Волна , также иногда называемая земной волной , в контексте океана , моря или озера , представляет собой серию механических волн , которые распространяются вдоль границы раздела между водой и воздухом под преобладающим влиянием силы тяжести, и поэтому часто называются поверхностными гравитационными волнами . Эти поверхностные гравитационные волны имеют свое происхождение как ветровые волны , но являются следствием рассеивания ветровых волн из отдаленных погодных систем , где ветер дует в течение определенного времени над водным потоком , и эти волны движутся от области источника со скоростью, которая является функцией периода и длины волны. В более общем смысле, волна состоит из волн, генерируемых ветром, которые не сильно подвержены влиянию местного ветра в это время. Волны зыби часто имеют относительно большую длину волны , так как волны с короткой длиной волны несут меньше энергии и рассеиваются быстрее, но это зависит от размера, силы и продолжительности погодной системы, ответственной за волну, и размера водоема, и меняется от события к событию, а также 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 указывается как географическое направление, либо в градусах, либо в точках компаса , например, NNW или SW зыбь, и, как и у ветров, указанное направление обычно соответствует направлению, откуда приходит зыбь. Зыбь имеет более узкий диапазон частот и направлений, чем локально генерируемые ветровые волны, поскольку она рассеялась из области своего возникновения и со временем имеет тенденцию сортироваться по скорости распространения, причем более быстрые волны сначала проходят через удаленную точку. Зыбь приобретает более определенную форму и направление и менее случайна, чем локально генерируемые ветровые волны.
Большие прибои, наблюдаемые на берегу, могут быть результатом удаленных погодных систем над океаном. Пять факторов работают вместе, чтобы определить размер ветровых волн [1] , которые станут океанской зыбью:
Волна описывается с использованием следующих измерений:
Длина волны является функцией периода и глубины воды для глубин, меньших приблизительно половины длины волны, где на движение волны влияет трение о дно.
Полностью развитое море имеет максимально возможный размер волны для ветра определенной силы и разгона. Дальнейшее воздействие этого определенного ветра приведет к потере энергии, равной поступлению энергии, дающей устойчивое состояние, из-за рассеивания энергии из-за вязкости и разрушения вершин волн в виде «белых барашек».
Волны в данной области обычно имеют диапазон высот. Для прогнозов погоды и для научного анализа статистики ветровых волн их характерная высота за временной интервал обычно выражается как значимая высота волны . Эта цифра представляет собой среднюю высоту самой высокой трети волн за данный период времени (обычно выбирается где-то в диапазоне от 20 минут до двенадцати часов) или в определенной волновой или штормовой системе. Значимая высота волны также является значением, которое «обученный наблюдатель» (например, из команды судна) оценил бы по визуальному наблюдению за состоянием моря. Учитывая изменчивость высоты волны, самые большие отдельные волны, вероятно, будут несколько меньше, чем в два раза значимая высота волны. [2]
Ветровые волны генерируются ветром. Другие виды возмущений, такие как сейсмические события, также могут вызывать гравитационные волны, но они не являются ветровыми волнами и, как правило, не приводят к зыби. Генерация ветровых волн инициируется возмущениями поля бокового ветра на поверхности воды.
При начальных условиях плоской водной поверхности ( шкала Бофорта 0 баллов) и резких поперечных ветровых потоках на поверхности воды возникновение поверхностных ветровых волн можно объяснить двумя механизмами, которые инициируются нормальными колебаниями давления турбулентных ветров и параллельными ветровыми сдвиговыми потоками.
От "колебаний ветра" : Формирование ветровых волн начинается со случайного распределения нормального давления, действующего на воду со стороны ветра. По этому механизму, предложенному О. М. Филлипсом в 1957 году, водная поверхность изначально находится в состоянии покоя, а генерация волны инициируется турбулентными потоками ветра, а затем колебаниями ветра, нормального давления, действующего на поверхность воды. Из-за этих колебаний давления возникают нормальные и касательные напряжения, которые порождают волновое поведение на поверхности воды.
Предположения этого механизма следующие:
Из "сил сдвига ветра" : В 1957 году Джон В. Майлз предложил механизм генерации поверхностных волн, который инициируется турбулентными потоками сдвига ветра, , основанный на невязком уравнении 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 - средняя турбулентная скорость ветра). Поскольку профиль ветра, , логарифмичен поверхности воды, кривизна, , имеет отрицательный знак в точке . Это соотношение показывает, что поток ветра передает свою кинетическую энергию поверхности воды на их границе, и отсюда возникает скорость волны, . Скорость роста может быть определена по кривизне ветров ( ) на высоте управления ( ) для заданной скорости ветра, .
