Как сказал один из авторов в ведении к своей научной работе, волны на воде - очень заманчивая область, ввиду своей "общедоступности для наблюдений", но при этом исключительной сложности точного математического описания. И на самом деле область не так хорошо изучена, как можно было бы предположить.
Слово "цунами" очень хорошо подходит для бытового языка, но как научный термин может создать некоторую путаницу. Например, если вы прочитаете в популярной литературе чем цунами отличается от ветровых волн, то вам дадут ряд признаков, которые, например, подходят для классического цунами, вызванного землетрясениями, но не относятся к т.н. "коллапсным волнам" от падения в воду небесного тела. Нас здесь интересуют "экстремально большие волны на поверхности воды".
А тут ещё отдельные персонажи вводят такие тезисы, что если взорвать под водой 100 Мт ядерный заряд, то все Британские острова потонут под баснословной радиоактивной воной. (наверное, вместе с горой Бен-Невис). Конечно, техническая интуиция сразу говорит, что это правдой быть не может никогда, но возникает вопрос: а как может?
(N.B. не является призывом к насилию. Статья публикуется в образовательных целях.)
Сразу предупреждаю. Тема не до конца изучена в мире (как ни странно), и я в ней тем более разбираюсь далеко не идеально. Поэтому, приглашаю к дискуссии. Тем не менее, попытаемся разобраться в физики данных волн, их математическом описании, и ответить, в том числе на вышепоставленный вопрос.
Итак
1. Есть много разных подходов к моделированию волн. Например, через уравнения Навье-Стокса с прямым моделированием турбулентности или через модели турбулентности. И то и то тема слегка болезненная для гидро-газодинамиков. Первое мы пока не можем посчитать даже на суперкомпьютере, а второе желательно как-то идентифицировать по эксперименту, который здесь a priori почти не возможно получить (чтобы масштаб 1:1). Но волны штука "многомасштабная" и куда деваться. Или через уравнения Эйлера. Или совсем упрощёнными методами как то "линеаризованная теория волн на мелкой воде"
2. Волны бывают условно капиллярными и гравитационными по основной возвращающей силе. Нас интересуют волны большого масштаба - гравитационные. (но не те, которые от чёрных дыр)
3. Три важнейшие (хотя и не все) параметра волны: высота (амплитуда), длина, глубина моря. А, L, H. Высота считается от невозмущённой поверхности.
4. Волны малой высоты (A«L, A«H) обычно (или всегда?) т.н. линейные (что такое линейность - можете загугнить) и имеют синусоидальную форму. А волны большой высоты обычно (или всегда?) т.н. нелинейные и имеют какую-то более сложную форму. И вот нелинейные волны они очень любят обрушаться, турбулизироваться, диссипировать энергию. Есть даже свой критерий подобия для нелинейности волн - число Урселя. Как это работает с точки зрения суперпозиции и рядов Фурье, я не до конца понимаю, но такие эффекты тоже есть.
5. Весь процесс можно условно разделить, например, на 5 характерных участков
- генерация волн
- распространение волн на малом расстоянии от источника. (возможна существенная нелинейность)
- распространении волн на большой расстоянии от источника при неизменной глубине океана (вероятно, существенная нелинейность не возможна)
- выход волн мелководье, влияние рельефа дна. (глубина сопоставима или меньше длины волны)
- накат волн на берег или выход на "супермелководье". (глубина сопоставима или меньше высоты волны). Можно тоже на 2 пункта разбить при желании. При затоплении берега волна уже и волной не факт, что может строго называться.
6. Волны бывают условно "короткими" и "длинными" или, что тоже самое, "на глубокой воде" и "на мелкой воде". Т.е. L«H и L»H. Скорость (фазовая) первых, если они линейные, зависит главным образом от длины волны (частотная дисперсия), а вторых главным образом от глубины моря. Траектория частиц воды - это эллипсы (овалы?). Для длинных волн горизонтальное перемещение частиц почти не зависит от глубины, для коротких почти не распространяется на большую глубину (H»L). Ну, понятно, что есть ещё и промежуточное нечто.
Продолжение следует.
