Подводное течение (волны на воде)

Возвратный поток под (прибрежными) волнами воды.

Эскиз подводного течения (ниже впадин волн) и направленного к берегу волнового переноса массы (выше впадин) в вертикальном сечении через (часть) зоны прибоя. Эскиз из: Buhr Hansen & Svendsen (1984); MWS = средняя поверхность воды.

В физической океанографии подводное течение — это подводное течение , которое движется от берега, пока волны приближаются к берегу. Подводное течение — это естественная и универсальная особенность почти для любого большого водоема ; это возвратный поток, компенсирующий направленный на берег средний перенос воды волнами в зоне над волновыми ложбинами . Скорости течения подводного течения обычно самые сильные в зоне прибоя , где вода мелкая, а волны высокие из-за обмеления . ^[1]

В обиходе слово «отлив» часто неправильно применяется к отливным течениям . ^[2] Отливные течения возникают везде под приближающимися к берегу волнами, тогда как отливные течения представляют собой узкие локальные течения, возникающие в определенных местах вдоль побережья. ^[3]

Океанография

«Отлив» — это устойчивый, направленный в сторону моря компенсационный поток, который возникает под волнами вблизи берега. Физически, вблизи берега, вызванный волной поток массы между гребнем волны и впадиной направлен к берегу. Этот перенос массы локализован в верхней части водной толщи , т. е. над впадинами волн . Чтобы компенсировать количество воды, транспортируемой к берегу, в нижней части водной толщи происходит среднее течение второго порядка (т. е. пропорциональное квадрату высоты волны ), направленное в сторону моря. Этот поток — отлив — влияет на прибрежные волны повсюду, в отличие от обратных течений, локализованных в определенных местах вдоль берега. ^[4]

Термин «подводное течение» используется в научных работах по прибрежной океанографии. ^{[5] [6] [7]} Распределение скоростей потока в подводном течении по толще воды важно, поскольку оно сильно влияет на перемещение осадков на берег или в море . За пределами зоны прибоя наблюдается направленный на берег перенос осадков вблизи дна, вызванный дрейфом Стокса и асимметрично-перекошенным волновым переносом. В зоне прибоя сильный подводное течение создает направленный на берег перенос осадков вблизи дна. Эти антагонистические потоки могут привести к образованию песчаной отмели , где потоки сходятся вблизи точки разрушения волны или в зоне разрушения волны. ^{[5] [6] [7] [8]}

Векторы средней скорости потока в подводном течении под падающими волнами , измеренные в лабораторном волновом лотке – Okayasu, Shibayama & Mimura (1986). Ниже волнового ложа средние скорости направлены от берега. Уклон пляжа составляет 1:20; обратите внимание, что вертикальный масштаб искажен относительно горизонтального масштаба.

Поток массы в сторону моря

Точное соотношение для потока массы нелинейной периодической волны на слое невязкой жидкости было установлено Леви-Чивитой в 1924 году. ^[9] В системе отсчета, соответствующей первому определению скорости волны Стоксом , поток массы волны связан с плотностью кинетической энергии волны (интегрированной по глубине и затем усредненной по длине волны ) и фазовой скоростью посредством: ${\displaystyle M_{w}}$ ${\displaystyle E_{k}}$ ${\displaystyle c}$

${\displaystyle M_{w}={\frac {2E_{k}}{c}}.}$

Аналогичным образом, Лонге Хиггинс показал в 1975 году, что для обычной ситуации нулевого потока массы по направлению к берегу (т.е. второго определения скорости волны по Стоксу ) нормально падающие периодические волны создают усредненную по глубине и времени скорость подводного течения: ^[10]

${\displaystyle {\bar {u}}=-{\frac {2E_{k}}{\rho ch}},}$

со средней глубиной воды и плотностью жидкости . Положительное направление потока совпадает с направлением распространения волны. ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle {\bar {u}}}$

Для волн малой амплитуды имеет место равнораспределение кинетической ( ) и потенциальной энергии ( ): ${\displaystyle E_{k}}$ ${\displaystyle E_{p}}$

${\displaystyle E_{w}=E_{k}+E_{p}\approx 2E_{k}\approx 2E_{p},}$

с полной плотностью энергии волны, интегрированной по глубине и усредненной по горизонтальному пространству. Поскольку в общем случае потенциальную энергию измерить гораздо проще, чем кинетическую, энергия волны приблизительно равна (с высотой волны ) . Так что ${\displaystyle E_{w}}$ ${\displaystyle E_{p}}$ ${\displaystyle {E_{w}\approx {\tfrac {1}{8}}\rho gH^{2}}}$ ${\displaystyle H}$

${\displaystyle {\bar {u}}\approx -{\frac {1}{8}}{\frac {gH^{2}}{ch}}.}$

Для нерегулярных волн требуемая высота волны равна среднеквадратичной высоте волны со стандартным отклонением возвышения свободной поверхности. ^[11] Потенциальная энергия равна и ${\displaystyle H_{\text{rms}}\approx {\sqrt {8}}\;\sigma ,}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle E_{p}={\tfrac {1}{2}}\rho g\sigma ^{2}}$ ${\displaystyle E_{w}\approx \rho g\sigma ^{2}.}$

Распределение скорости подводного течения по глубине воды является темой текущих исследований. ^{[5] [6] [7]}

Путаница с обратными течениями

В отличие от подводного течения, отбойные течения являются причиной большинства случаев утопления вблизи пляжей. Когда пловец попадает в отбойное течение, оно начинает уносить его от берега. Пловец может выйти из отбойного течения, плывя под прямым углом к ​​течению, параллельно берегу или просто держась на воде или плывя, пока отбойное течение не освободит его. Однако утопление может произойти, когда пловцы истощают себя, безуспешно пытаясь плыть прямо против течения отбоя.