Предположения этого механизма таковы:
Обычно эти механизмы волнообразования происходят вместе на поверхности океана, вызывая ветровые волны, которые в конечном итоге перерастают в полностью развитые волны. [5] Если предположить, что поверхность моря очень плоская (число Бофорта 0), и внезапный поток ветра устойчиво дует по ней, то физический процесс образования волн будет выглядеть следующим образом:
Длинные волны зыби развиваются из более коротких ветровых волн и черпают из них энергию. Впервые этот процесс описал Клаус Хассельман (лауреат Нобелевской премии 2021 года) после исследования нелинейных эффектов, которые наиболее выражены вблизи пиков самых высоких волн. Он показал, что посредством этих нелинейностей два волновых поезда в глубокой воде могут взаимодействовать, создавая два новых набора волн, один из которых обычно имеет большую длину волны, а другой — меньшую.
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, и зыбь оказывают значительное влияние на перенос тепла из 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 вблизи краев Гольфстрима .
Хорошее физическое описание процесса Хассельмана трудно объяснить, но нелинейные эффекты наиболее выражены вблизи пиков самых высоких волн, а короткие волны, которые часто разбиваются вблизи того же положения, можно использовать в качестве аналогии. Это происходит потому, что каждая небольшая волна разбивания дает небольшой толчок более длинной волне, о которую она разбивается. С точки зрения длинной волны, она получает небольшой толчок на каждом из своих гребней, как качели, которым дается небольшой толчок в нужное время. Также нет сопоставимого эффекта в подножии волны — термин, который имел бы 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 мелкие прибойные волны. Сортировка размеров песчинок, часто наблюдаемая на пляже, [10] [11] является похожим процессом (как и многое в жизни ).
Рассеивание энергии зыби гораздо сильнее для коротких волн, [ необходима цитата ] [ необходимо разъяснение ] поэтому зыби от далеких штормов являются только длинными волнами. Рассеивание волн с периодами более 13 секунд очень слабое, но все же значительное в масштабах Тихого океана. [12] Эти длинные зыби 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: отношение высоты зыби к длине волны. Причина такого поведения до сих пор неясна, но возможно, что это рассеивание вызвано трением на границе раздела воздух-море.
Волны часто создаются штормами в тысячах морских миль от берегов, где они разбиваются, и распространение самых длинных волн в первую очередь ограничено береговыми линиями. Например, волны, образующиеся в Индийском океане, были зарегистрированы в Калифорнии после более чем половины кругосветного путешествия. [13] Это расстояние позволяет волнам, составляющим волны, лучше сортироваться и не иметь сколов по мере их движения к побережью. Волны, образуемые штормовыми ветрами, имеют одинаковую скорость, будут группироваться и перемещаться друг с другом, [ необходима ссылка ], в то время как другие, движущиеся даже на долю метра в секунду медленнее, будут отставать, в конечном итоге прибывая на много часов позже из-за пройденного расстояния. Время распространения от источника t пропорционально расстоянию X, деленному на период волны T. В глубокой воде это где g — ускорение свободного падения. Для шторма, расположенного на расстоянии 10 000 км, волны с периодом T = 15 с придут через 10 дней после шторма, за которыми через 17 часов последуют волны длительностью 14 с и т. д.
Распределенное поступление волн, начиная с самого длительного периода, с уменьшением пикового периода волны с течением времени, можно использовать для расчета расстояния, на котором образовались волны.
В то время как состояние моря во время шторма имеет спектр частот с более или менее одинаковой формой (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 менее, по мере того, как волны расходятся все дальше и дальше. В результате группы волн (называемые серферами наборами) могут иметь большое количество волн. От примерно семи волн на группу во время шторма это число возрастает до 20 и более в волнах от очень далеких штормов. [ необходима цитата ]
Как и для всех волн на воде, поток энергии пропорционален квадрату значимой высоты волны, умноженной на групповую скорость . В глубокой воде эта групповая скорость пропорциональна периоду волны. Следовательно, волны с более длинными периодами могут переносить больше энергии, чем более короткие ветровые волны. Кроме того, амплитуда инфрагравитационных волн резко увеличивается с периодом волны (приблизительно пропорционально квадрату периода), что приводит к более высокому накату .
Поскольку волны зыби обычно имеют большую длину волны (и, следовательно, более глубокую базу волны), они начинают процесс рефракции (см. волны на воде ) на большем расстоянии от берега (в более глубокой воде), чем локально генерируемые волны. [14]
Поскольку волны, генерируемые зыбью, смешиваются 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 сигнала , зыбь можно рассматривать как довольно регулярный (хотя и не непрерывный) волновой сигнал, существующий среди сильного шума (т. е. обычных волн и зыби ).
Микронезийские мореплаватели использовали волны для поддержания курса, когда не было других подсказок, например, в туманные ночи. [15]
