В результате действия сил на спокойную морскую поверхность вязкость среды создает волновые колебания (Рис. 5.4), которые значительно отличаются друг от друга, как по причинам возникновения, так и по характеру проявления.
Следует различать скорость движения волны и орбитальную скорость движения частиц воды.
- Высотой волн Н является вертикальное расстояние между ложбиной волны и ее гребнем.
- Период волны Т - промежуток времени между прохождением двух гребней волн через неподвижную точку.
- Длина волны L – расстояние между двумя гребнями волн в направлении их распространения.
- Скорость распространения отдельной волны c = L/T.
- Крутизна волны Δ= Н/L.
Классификация волн зависит от характерных признаков, которые принимают за основу классификации. Если в основе классификации лежит скорость распространения волн, то их разделяют на поступательные и стоячие. Если в качестве основного признака выбран вид колебаний, говорят о свободных и вынужденных волнах. Если рассматривать морские волны с точки зрения периода, можно получить широкий спектр периодов, начиная от долей секунды до нескольких лет. Если исходить из отношения длины волны к глубине моря, получается деление на поверхностные и длинные волны.
Ниже приводятся определения волновых характеристик.
- Волновой профиль — линия сечения взволнованной поверхности моря вертикальной плоскостью в направлении распространения волны. Линия, пересекающая волновой профиль так, что суммарные площади выше и ниже нее одинаковы, называется средним волновым уровнем профиля.
- Гребень волны — часть волны, расположенная выше среднего волнового уровня.
- Ложбина волны — часть, расположенная ниже среднего уровня.
- Вершина волны — наивысшая точка гребня, подошва волны — наинизшая точка ложбины.
- Фронт волны — линия, проходящая вдоль ее гребня. Длина гребня волны — протяженность гребня по фронту.
- Скорость волны с — расстояние по горизонтали, проходимое любой точкой волны в единицу времени.
- Возраст волны — отношение скорости волны к скорости ветра.
- Высота волны — расстояние по вертикали от ее вершины до подошвы смежной волны на волновом профиле.
- Длина волны λ — расстояние по горизонтали между вершинами смежных гребней.
- Крутизна волны — отношение высоты волны к ее длине.
- Период волны τ —промежуток времени между прохождением через одну и ту же точку пространства двух последовательных гребней (или подошв) волны.
Элементы волн существенно зависят от глубины моря. Для мелководных районов расчет высоты и длины волн, м, рекомендуется выполнять по формулам:
В поступательной волне все частицы воды, находящиеся на одинаковой глубине, описывают в течение периода волны одинаковые орбитальные пути (Рис. 5.6).
При стоячих волнах движение происходит иначе: все частицы воды описывают различные орбитальные пути, но фазы их движения одинаковы. Гребень и ложбина стоячей волны в горизонтальном направлении не перемещаются, а движение частиц в вертикальном направлении за период волны достигают своего максимума, образуя пучность колебания. Частицы, расположенные в середине между гребнем и ложбиной, не совершают вертикального движения, перемещаются только горизонтально; здесь расположен узел колебания.
Свободные и вынужденные волны различаются тем, что периоды вынужденной волны согласуются с периодов волнообразующей силы, а периоды свободных волн зависят от размеров приведенной в движении водной массы и от трения.
Существенное различие между поверхностными и длинными волнами заключается в скорости их распространения. Скорость поверхностных волн зависит от длины волны, но не зависит от глубины моря, у длинных волн, наоборот, длина определяется глубиной моря.
У поверхностных волн длина волны меньше глубины моря. Поэтому они иногда называются «короткими» волнами, или волнами глубокого моря. Длинные волны, длина которых превышают глубину моря, называются длинными волнами или волнами мелководья.
В процессе перемещения с глубины на мелководье волны могут переходить из одного типа классификации в другой.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ
Если глубина моря превышает половину длины волны, эллиптические орбитальные пути переходят в круговые, по которым частицы пробегают в течение времени-
Т = 2π/σ = L/c , т.е. за то самое время, в течение которого волна перемещается на расстояние своей длины (где σ – частота колебаний). Радиус такого круга от поверхности убывает до глубины половины длины волны. Подобно радиусам орбитальных путей, скорости частиц воды также очень быстро убывают с глубиной (Рис. 5.7). Таким образом, движение поверхностных волн ограничивается только тонким поверхностным слоем.
