Волна , также иногда называемая наземной волной в контексте океана , моря или озера , представляет собой серию механических волн , которые распространяются вдоль границы раздела воды и воздуха под преобладающим влиянием силы тяжести, и поэтому их часто называют как поверхностные гравитационные волны . Эти поверхностные гравитационные волны возникают как ветровые волны , но являются следствием рассеяния ветровых волн от отдаленных погодных систем , где ветер в течение определенного времени дует над потоком воды, и эти волны движутся из области источника со скоростью которые являются функцией периода и длины волны. В более общем смысле, зыбь состоит из ветровых волн, на которые в это время местный ветер не сильно влияет. Волны зыби часто имеют относительно большую длину волны , поскольку коротковолновые волны несут меньше энергии и быстрее рассеиваются , но это зависит от размера, силы и продолжительности погодной системы, ответственной за зыбь, и размера водоема, и варьируется от события к событию и от одного и того же события с течением времени. Иногда в результате самых сильных штормов возникают волны длиной более 700 м.
Направление зыби — это направление, откуда движется зыбь. Оно задается в виде географического направления либо в градусах, либо в точках компаса , например, северо-северо-западная или юго-западная волна, и, как и в случае с ветрами, указанное направление обычно является направлением, откуда исходит волна. Волны имеют более узкий диапазон частот и направлений, чем ветровые волны, генерируемые локально, поскольку они рассеялись из области своего образования и со временем имеют тенденцию сортироваться по скорости распространения, при этом более быстрые волны первыми проходят отдаленную точку. Волны принимают более определенную форму и направление и менее случайны, чем локально создаваемые ветровые волны.
Большие буруны, наблюдаемые на берегу, могут быть результатом действия удаленных погодных систем над океаном. Пять факторов работают вместе, чтобы определить размер ветровых волн [1] , которые станут океанскими волнами:
Волна описывается с использованием следующих размерностей:
Длина волны является функцией периода и глубины воды на глубинах менее половины длины волны, где на движение волны влияет трение о дно.
Полностью развитое море имеет максимальный размер волн, теоретически возможный для ветра определенной силы и скорости. Дальнейшее воздействие этого конкретного ветра приведет к потере энергии, равной входной энергии, обеспечивающей устойчивое состояние, из-за рассеяния энергии из-за вязкости и разрушения вершин волн в виде «белых шапок».
Волны в данной области обычно имеют разную высоту. Для сводок погоды и научного анализа статистики ветровых волн их характерная высота за определенный интервал времени обычно выражается как значительная высота волны . Эта цифра представляет собой среднюю высоту самой высокой трети волн за данный период времени (обычно выбираемый где-то в диапазоне от 20 минут до двенадцати часов) или в конкретной волновой или штормовой системе. Значительная высота волны также является величиной, которую «тренированный наблюдатель» (например, из команды корабля) мог бы оценить на основе визуального наблюдения за состоянием моря. Учитывая изменчивость высоты волн, высота самых крупных отдельных волн, вероятно, будет несколько меньше, чем вдвое превышающая значительную высоту волн. [2]
Ветровые волны создаются ветром. Другие виды возмущений, такие как сейсмические явления, также могут вызывать гравитационные волны, но они не являются ветровыми волнами и обычно не приводят к зыби. Генерация ветровых волн инициируется возмущениями поля бокового ветра на поверхности воды.
Для начальных условий ровной водной поверхности ( шкала Бофорта 0) и резких боковых ветровых потоков на поверхности воды возникновение поверхностного ветрового волнения можно объяснить двумя механизмами, инициируемыми нормальными колебаниями давления турбулентных ветров и параллельным ветром. сдвиговые потоки.
Из «колебаний ветра» : Образование ветровых волн начинается за счет случайного распределения нормального давления, действующего на воду со стороны ветра. По этому механизму, предложенному О. М. Филлипсом в 1957 г., водная поверхность вначале находится в состоянии покоя, а генерация волны инициируется турбулентными ветровыми потоками, а затем колебаниями ветра, нормального давления, действующего на водную поверхность. Из-за этого колебания давления возникают нормальные и касательные напряжения, которые порождают волновое поведение на поверхности воды.
Предположения этого механизма заключаются в следующем:
Из «сил сдвига ветра» : В 1957 году Джон В. Майлз предложил механизм генерации поверхностных волн, который инициируется турбулентными потоками сдвига ветра, на основе невязкого уравнения Орра-Зоммерфельда . Он обнаружил, что передача энергии от ветра к поверхности воды в виде скорости волны, , пропорциональна кривизне профиля скорости ветра, , в точке, где средняя скорость ветра равна скорости волны ( , где - среднее значение турбулентная скорость ветра). Поскольку профиль ветра , логарифмичен поверхности воды, кривизна , имеет отрицательный знак в точке . Это соотношение показывает, что ветровой поток передает свою кинетическую энергию поверхности воды на их границе, в результате чего возникает скорость волны . Скорость роста можно определить по кривизне ветра ( ) на высоте поворота ( ) для заданной скорости ветра .
Предположения этого механизма таковы:
Как правило, эти механизмы формирования волн происходят одновременно на поверхности океана, вызывая ветровые волны, которые в конечном итоге перерастают в полностью развитые волны. [5] Если предположить, что морская поверхность очень плоская (число Бофорта 0), и внезапный поток ветра постоянно дует по ней, процесс генерации физических волн будет таким:
Длинные зыби возникают из более коротких ветровых волн и забирают у них энергию. Впервые процесс описал Клаус Хассельманн (лауреат Нобелевской премии 2021 года) после исследования нелинейных эффектов, которые наиболее выражены вблизи пиков самых высоких волн. Он показал, что благодаря этим нелинейностям два ряда волн на глубокой воде могут взаимодействовать, генерируя два новых набора волн: один обычно с большей длиной, а другой с более короткой длиной.
