Как возникают волны? Отчего появляются волны.

13.10.2019

Ко многим явлениям, происходящим на нашей планете, мы уже давно привыкли, совершенно не задумываясь о природе их возникновения и механике действия. Это и изменение климата, и перемена времен года, и перемена времени суток, и образование волн на море и в океанах.

И сегодня мы как раз хотим уделить внимание последнему вопросу, вопросу о том, почему образуются волны на море.

Почему возникают волны на море

Существуют теории о том, что волны на морях и в океанах возникают по причине перепадов показателей давления. Однако зачастую это лишь предположения людей, которые быстро пытаются найти объяснение подобному природному явлению. В действительности все обстоит несколько иначе.

Вспомните, что заставляет воду «волноваться». Это физическое воздействие. Бросив что-либо в воду, проведя по ней рукой, резко ударив по воде, по ней непременно начинают идти колебания разного размера и частоты. Исходя из этого, можно понять, что волны – это результат физического воздействия на поверхность воды.

Однако почему на море появляются большие волны, приходящие к берегу издалека? Виной всему является другое природное явление – ветер.

Дело в том, что порывы ветра проходят над водой по касательной линии, оказывая на морскую поверхность физическое воздействие. Именно это воздействие нагнетает воду и заставляет её двигаться волнами.

Кто-то, разумеется, задастся и другим вопросом о том, почему волны на море и в океане идут колебательными движениями. Однако ответ на данный вопрос является еще более простым, чем сама природа волн. Дело в том, что ветер оказывает непостоянное физическое воздействие на поверхность воды, ведь он направляется к ней порывами разной силы и мощности. Это и влияет на то, что волны имеют разный размер и частоту колебания. Разумеется, сильные волны, настоящий шторм, возникают тогда, когда ветер превышает показатели нормы.

Почему на море волны без ветра

Весьма резонным нюансом является вопрос о том, почему на море присутствуют волны даже в том случае, если наблюдается абсолютный штиль, если ветер полностью отсутствует.

И здесь ответом на вопрос станет тот факт, что водяные волны являются идеальным источником возобновляемой энергии. Дело в том, что волны способны очень долгое время хранить свой потенциал. То есть, ветра, который привел воду в действие, создав определенное количество колебаний (волн), может быть достаточно для того, чтобы волна продолжала свое колебание очень продолжительное время, а сам потенциал волны не исчерпал себя даже через десятки километров с точки зарождения волны.

Вот и все ответы на вопросы о том, почему на море волны.

Если вы когда-либо проводили время на берегу водоема, то замечали, наверное, что в тихую погоду на воде почти нет волн, а в ветреный дождливый день — волн много.

Вот как можно объяснить появление волн на воде. Их создает ветер. Волна — это способ перемещения одной из форм энергии с одного места на другое. Для зарождения волны необходима какая-то сила или энергия, и ветер передает такую энергию воде.

Когда мы наблюдаем движение волн — последовательное, одна за другой — кажется, что вода тоже движется вперед. Но если на поверхности воды плавает кусок дерева, мы заметим, что он не двигается вперед вместе с волнами. Он только будет появляться и исчезать в волнах. Он будет двигаться только при наличии ветра или течения. Какое же движение происходит в волне? В основном это движение частиц воды вверх-вниз. Это движение передается по направлению к берегу. Например, если у тебя есть веревка, ты можешь создать подобие волны вдоль всей ее длины. Волнообразные движения проходят по всей длине веревки, но частички веревки вперед не движутся.

У самого берега основание волны ударяется о дно, и движение волны замедляется из-за трения. Гребень волны продолжает движение, обрушиваясь вниз и образуя прибой.

У берега волны теряют свою энергию. Постой в волнах у самого берега, и ты поймешь, какой энергией они обладают!

В волнах частицы воды движутся вверх и вперед, толкаемые ветром. Затем сила тяжести заставляет их опускаться и возвращаться в исходное положение. Эти движения воды и заставляют волны передвигаться. Расстояние между гребнями двух волн называется длиной волны, самое нижнее ее положение называется подошвой.

Ветер дует в океане на большом расстоянии от берега. Он постепенно начинает перемещать воду. Так на воде образуется зыбь. Это очень небольшие волны. Когда на волнах появляется белая пена, это называют барашками.