При длине волны L = 1.72 см, влияние силы тяжести и поверхностного натяжения на скорость распространения одинаково. При такой длине волны скорость достигает своего абсолютного минимума - с = 23.1 см/с.
При длине волны меньше 1.72 см основное значение начинает приобретать поверхностное натяжение или капиллярность, такие волны называются капиллярными. Они не перемещаются (стоящие волны).
При больших длинах волн решающим является влияние силы тяжести, поэтому эти волны называются гравитационными.
Для гравитационных волн при глубине моря больше половины длины волны с = 1.25× √L м/с.
Если глубина моря мала по сравнению с длиной волны с = √g×h , где h – глубина моря.
Это принципиальное различие в скорости распространения волн положено в основу указанного выше разделения на поверхностные и длинные волны.
К поверхностным волнам относятся ветровые волны (Рис. 5.8), параметры которых представлены в таблице 5.1.
«ВОЛНЫ-УБИЙЦЫ»
Термин «волна-убийца» и его аналоги в других языках (англ. «rogue wave» – волна-разбойник, «freak-wave» – волна-придурок, отморозок; фр. «onde scelerate» – волна-злодейка, «galejade» – дурная шутка, розыгрыш) дают хорошее представление о существенных чертах этого природного явления, передают чувство ужаса и обречённости при встрече с такой волной в океане.
Волны-убийцы часто определяются как волны, высота которых более чем в два раза превышает значимую высоту волн (среднюю высоту одной трети самых высоких волн). Приведенное определение относится скорее к волнам аномально большой амплитуды (по сравнению со средней). Настоящие «волны-убийцы», представляющие опасность для судов и морских сооружений, имеют большие абсолютные высоты.
Волны-убийцы выделяются на радиолокационных снимках по аномально высокой яркости изображения, по которому при особых методах обработки может быть восстановлен профиль волны.
Эксперты выделяют «классические аномальные» волны, т.е. волны больших амплитуд, которые могут быть предсказаны в рамках теории однородных квазистационарных случайных процессов и собственно «волны-убийцы», появление которых не описывается существующими теориями случайных процессов.
Важное обстоятельство, которое позволяет выделить феномен «волн-убийц» в отдельную научную и практическую тему и, таким образом, отделить от других явлений, связанных с волнами аномально большой амплитуды (например, цунами) – появление «волн-убийц» «из ниоткуда».
В отличие от цунами, возникающих в результате подводных землетрясений и оползней, появление «волн-убийц» не связано с катастрофическими геофизическими событиями. Эти волны могут появляться при малых ветрах и относительно слабом волнении, что приводит к идее о том, что само явление «волн-убийц» связано с особенностями динамики самих морских волн и их трансформации при распространении в океане.
ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ
Длина таких волн во много раз может превосходить наибольшие глубины океана, скорость их распространения зависит только от глубины. Амплитуды орбитальных путей частиц воды в вертикальном направлении малы по сравнению с амплитудами в горизонтальном направлении. Все частицы, независимо от глубины их нахождения обладают одной и той же горизонтальной скоростью.
Скорость распространения свободной длинной волны имеет максимум в гребне волны в направлении ее распространения и в ложбине волны в противоположном направлении. На уровне середины волны скорость равна нулю.
Свободные длинные волны зарождаются в районе ураганов вследствие быстрых изменений атмосферного давления, а также воздействия на водную поверхность ураганных ветров. Эти волны опережают ветровые волны и волны зыби. Длинные волны образуются и при сейсмических возмущениях дна.
Непосредственно в море длинные волны изучать крайне сложно, поэтому их наблюдение и исследование организуется на островах и выступающих в море участках побережья. Для изучения распространения свободных длинных волн используют цунами, скорость распространения которых составляет 700-800 км/час, а высота – до 35 м.
ЦУНАМИ – это особый класс поверхностных гравитационных волн, распространяющихся в океане на большие расстояния от места своего возникновения. Дословный перевод слова «цунами» с японского означает «большая волна в гавани». Опасность, таким образом, грозит не судам в открытом океане, а прибрежным районам суши, в первую очередь портовым сооружениям, прибрежным населённым пунктам и промышленным объектам, а также судам у причала (Рис. 5.11).
