажды. Им не удалось полностью справиться с задачей прогноза волнения». Похоже, что некоторые ребята из десантных сил могли бы с ним согласиться. Но — доверяйте адмиралтейству, как принято у нас говорить.

Он стал в центре того, что сам хорошо определил как «один из показателей сегодняшнего прогресса — систематический сбор инструментальных измерений волнения». Он и его коллеги возглавили направление, связанное с «волновым климатом». Методы Института океанографических наук широко используются в мире. Министерство энергетики хорошо представляет себе полезность института и оказывает ему поддержку. Ни одна страна не имеет прогностической карты экстремумов волн непосредственно вдоль побережья[9]. Такая карта обеспечила бы нефтяные операции в Северном море и спасла бы американцев от того, что, по мнению м-ра Дрэйпера, может обернуться катастрофой. Американские эксперты были убеждены, что их опыта, приобретенного в Мексиканском заливе, будет вполне достаточно в Северном море. Такая самоуверенность основывалась, в частности, на удачном опыте прогноза ураганов. «Но, — как сказал м-р Дрэйпер, — ураганы, движущиеся очень быстро, не могут вызвать самых больших волн. Их интересовала максимальная высота волн в течение пятидесяти лет — срок, на который рассчитывалась установка платформы. Мы посмотрели на номограммы и ответили: 17 метров. По-видимому, американцы решили, что мы перестраховываемся. Они полагали, что волна не превысит 12 метров (вспомним, что разница в стоимости каждых 3,75 метра платформы составляла около 4 миллионов фунтов). Позже они сами видели волны большей высоты, и если бы американцы доверились лишь своей интуиции, нефтяные платформы были бы, по-видимому, снесены. К тому же существовали ограничения на использование первых платформ, которые эвакуировались в бурную погоду и имели бортовые устройства, чтобы снять людей».

Стоит заметить, что семнадцатиметровая волна по высоте равна шестиэтажному дому. Волны, приходящие с Внешних Гебрид, где предполагается установить генераторы волновой энергии, могут превышать 24 м; это «худшее» море в мире, может быть, хуже даже, чем море у мыса Горн, и, следовательно, лучшее для наших целей.

«Волновая климатология» развивалась эпизодически, находясь в положении бедной и почти неизвестной родственницы по отношению к другим областям теоретического знания и инженерных дисциплин. Она потребовалась для планирования десантных операций в военное время, а затем все чаще стала требоваться при обеспечении строительства маяков, трубопроводов, волноломов, гаваней, а в наши дни — при проектировании нефтяных платформ, судов на воздушной подушке и гидропланов. Сегодня для развития волновой энергетики нужно переработать всю целевую информацию, собрав ее воедино, как собираются перья в голубином хвосте.

Профиль волны. При подходе волны к берегу ее длина уменьшается, а высота и крутизна увеличиваются

Для сбора данных о волнении используются регистраторы волн — волнографы, устанавливаемые на морском дне, на поверхности и на судах. Современные методы позволяют инженеру построить графики, с которых легко снять прогнозируемую отметку высоты волны в любом районе моря. Один из первых волнографов работал по принципу контактной вехи. Несколько горизонтально расположенных электродов были установлены по вертикали, контакты располагались на расстоянии нескольких дюймов друг от друга. При колебаниях уровня моря контакты, находящиеся под водой, замыкались, что соответствующим образом регистрировалось. Прибор весьма прост, но не столь чувствителен, как другие, регистрирующие различие в амплитуде колебаний до 0,25 мм. Одним из усовершенствованных приборов является подводный волнограф с чувствительным датчиком давления. Его преимущество заключается в том, что проходящие суда повредить его не могут. Недостаток прибора в том, что им можно пользоваться лишь на небольших глубинах, до 12 м, так как поверхностные волны не проникают глубоко в море. Это металлическая коробка, помещенная на дне и регистрирующая давление вышележащего слоя воды. При прохождении волны высота слоя воды, а, следовательно, и давление, возрастает, и прибор отмечает изменение уровня. Информация записывается в аналоговой форме или на магнитную ленту и по линии связи может передаваться на берег.

7

Для обеспечения высадки войск в Нормандию были созданы специальные плавучие заякоренные конструкции, которые, как предполагалось, смогут защитить огражденный участок моря от ветровых волн. Вскоре после установки все конструкции были полностью уничтожены штормом, длившимся четверо суток. При этом высота волн достигала 4,6 м, что превышало расчетные значения. — Прим. ред.

8

Имперская химическая индустрия. — Прим. пер.

9

Следует заметить, что во многих странах выполняются регулярные расчеты и прогнозы волнения для открытых акваторий. В частности, в Советском Союзе систематически составляются прогнозы волнения для Атлантического океана и ряда морей. Имея эти данные, можно определить плотность приходящей волновой энергии. — Прим. ред.