Барашки образуются, становятся больше. При усилении ветра из них формируются волны.

Ветер оказывает большое воздействие на море. Волны иногда могут путешествовать на 8 000 километров (5 000 миль) от того места, где они образовались.

Некоторые волны образуются вследствии подъема и спада приливов. Это — приливные волны. Иногда они возникают из-за сотрясения дна океана или благодаря вулканическим извержениям на морском дне. И, наконец, волны вызываются сильными землетрясениями . Такие волны называются цунами.

Цунами — это морские волны, возникающие в результате резких смещений морского дна при подводных землетрясениях или при лавинообразных срывах донных осадочных пород, похожих на снежные лавины в горах. Название таких волн заимствовано из японского языка , истому что именно Япония чаще всего испытывает разрушительные последствия этого грозного природного явления, наблюдающегося в основном на окраинах Тихого океана.

В зоне зарождения цунами в открытом океане высота волн сравнительно невелика, всего 0,5-1,0 метра. Для мореплавателей, случайно оказавшихся в этой зоне, эти полны, имеющие очень большую длину, не представляют никакой опасности. Совсем иное дело, когда распространяющиеся со скоростью до 1000 километров в час волны цунами приближаются к побережью. Здесь их высота увеличивается до 10-50 метров, и накатывающийся на берег водяной вал сметает все попадающееся на его пути. Защититься от такой волны невозможно. В 1896 году от нашествия цунами в Японии погибло несколько десятков тысяч человек.

Единственный способ уменьшить ущерб, причиняемый цунами, — это вовремя предупредить о его приближении, чтобы дать возможность людям заблаговременно покинуть опасную зону . И такая служба предупреждения действует сейчас в Тихом океане . Для прогноза возникновения цунами используются приборы, определяющие место и время подводных землетрясений. Если такое место обнаружено, то производится расчет возможного распространения волн и включаются наблюдения за уровнем моря. Если изменения уровня моря на удалении от побережья приобретают угрожающий характер, то дается оповещение о приближении цунами.

Цунами могут достигать огромной высоты — в несколько десятков метров. Обрушиваясь на прилегающие к берегу районы, он и причиняют большие разрушения и представляют огромную опасность для жителей.

Особенно часто цунами бывают на юго-восточном побережье Азии и Японских островах.

Как образуются волны? Отчёты о состоянии прибоя и прогнозы образования волн составляются по результатам научных исследований и моделирования погоды. Для того чтобы узнать, какие волны будут формироваться в ближайшее время, важно понимать то, как они образуются.

Главной причиной образования волн является ветер. Волны, наилучшим образом подходящие для сёрфинга, формируются в результате взаимодействия ветров над поверхностью океана, вдали от берега. Воздействие ветра - это первый этап образования волны.

Ветры, дующие в той или иной местности с берега, также могут быть причиной образования волн, однако при этом они могут приводить к ухудшению качества разбивающихся волн.

Установлено, что ветры, дующие с моря, обычно приводят к образованию нестабильных и неровных волн, поскольку они воздействуют на направление движения волны. Ветры, дующие с берега, в определённом смысле служат своего рода уравновешивающей силой. Волна проходит многие километры из глубины океана до берега, а ветер с суши оказывает «тормозящий» эффект на лицо волны, позволяя ей дольше не разбиваться.

Области низкого давления = хорошие волны для сёрфинга

Теоретически, области низкого давления способствуют образованию хороших, мощных волн. В глубине таких областей скорость ветра выше, и порывы ветра формируют больше волн . Трение, создаваемое этими ветрами, помогает образовываться мощным волнам, которые проходят тысячи километров, пока не натолкнутся на конечные препятствия, то есть прибрежные территории, на которых живут люди.

Если ветры, образующиеся в областях низкого давления, продолжают дуть на поверхность океана на протяжении долгого времени, то волнение становится более интенсивным, поскольку энергия накапливается во всех образующихся волнах. Кроме того, если ветры из областей низкого давления воздействуют на очень большую акваторию океана, то все образующиеся волны сосредотачивают в себе ещё большую энергию и мощь, что приводит к формированию ещё более крупных волн.