На сайте Ассоциации спасателей США отмечается, что некоторые случаи использования слова «подводное течение» некорректны:

Отбойное течение — это горизонтальное течение. Отбойные течения не тянут людей под воду — они уносят людей от берега. Смерть от утопления происходит, когда люди, вытащенные из берега, не могут удержаться на плаву и доплыть до берега. Это может быть вызвано любой комбинацией страха, паники, истощения или отсутствия навыков плавания. В некоторых регионах отбойные течения называют другими, неправильными терминами, такими как «отбойные приливы» и «подводное течение». Мы призываем использовать только правильный термин — отбойные течения. Использование других терминов может сбить людей с толку и негативно повлиять на усилия по просвещению общественности. ^[2]

Смотрите также

• Портал Океанов

• Вдольбереговое течение  – Прибрежное течение, идущее параллельно береговой линии.

Ссылки

Примечания

1. Свендсен, IA (1984). «Массовый поток и подводное течение в зоне прибоя». Coastal Engineering Journal . 8 (4): 347–365. doi :10.1016/0378-3839(84)90030-9.
2. United States Lifesaving Association Rip Current Survival Guide, United States Lifesaving Association , архивировано из оригинала 2014-01-02 , извлечено 2014-01-02
3. MacMahan, JH; Thornton, EB; Reniers, AJHM (2006). «Обзор отбойного течения». Coastal Engineering Journal . 53 (2): 191–208. doi :10.1016/j.coastaleng.2005.10.009. hdl : 10945/45734 . S2CID  14128900.
4. Lentz, SJ; Fewings, M.; Howd, P.; Fredericks, J.; Hathaway, K. (2008), «Наблюдения и модель подводного течения над внутренним континентальным шельфом», Журнал физической океанографии , 38 (11): 2341–2357, Bibcode : 2008JPO....38.2341L, doi : 10.1175/2008JPO3986.1, hdl : 1912/4067
5. Гарсес Фариа, AF; Торнтон, Э.Б.; Липпман, ТК; Стэнтон, Т.П. (2000), «Отлив над загражденным пляжем», Журнал геофизических исследований , 105 (C7): 16, 999–17, 010, Бибкод : 2000JGR...10516999F, doi : 10.1029/2000JC900084
6. Haines, JW; Sallenger Jr., AH (1994), "Вертикальная структура средних поперечных течений вдоль берега через зону прибоя с перемычками", Journal of Geophysical Research , 99 (C7): 14, 223–14, 242, Bibcode : 1994JGR....9914223H, doi : 10.1029/94JC00427
7. Reniers, AJHM; Thornton, EB; Stanton, TP; Roelvink, JA (2004), "Вертикальная структура потока во время урагана Sandy Duck: наблюдения и моделирование", Coastal Engineering , 51 (3): 237–260, doi :10.1016/j.coastaleng.2004.02.001
8. Лонге-Хиггинс, М.С. (1983), «Формирование волн, просачивание и подводное течение в зоне прибоя», Труды Королевского общества Лондона A , 390 (1799): 283–291, Bibcode : 1983RSPSA.390..283L, doi : 10.1098/rspa.1983.0132, S2CID  109502295
9. Леви-Чивита, Т. (1924), Questioni di meccanica classica e relativista, Болонья: Н. Заничелли, OCLC  441220095, заархивировано из оригинала 15 июня 2015 г.
10. Лонге-Хиггинс, М.С. (1975), «Интегральные свойства периодических гравитационных волн конечной амплитуды», Труды Лондонского королевского общества A , 342 (1629): 157–174, Bibcode : 1975RSPSA.342..157L, doi : 10.1098/rspa.1975.0018, S2CID  123723040
11. Battjes, JA ; Stive, MJF (1985), «Калибровка и проверка модели диссипации для случайных прибойных волн», Journal of Geophysical Research , 90 (C5): 9159–9167, Bibcode : 1985JGR....90.9159B, doi : 10.1029/JC090iC05p09159

Другой

• Бур Хансен, Дж.; Свендсен, И.А. (1984), «Теоретическое и экспериментальное исследование подводного течения», в Эдже, Б.Л. (ред.), Труды 19-й Международной конференции по прибрежной инженерии, Хьюстон: ASCE, стр. 2246–2262
• Окаясу, А.; Сибаяма, Т.; Мимура, Н. (1986), «Поле скорости при падающих волнах», в Эдже, Б. Л. (ред.), Труды 20-й Международной конференции по прибрежной инженерии, т. 1, Тайбэй: ASCE, стр. 660–674

Внешние ссылки

• Татьяна Моралес (2004-05-27), Берегитесь отливов, CBS News , получено 2015-06-24