Среди причин образования цунами в океане выделяют: подводные землетрясения (свыше 82% всех случаев), извержения вулканов, подводные и надводные оползни и обвалы, резкие флуктуации атмосферного давления, падение метеорита или астероида в океан.
В глубоком океане высота волн цунами не превышает десятка сантиметров, на шельфе волны замедляются, укорачиваются, высота их увеличивается, а в прибойной зоне их высота может достигать десятков метров Прогнозировать с достаточной точностью высоту цунами у берега современная наука пока ещё не в состоянии.
Традиционные методы предупреждения цунами основаны на сейсмической информации, получаемой сразу после землетрясения, и на расчетах времени прихода волны и её высоты. Однако эффективность этих методов снижается из-за отсутствия данных о параметрах цунами в открытом океане, что повышает уровень ложных тревог.
Космические системы дистанционного зондирования Земли в радиодиапазоне позволяют обеспечить глобальный мониторинг поверхности океана вне зависимости от состояния атмосферы и времени суток с помощью радиоальтиметра (Рис.5.12).
Распространяющаяся длинная волна, встречающая вертикальную стенку, полностью отражается. Отраженная, или обратная волна распространяющаяся в противоположном направлении накладывается на прямые волны и образует стоячие волны. В стоячих волнах наибольшие горизонтальные скорости частиц воды наблюдаются в узлах. Одноузловую волну называют сейша. Ее период зависит от формы бассейна и называется собственным или свободным колебанием системы. Сейши являются результатом резонансных явлений в водоёме при интерференции волн, отражённых от границ водоёма. Сейши характеризуются большим периодом (от нескольких минут до десятков часов) и большой амплитудой (от единиц миллиметров до нескольких метров).
Многоузловые стоячие волны создают в бухтах и портах явление тягун (Рис. 5.13).
При открытой бухте узловая линия обычно располагается в устье бухты. Период собственного колебания для бухты вдвое больше периода замкнутого бассейна одинаковой длины и глубины.
Период основного колебания Женевского озера – 73 мин. при длине 70 км и средней глубине 160 м.
Высокие одноузловые сейши наблюдаются в Балтийском море, что приводит к наводнениям в С.-Петербурге. Период основного колебания составляет здесь от 26.75 до 28.25 часа и колебательная система здесь не всегда одна. Такое колебательное движение водных масс наступает после прекращения ветра при вызванном ветром подпоре воды в конце бухты.
ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ
Внутренние волны – довольно распространённое явление, обычно встречающееся в устойчиво стратифицированных (по плотности) водах океанов, морей и крупных пресноводных озёр (например, в Ладожском озере).
Наиболее часто внутренние волны возбуждаются приливом около границы материкового склона, однако могут быть генерированы течением при обтекании неоднородностей дна, анемобарическими силами, воздействующими на стратифицированные водные массы (например, перемещающейся барической системой, создающей резкие колебания давления).
Описана генерация внутренних волн интрузией мощного течения, нагонами, крупными ветровыми волнами, сдвиговой неустойчивостью течений.
Высота океанских внутренних волн обычно значительно больше, чем высота типичных волн на поверхности океана. Внутренние волны в океане как правило имеют высоту 5-20 м, но иногда они достигают и больших размеров.
Различают высокочастотные и низкочастотные внутренние волны, причём на морской поверхности отображаются только высокочастотные. Они имеют периоды от нескольких минут до нескольких часов, длины этих волн – от нескольких метров до нескольких километров, фазовая скорость высокочастотных волн – несколько десятков см/с.
Внутренние волны распространяются группами (цугами) и имеют сложную структуру; каждый цуг включает до нескольких десятков волн.
Внутренние волны создают у поверхности моря поле течений, дивергентные и конвергентные компоненты которых модулируют гравитационно-капиллярные волны и создают на морской поверхности, и соответственно на радиолокационном изображении, картину в виде квазипараллельных чередующихся (периодических) светлых (взволнованная поверхность – сулои) и тёмных (выглаженная поверхность – слики) полос (Рис. 5. 14).
Из средств дистанционного зондирования Земли наиболее эффективными для обнаружения и исследования внутренних волн оказались самолётные и космические радиолокационные станции бокового обзора.
Литература
Гидрометеорологическое обеспечение судовождения - Панов Б.Н. [2020]