От волн в океане к волнам для сёрфинга: морское дно и другие препятствия

Мы уже проанализировали то, как образуется волнение в море и порождаемые им волны, но после «рождения» таким волнам ещё предстоит пройти огромное расстояние до берега. Волнам, зародившимся в океане, предстоит проделать длинный путь, прежде чем они достигнут суши.

Во время своего путешествия, ещё до того, как на них встанут сёрферы, этим волнам придётся преодолеть другие препятствия. Высота зарождающейся волны не совпадает с высотой волн, на которых катаются сёрферы.

Продвигаясь через океан, волны подвергаются воздействию неровностей морского дна. Когда гигантские движущиеся массы воды преодолевают возвышения на морском дне, общее количество энергии, сосредоточенное в волнах, изменяется.

Например, континентальные шельфы на удалении от берега оказывают сопротивление движущимся волнам за счёт силы трения, а к тому моменту, как волны достигают прибрежных акваторий, где глубина небольшая, они уже теряют свою энергию, силу и мощь.

Когда волны перемещаются по глубоководным акваториям, не встречая препятствий на своём пути, они, как правило, обрушиваются на береговую линию с огромной силой. Глубины океанического дна и их изменения, происходящие со временем, изучаются в рамках батиметрических исследований.

По карте глубин легко найти самые глубокие и самые мелководные акватории океанов нашей планеты. Изучение рельефа морского дна имеет большое значение для предотвращения крушений кораблей и круизных лайнеров.

Кроме того, при изучении структуры дна можно получить ценную информацию для прогнозирования прибоев на определённом серф-споте. Когда волны достигают мелководья, их скорость обычно снижается. Несмотря на это, длина волны сокращается, а гребень увеличивается, в результате чего возрастает высота волны.

Песчаные отмели и увеличение гребня волны

Песчаные отмели, например, всегда изменяют характер бич-брейков. Именно поэтому качество волн со временем меняется в лучшую или худшую сторону. Песчаные неровности на дне океана позволяют образовываться чётким сосредоточенным волновым гребням, с которых сёрферы могут начинать скольжение.

Наталкиваясь на новую песчаную отмель, волна, как правило, образует новый гребень, поскольку подобное препятствие приводит к возвышению гребня, то есть формированию волны, пригодной для сёрфинга. К другим препятствиям для волн относятся буны, затопленные суда либо просто естественные или искусственные рифы.

Волны зарождаются благодаря ветру и по мере движения подвергаются влиянию рельефа морского дна, осадков, приливов, отбойных течений у побережий, местных ветров и неровностей дна. Все эти погодные и геологические факторы способствуют образованию волн, подходящих для сёрфинга, кайтсёрфинга, виндсёрфинга и буги-сёрфинга.

Прогнозирование волн: теоретические основы

Волны с длинным периодом, как правило, больше и мощнее.
Волны с коротким периодом, как правило, меньше и слабее.
Периодом волны называется время между образованием двух чётко выраженных гребней.
Частота волн - это количество волн, проходящих через определённую точку за определённое время.
Большие волны движутся быстро.
Маленькие волны движутся медленно.
В областях низкого давления образуется интенсивное волнение.
Для областей низкого давления характерна дождливая погода и облачность.
Для областей высокого давления характерна тёплая погода и ясное небо.
В глубоководных прибрежных акваториях образуются более крупные волны.
Цунами не пригодны для сёрфинга.

Колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени, называются волнами. Волновой процесс не сопровождается переносом массы, а лишь переносом энергии. То есть, колеблющиеся вертикально частицы воды не перемещаются горизонтально, происходит лишь изменение их энергии

Волны бывают различными - на поверхности жидкости, звуковыми, электромагнитными. Но сейчас мы сосредоточимся на волнах, возникающих на морских просторах. Как явствует из определения, волны возникают, когда некие образовавшиеся колебания начинают распространяться в пространстве. А чтобы эти самые колебания возникли, необходимо действие внешней силы. В зависимости от того, какая внешняя сила является причиной возникновения колебаний (а значит и волн), различают волны трения, барические волны, сейсмические, стоячие и приливные.