Уравнение, которое Хассельманн [8] разработал для описания этого процесса, теперь используется в моделях состояния моря (например, Wavewatch III [9] ), используемых всеми основными центрами прогнозирования погоды и климата. Это связано с тем, что и ветер на море, и зыбь оказывают существенное влияние на передачу тепла от океана в атмосферу. Это влияет как на крупномасштабные климатические системы, такие как Эль-Ниньо , так и на системы меньшего масштаба, такие как атмосферные депрессии, которые развиваются у берегов Гольфстрима .
Хорошее физическое описание процесса Хассельмана трудно объяснить, но нелинейные эффекты максимальны вблизи пиков самых высоких волн, а короткие волны, которые часто ломаются вблизи одного и того же положения, можно использовать в качестве аналогии. Это происходит потому, что каждая маленькая прибойная волна дает небольшой толчок более длинной волне, на которой она разбивается. С точки зрения длинной волны, она получает небольшой толчок на каждом из своих гребней, точно так же, как качели получают небольшой толчок в нужный момент. Также нет сопоставимого эффекта во впадине волны – термин, который имеет тенденцию уменьшать размер длинной волны.
С точки зрения физика этот эффект представляет особый интерес, поскольку он показывает, как то, что начинается как случайное волновое поле, может генерировать порядок длинной цепочки волн зыби за счет потерь энергии и увеличения беспорядка, влияющего на все небольшие прибойные волны. Сортировка песчинок по размеру, которую часто можно увидеть на пляже, [10] [11] представляет собой аналогичный процесс (как и большая часть жизни ).
Рассеяние энергии волн гораздо сильнее для коротких волн, [ нужна цитация ] [ нужны разъяснения ] , поэтому волны от далеких штормов представляют собой только длинные волны. Диссипация волн с периодами более 13 секунд очень слаба, но все же значительна в масштабах Тихого океана. [12] Эти длинные волны теряют половину своей энергии на расстоянии, которое варьируется от более 20 000 км (половина расстояния вокруг земного шара) до чуть более 2 000 км. Было обнаружено, что это изменение является систематической функцией крутизны зыби: отношения высоты зыби к длине волны. Причина такого поведения пока неясна, но возможно, что эта диссипация связана с трением на границе раздела воздух-море.
Волны часто возникают в результате штормов за тысячи морских миль от берегов, где они разбиваются, а распространение самых длинных волн в первую очередь ограничивается береговой линией. Например, волны, образовавшиеся в Индийском океане, были зафиксированы в Калифорнии после более чем половины кругосветного путешествия. [13] Такое расстояние позволяет волнам, образующим волны, лучше сортироваться и освобождаться от ударов по мере их движения к побережью. Волны, создаваемые штормовыми ветрами, имеют одинаковую скорость, группируются и перемещаются друг с другом, в то время как другие, движущиеся даже на долю метра в секунду медленнее, будут отставать и в конечном итоге прибудут на много часов позже из-за пройденного расстояния . . Время распространения от источника t пропорционально расстоянию X , делённому на период волны T. На глубокой воде это где g – ускорение свободного падения. Для шторма, расположенного на расстоянии 10 000 км, через 10 дней после шторма придут волны с периодом Т = 15 с, еще через 17 часов последуют 14-секундные волны и т.д.
Рассредоточенное появление волн, начиная с самого длительного периода, с уменьшением периода пикового волнения с течением времени, можно использовать для расчета расстояния, на котором образовались волны.
В то время как состояние моря во время шторма имеет частотный спектр более или менее одинаковой формы (т.е. четко выраженный пик с доминирующими частотами в пределах плюс-минус 7% от пика), спектры зыби становятся все более и более узкими, иногда до 2%. % или меньше, поскольку волны расходятся все дальше и дальше. В результате группы волн (серферы называют их наборами) могут иметь большое количество волн. От примерно семи волн на группу во время шторма это число возрастает до 20 и более у волн от очень далеких штормов. [ нужна цитата ]
Как и для всех волн на воде, поток энергии пропорционален квадрату значимой высоты волны, умноженному на групповую скорость . На глубокой воде эта групповая скорость пропорциональна периоду волны. Следовательно, волны с более длительными периодами могут передавать больше энергии, чем более короткие ветровые волны. Кроме того, амплитуда инфрагравитационных волн резко увеличивается с увеличением периода волны (приблизительно квадрата периода), что приводит к более высокому разбегу .
Поскольку волны зыби обычно имеют большую длину волны (и, следовательно, более глубокое основание волны), они начинают процесс преломления (см. Волны на воде ) на больших расстояниях от берега (на более глубокой воде), чем волны, генерируемые локально. [14]
Поскольку волны, создаваемые зыбью, смешаны с обычными морскими волнами, их может быть трудно обнаружить невооруженным глазом (особенно вдали от берега), если они не значительно больше обычных волн. С точки зрения анализа сигналов , выбросы можно рассматривать как достаточно регулярный (хотя и не непрерывный) волновой сигнал, существующий среди сильного шума (т. е. нормальных волн и чоп-сигналов ).
Микронезийские мореплаватели использовали волны для поддержания курса, когда других подсказок не было, например, в туманные ночи. [15]
