Энергия волн
Шрифт:
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
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.
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.
8
Имперская химическая индустрия. — Прим. пер.
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».
9
Следует
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.
Более сложным устройством, используемым на глубокой воде, является волнограф, предложенный в 1951 г. сотрудником ИОН М.Д. Таккером. Датчик давления устанавливают стационарно на судне, скажем на корабле погоды или плавучем маяке, ниже ватерлинии. Изменение давления регистрируется датчиком, соединенным с акселерометром, отмечающим движение самого корабля. По совокупности двух измерений автоматически вычерчивается график волновых колебаний в данной точке. С середины 50-х годов это был основной рабочий регистратор волнения, используемый в ИОН [10] .
10
Точность работы волнографа Таккера оценивается в 15-20%. Более совершенные приборы такого типа были созданы в Государственном океанографическом институте СССР. — Прим. ред.
Вначале прибор был установлен на исследовательском судне ИОН, но оно имело много задач и находилось все время в движении. В аналогичном режиме работали и корабли погоды — например, наиболее известная станция «Индия» (вопреки названию, расположенная в Северной Атлантике) обслуживалась полудюжиной кораблей, которые работали в режиме четырехнедельного периода наблюдений с двухнедельным перерывом. Тем не менее один из кораблей метеослужбы «Исследователь погоды» был снабжен самописцем волнения; с 1953 и до 1965 г. он и сменившие его корабли собрали достаточно информации по станции «Индия», чтобы можно было надежно судить о волновом режиме в этом районе. Действительно, измерения с кораблей составили основу для определения энергетического волнового потенциала Атлантики. Позднее Тринити-Хаус [11] дал разрешение пользоваться одним плавучим маяком, но, поскольку тот находился на станции уже три года, потребовался специальный заход в сухой док, ибо Тринити-Хаус весьма педантичен и не позволил бы сверлить дырки в борту ниже ватерлинии для установки прибора в открытом море. К этому времени должна была произойти смена кораблей. Все это стоило денег. А пока работа совершалась подручными средствами.
11
Тринити-Хаус — маячно-лоцманская корпорация Великобритании, основанная в 1514 г. — Прим. пер.