К волнам трения относят ветровые волны и внутренние. Ветровые волны возникают на границе воздух - вода. Когда дует ветер , слои воздуха периодически воздействуют на поверхность воды и вызывают ее колебания. Колебания распространяются в пространстве и по морю бегут волны. Обычно их высота не более четырех метров, но в случае штормовых ветров возрастает до пятнадцати метров и выше. Наибольшей высоты волны могут достигать в полосе западных ветров Южного полушария - до 25 метров.

Появлению волн на поверхности моря предшествует рябь. Она возникает при скорости ветра менее одного метра в секунду. С увеличением скорости возрастает величина волн. Высокие и крутые ветровые волны носят образное имя толчея. Когда ветер стихает, волнение еще какое- то время продолжается по инерции, в этом случае говорят, что на море зыбь. Волна, бегущая по мелководью на берег, называется прибоем. В этот процесс вовлекаются значительные массы воды, даже когда высота волны не очень велика. При выходе ее на прибрежное мелководье, частицы воды из- за большого значения энергии, начинают двигаться по горизонтали, взад и вперед, неся с собой камни и песок. Каждый, кто купался в море, знает как бьют эти камешки по ногам. Достаточно сильный прибой в состоянии тащить огромные валуны.

Внутренние волны

Внутренние волны (подводные) возникают под поверхностью моря, на границе двух слоев воды с различными свойствами. Капитан Немо был не совсем точен и слишком идеализировал океан , когда утверждал, что внутри него царит покой. Водная толща океана неоднородна, она состоит из разных слоев . Физические характеристики их (температура, соленость, плотность) меняются от слоя к слою неравномерно, на границе между ними и образуются внутренние волны. Впервые они были обнаружены норвежским полярным исследователем, доктором зоологии, основателем физической океанографии Фритьофом Ведель- Ярлсбергом Нансеном (1861 - 1930 г.г.). Во время плавания на судне "Фрам" на Северный Полюс , Нансен наблюдал в Северном Ледовитом океане периодические изменения температуры и солености морской воды на одной и той же глубине.

Подобные волны могут возникать вблизи устьев рек, в проливах с двухслойными течениями, у кромки тающих льдов. Высота внутренних волн может в десятки раз превышать высоту волн на поверхности, но по скорости они уступают поверхностным. Эти волны несут опасность подводным лодкам , размывают портовые сооружения (волнорезы, дебаркадеры, причалы), способны рассеивать звуковые волны. Такие волны хорошо видны со спутника (на фото). Обычно они невелики, но в проливе Лусон, между Филиппинами и Тайванем, достигают 170 метров в высоту. Это объясняется особенностями водных потоков и рельефом дна.

Барические волны возникают из- за быстрой смены атмосферного давления в местах прохождения циклонов. Это одиночные волны, способные пройти сотни, а то и тысячи километров от места своего возникновения и неожиданно броситься на берег, смывая все на своем пути. Так в сентябре 1935 года барическая волна высотой девять метров обрушилась на берег Флориды и унесла 400 человеческих жизней . Образование таких волн не редкость на побережьях Индии, Китая, Японии.

Сейсмические волны возникают в результате активных процессов в недрах Земли - землетрясений, извержений подводных вулканов, образования трещин и разломов в земной коре на океаническом дне. В результате образуются специфические волны, невысокие в открытом океане и вырастающие до колоссальных размеров при приближении к берегу - цунами . Обычно предвестником появления такой аномальной волны является резкое отступление моря на несколько километров от берега. Это сигнал опасности - море вернется в виде безумствующего пенящегося чудовища, несущего смерть и разрушения. Впрочем, о a href="/tcunami">цунами на нашем сайте есть отдельная статья и мы будем рады, если Вы обратитесь к ней.

Приливные волны

В результате действия гравитационных сил на водную оболочку Земли со стороны Солнца и Луны образуются приливные волны. Эти волны чаще всего невелики, в открытом океане их высота до двух метров. У берега она возрастает. Максимальной величины высота прилива достигает на Атлантическом побережье Северной Америки - до 18 метров. В нашем Охотском море - почти 13 метров. Самое сильное воздействие наблюдается в новолуние и полнолуние, когда складываются гравитационные притяжения Солнца и Луны. В это время приливы становятся максимально высокими, а отливы - низкими.

Во внутренних морях приливная волна и вовсе незначительна, так на Балтике у Санкт- Петербурга ее высота составляет пять сантиметров. А вот в некоторых реках движение ее представляет собой замечательную картину. Например, в Амазонке (на фото), когда приливная волна движется против течения и ее высота достигает пяти метров. Это явление ощущается на расстоянии 1400 километров от устья.

Стоячие волны (сейши) появляются как результат интерференции (сложения) волн, возникающих под действием внешних сил (ветровых, барических) и волн, отраженных от уступов берега или подводных препятствий достаточной протяженности.

Сейши

Такие волны вырастают в высоту, чередуя гребень с впадиной и остаются на месте, поднимаясь и опускаясь. Их легко смоделировать в ванне, если совершать вертикальные колебательные движения на поверхности воды, например, периодически опуская в воду крышку от сливного отверстия ванны. Через некоторое время установятся правильно распределенные во времени и пространстве остроконечные валы, стоящие на одном месте. Это и есть объект наших исследований.

Сейши возникают в неожиданных местах, где, казалось бы, нет отраженных волн, так как препятствия не видны, они находятся под поверхностью воды. Они могут быть причиной гибели морских судов. В частности, такая версия существует для района таинственного и ужасного Бермудского треугольника, как одно из возможных объяснений исчезновения кораблей. Это место вообще считается сложным для судоходства в связи с различными факторами - наличие мелководных выступов, слияние нескольких морских течений с разной температурой воды, сложным рельефом дна. Здесь континентальный шельф сперва постепенно углубляется, а затем внезапно уходит на приличную глубину. Подводная топография региона оказывает влияние на образование стоячей волны . Она возникает при ясной безветренной погоде и поэтому коварна вдвойне. Современное многотонное судно, поднятое такой волной, расколется на части под действием собственной силы тяжести и исчезнет с поверхности в считанные минуты.

Морские волны - одно из завораживающих природных явлений . Их бесконечное разнообразие и вечное движение успокаивает, заряжает энергией. Недаром еще народам древних цивилизаций были известны целительные свойства талассотерапии (морелечения). Солевой состав крови человека близок к составу морской воды, эта стихия родственна нам, а в шуршании прибоя о берег чудится биение большого и доброго сердца.

Друзья! Мы потратили много сил на создание проекта. При копировании материала, пожалуйста, ставьте ссылку на оригинал!

Волны, которые мы привыкли видеть на поверхности моря, образуются главным образом под действием ветра. Однако волны могут возникать и по другим причинам, тогда они называются;

Приливные, образующиеся под действием приливообразующих сил Луны и Солнца;

Барические, возникающие при резких изменениях атмосферного давления;

Сейсмические (цунами), образующиеся в результате землетрясения или извержения вулканов;

Корабельные, возникающие при движении судна.

Ветровые волны являются преобладающими на поверхности морей и океанов. Волны приливные, сейсмические, барические и корабельные существенного влияния на плавание судов в открытом океане не оказывают, поэтому на их описании мы останавливаться не будем. Ветровое волнение - один из основных гидрометеорологических факторов, определяющих безопасность и экономическую эффективность мореплавания, так как волна, набегая на судно, обрушивается на него, раскачивает, бьет в борт, заливает палубы и надстройки, уменьшает скорость хода. Качка создает опасные крены, затрудняет определение места судна и сильно изнуряет команду. Кроме потери скорости, волнение вызывает рыскание и уклонение судна с заданного курса, и для удержания его требуется постоянная перекладка руля.

Ветровым волнением называется процесс формирования, развития и распространения вызванных ветром волн на поверхности моря. Ветровому волнению присущи две основные черты. Первая черта - нерегулярность: неупорядоченность размеров и форм волн. Одна волна не повторяет другую, за большой может следовать малая, а может и еще большая; каждая отдельная волна непрерывно меняет свою форму. Гребни волн перемещаются не только в направлении ветра, но и в других направлениях. Такая сложная структура возмущенной поверхности моря объясняется вихревым, турбулентным характером ветра, образующего волны. Вторая черта волнения заключается в быстрой изменчивости его элементов во времени и пространстве и связана также с ветром. Однако размеры волн зависят не только от скорости ветра, существенное значение имеет продолжительность его действия, площадь и конфигурация водной поверхности . С точки зрения практики нет необходимости знать элементы каждой отдельно взятой волны или каждого волнового колебания. Поэтому изучение волнения сводится в конечном итоге к выявлению статистических закономерностей, которые численно выражаются зависимостями между элементами волн и определяющими их факторами.

3.1.1. Элементы волн

Каждая волна характеризуется определенными элементами,

Общими элементами для волн являются (рис. 25):

Вершина - наивысшая точка гребня волны;

Подошва - наинизшая точка ложбины волны;

Высота (h) - превышение вершины волны;

Длина (Л)-горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн;

Период (т) - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль; другими словами, это промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине;

Крутизна (е) - отношение высоты данной волны к ее длине. Крутизна волны в различных точках волнового профиля различна. Средняя крутизна волны определяется отношением:

Рис. 25. Основные элементы волн.

Для практики важное значение имеет наибольший уклон, который приближенно равен отношению высоты волны h к ее полудлине λ/2

- скорость волны с - скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода волны;

Фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяются по множеству волновых профилей, проведенных параллельно генеральному направлению распространения волн.

Для мореплавания наибольшее значение имеют такие элементы волн, как высота, период, длина, крутизна и генеральное направление перемещения волн. Все они зависят от параметров ветрового потока (скорости и направления ветра), его протяженности (разгона) над морем и продолжительности его действия.

В зависимости от условий образования и распространения ветровые волны можно подразделить на четыре типа.

Ветровые - система волн, находящаяся в момент наблюдения под воздействием ветра, которым она вызвана. Направления распространения ветровых волн и ветра на глубокой воде обычно совпадают или же различаются не более чем на четыре румба (45°).

Ветровые волны характерны тем, что подветренный склон их круче, чем наветренный, поэтому верхушки гребней обычно заваливаются, образуя пену, или даже срываются сильным ветром. При выходе волн на мелководье и подходе их к берегу направления распространения волн и ветра могут различаться более чем на 45°.

Зыбь - вызванные ветром волны, распространяющиеся в области волнообразования после ослабления ветра и/или изменения его направления, или вызванные ветром волны, пришедшие из области волнообразования в другую область, где дует ветер с другой скоростью и/или другим направлением. Частный случай зыби, распространяющейся при отсутствии ветра носит название мертвой зыби.

Смешанные - волнение, образующееся в результате взаимодействия ветровых волн и зыби.

Трансформация ветровых волн - изменение структуры ветровых волн при изменении глубины. В этом случае форма волн искажается, они становятся круче и короче и при небольшой глубине, не превышающей высоты волны, гребни последних опрокидываются, и волны разрушаются.

По своему внешнему виду ветровые волны характеризуются разными формами.

Рябь - начальная форма развития ветрового волнения, возникающая под действием слабого ветра; гребни волн при ряби напоминают чешую.

Трехмерное волнение - совокупность волн, средняя длина гребня которых в несколько раз превышает среднюю длину волны.

Регулярное волнение - волнение, в котором форма и элементы всех волн одинаковы.

Толчея - беспорядочное волнение, возникающее вследствие взаимодействия волн, бегущих в разных направлениях.

Волны, разбивающиеся над банками, рифами или камнями, носят название бурунов. Волны, обрушивающиеся в прибрежной зоне, называются прибоем. У крутых берегов и у портовых сооружений прибой имеет форму взброса.

Волны на поверхности моря подразделяются на свободные, когда сила, вызвавшая их, прекращает действовать и волны свободно перемещаются, и вынужденные, когда действие силы, вызвавшей образование волн, не прекращается.

По изменчивости элементов волн во времени их разделяют на установившиеся, т. е, ветровое волнение, в котором статистические характеристики волн не изменяются во времени, и развивающиеся или затухающие - изменяющие свои элементы во времени.

По форме волны делятся на двухмерные - совокупность волн, средняя длина гребня которых во много раз больше средней длины волн, трехмерные - совокупность волн, средняя длина гребня которых в несколько раз превышает длину волн, и уединенные, имеющие только куполообразный гребень без подошвы.

В зависимости от отношения длины волны к глубине моря волны подразделяются на короткие, длина которых значительно меньше глубины моря, и длинные, длина которых больше глубины моря.

По характеру перемещения формы волны они бывают поступательные, у которых наблюдается видимое перемещение формы волны, и стоячие - не имеющие перемещения. По тому, как располагаются волны, их делят на поверхностные и внутренние. Внутренние волны образуются на той или иной глубине на поверхности раздела между слоями воды разной плотности.

3.1.2. Методы расчета элементов волн

При изучении морского волнения используются некоторые теоретические положения, объясняющие те или иные стороны этого явления. Общие законы строения волн и характера движения их отдельных частиц рассматриваются трохоидальной теорией волн. Согласно этой теории, отдельные частицы воды в поверхностных волнах движутся по замкнутым эллипсоидным орбитам, совершая полный оборот за время, равное периоду волны т.

Вращательное движение последовательно расположенных частиц воды, сдвинутых на фазовый угол в начальный момент движения, создает видимость поступательного движения : отдельные частицы движутся по замкнутым орбитам, в то время как профиль волны перемещается поступательно в направлении ветра. Трохоидальная теория волн позволила математически обосновать строение отдельных волн и связать между собой их элементы. Были получены формулы, позволяющие рассчитать отдельные элементы волн

где g -ускорение свободного падения, Длина волны К скорость ее распространения С и период t связаны между собой зависимостью К=Сх.

Следует отметить, что трохоидальная теория волн справедлива только для правильных двухмерных волн, которые наблюдаются в случае свободных ветровых волн - зыби. При трехмерном ветровом волнении орбитальные пути частиц не являются замкнутыми круговыми орбитами, так как под воздействием ветра возникает горизонтальный перенос вод на поверхности моря в направлении распространения волны.

Трохоидальная теория морских волн не вскрывает процесса их развития и затухания, а также механизма передачи энергии от ветра к волне. Между тем, решение именно этих вопросов необходимо с целью получения надежных зависимостей для расчета элементов ветровых волн.

Поэтому развитие теории морских волн пошло по пути разработки теоретических и эмпирических связей между ветром и волнением с учетом разнообразия реальных морских ветровых волн и нестационарности явления, т. е. с учетом их развития и затухания.

В общем виде формулы для расчета элементов ветровых волн могут быть выражены в виде функции от нескольких переменных

H, t, Л,C=f(W , D t, H),

Где W - скорость ветра; D - разгон , t - продолжительность действия ветра; Н - глубина моря.

Для мелководных районов морей для расчета высоты и длины волн можно использовать зависимости

Коэффициенты а и z переменны и зависят от глубины моря

А = 0,0151H 0,342 ; z = 0,104H 0,573 .

Для открытых районов морей элементы волн, обеспеченность высот которых составляет 5%, и средние значения длины волн рассчитываются по зависимостям:

H = 0,45 W 0,56 D 0,54 A,

Л = 0,3lW 0,66 D 0,64 A.

Коэффициент А вычисляется по формуле

Для открытых районов океана элементы волн рассчитываются по следующим формулам:

где е - крутизна волны при малых разгонах, D ПР - предельный разгон, км. Максимальную высоту штормовых волн можно рассчитать по формуле

где hmax - максимальная высота волн, м, D - длина разгона, мили.

В Государственном океанографическом институте на основании спектральной статистической теории волнения были получены графические связи между элементами волн и скоростью ветра, продолжительностью его действия и длиной разгона. Эти зависимости следует считать наиболее надежными, дающими приемлемые результаты, на основе которых в Гидрометцентре СССР (В. С. Красюк) были построены номограммы для расчета высоты волн. Номограмма (рис. 26) разделена на четыре квадранта (I-IV) и состоит из серии графиков, расположенных в определенной последовательности.

В квадранте I (отсчет ведется из нижнего правого угла) номограммы дана градусная сетка, каждое деление которой (по горизонтали) соответствует 1° меридиана на данной широте (от 70 до 20° с. ш.) для карт масштаба 1:15 000000 полярной стереографической проекции. Градусная сетка необходима для перевода расстояния между изобарами п и радиуса кривизны изобар R, измеренных на картах другого масштаба, в масштаб 1:15 000000. В этом случае мы определяем расстояние между изобарами п и радиус кривизны изобар R в градусах меридиана на данной широте. Радиус кривизны изобар R - радиус Окружности, с которой участок изобары, проходящей через точку, для которой ведется расчет, или вблизи нее имеет наибольшее соприкосновение. Определяется он с помощью измерителя путем подбора таким образом, чтобы дуга, проведенная из найденного центра, совпадала с данным участком изобары. Затем на градусной сетке откладываем измеренные величины на данной широте, выраженные в градусах меридиана, и раствором циркуля определяем радиус кривизны изобар и расстояние между изобарами, соответствующее масштабу 1:15000 000.

В квадранте II номограммы приведены кривые, выражающие зависимость скорости ветра от барического градиента и географической широты места (каждая кривая соответствует определенной широте- от 70 до 20° с. ш.). Для перехода от рассчитанного градиентного ветра к ветру, дующему вблизи поверхности моря (на высоте 10 м), была выведена поправка, учитывающая стратификацию приводного слоя атмосферы. При расчетах для холодной части года (устойчивая стратификация t w 2°С)-коэффициент 0,6.

Рис. 26. Номограмма для расчета элементов волн и скорости ветра по картам приземного поля давления, где изобары проведены с интервалом 5 мбар (а) и 8 мбар (б). 1 - зима, 2 - лето.

В квадранте III производится учет влияния кривизны изобар на скорость геострофического ветра. Кривые, соответствующие различным значениям радиуса кривизны (1, 2, 5 и т. д.), даны сплошными (зима) и штриховыми (лето) линиями. Знак оо означает, что изобары прямолинейны. Обычно при радиусе кривизны, превышающей 15°, учета кривизны при расчетах не требуется. По оси абсцисс, разделяющей кйадранты III и IV, определяется скорость ветра W для данной точки.

В квадранте IV расположены кривые, позволяющие по скорости ветра, разгону или продолжительности действия ветра определять высоту так называемых значительных волн (h 3H), имеющих обеспеченность 12,5%.

Если имеется возможность при определении высоты волн использовать не только данные о скорости ветра, но и о разгоне и продолжительности действия ветра, расчет выполняется по разгону и продолжительности действия ветра (в часах). Для этого из квадранта III номограммы опускаем перпендикуляр не до кривой разгона, а до кривой продолжительности действия ветра (6 или 12 ч). Из полученных результатов (по разгону и продолжительности) берется меньшее значение высоты волны.

Расчет с помощью предлагаемой номограммы можно производить лишь для районов «глубокого моря», т. е. для районов, где глубина моря не меньше половины длины волны. При разгоне, превышающем 500 км, или продолжительности действия ветра больше 12 ч используется зависимость высот волн от ветра, соответствующая океанским условиям (утолщенная кривая в квадранте IV).

Таким образом, для определения высоты волн в данной точке необходимо выполнить следующие операции:

А) найти радиус кривизны изобары R, проходящий через данную точку или вблизи нее (с помощью циркуля путем подбора). Радиус кривизны изобар определяется только в случае циклонической кривизны (в циклонах и ложбинах) и выражается в градусах меридиана;

Б) определить разность давления п путем измерения расстояния между соседними изобарами в районе выбранной точки;

В) по найденным значениям R и п в зависимости от времени года находим скорость ветра W;

Г) зная скорость ветра W и разгон D или продолжительность действия ветра (6 или 12 ч), находим высоту значительных волн (h 3H).

Разгон находится следующим образом. От каждой точки, для которой ведется расчет высоты волн, в направлении против ветра проводится линия тока до тех пор, пока ее направление не изменится по отношению к начальному на угол 45° или не достигнет берега, или кромки льда. Приблизительно это и будет разгон или путь ветра, на протяжении которого должны формироваться (волны, приходящие в данную точку.

Продолжительность действия ветра определяется как время, в течение которого направление ветра неизменно или отклоняется от первоначального не более чем на ±22,5°.

По номограмме на рис. 26 а можно определить высоту волны по карте приземного поля давления, на которой изобары проведены через 5 мбар. Если изобары проведены через 8 мбар, то следует использовать номограмму, приведенную на рис. 26 б.

Период и длину волны можно рассчитать по данным о скорости ветра и высоте волны. Приближенный расчет периода волн может быть произведен по графику (рис. 27), на котором представлена зависимость между периодами и высотой ветровых волн при различных скоростях ветра (W). Длина волн определяется по ее периоду и глубине моря в данной точке по графику (рис. 28).

просмотров