В гидродинамике ветровая волна , или ветровая водная волна , — это поверхностная волна , возникающая на свободной поверхности водоемов в результате обдува ветром поверхности воды. Расстояние контакта в направлении ветра известно как выборка . Волны в океане могут преодолевать тысячи километров, прежде чем достигнут суши. Размер ветровых волн на Земле варьируется от небольшой ряби до волн высотой более 30 м (100 футов), и их размер ограничивается скоростью, продолжительностью, силой ветра и глубиной воды. [1]
Система ветровых волн, непосредственно создаваемая и подвергающаяся воздействию местного ветра, называется ветровым морем . После создания ветровые волны будут двигаться по большому кругу , слегка изгибаясь влево в южном полушарии и слегка вправо в северном полушарии. После выхода за пределы зоны действия ветровые волны называются свеллами и могут распространяться на тысячи километров. Примечательным примером этого являются волны, возникающие к югу от Тасмании во время сильных ветров, которые будут распространяться через Тихий океан в южную Калифорнию, создавая идеальные условия для серфинга. Зыбь состоит из ветровых волн, на которые в это время местный ветер существенно не влияет. Они были созданы где-то еще, а иногда и раньше. [2] Ветровые волны в океане также называются поверхностными волнами океана и в основном представляют собой гравитационные волны , где гравитация является основной силой равновесия.
Ветровые волны обладают определенной долей случайности : последующие волны различаются по высоте, продолжительности и форме с ограниченной предсказуемостью. Их можно описать как случайный процесс в сочетании с физикой, управляющей их генерацией, ростом, распространением и распадом, а также управляющей взаимозависимостью между величинами потока, такими как движение поверхности воды , скорости потока и давление воды . Ключевую статистику ветровых волн (как морей, так и зыби) в развивающихся состояниях моря можно предсказать с помощью моделей ветровых волн .
Хотя волны обычно считаются водными морями Земли, углеводородные моря Титана также могут иметь ветровые волны. [3] [4] [5] Волны в водоемах могут возникать и по другим причинам, как на поверхности, так и под водой.
Подавляющее большинство крупных прибоев, замеченных на пляже, возникают из-за далеких ветров. На формирование структур течения в ветровом волнении влияют пять факторов: [6]
Все эти факторы работают вместе, чтобы определить размер водных волн и структуру потока внутри них.
Основными аспектами, связанными с распространением волн , являются:
Полностью развитое море имеет максимальный размер волн, теоретически возможный для ветра определенной силы, продолжительности и силы ветра. Дальнейшее воздействие этого специфического ветра могло вызвать лишь рассеивание энергии из-за разрушения вершин волн и образования «белых шапок». Волны в данной области обычно имеют разную высоту. Для сводок погоды и научного анализа статистики ветровых волн их характерная высота за период 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, самые большие отдельные волны, вероятно, будут несколько меньше, чем в два раза превышающие зарегистрированную значительную высоту волн в конкретный день или шторм. [7]
Волнообразование на первоначально плоской поверхности воды ветром начинается за счет случайного распределения нормального давления турбулентного ветрового потока над водой. Эти колебания давления вызывают нормальные и касательные напряжения в поверхностной воде, что приводит к возникновению волн. В целях теоретического анализа обычно предполагается, что: [8]
Второй механизм включает в себя силы сдвига ветра на поверхности воды. Джон В. Майлз в 1957 году предложил механизм генерации поверхностных волн, который инициируется турбулентными сдвиговыми потоками ветра, на основе невязкого уравнения Орра-Зоммерфельда. Он обнаружил, что передача энергии от ветра к поверхности воды пропорциональна кривизне профиля скорости. ветра в точке, где средняя скорость ветра равна скорости волны. Поскольку профиль скорости ветра логарифмичен относительно водной поверхности, кривизна в этой точке имеет отрицательный знак. Это соотношение показывает, что ветровой поток передает свою кинетическую энергию поверхности воды на их границе.
Предположения:
Как правило, эти механизмы формирования волн происходят одновременно на поверхности воды и в конечном итоге образуют полностью развитые волны.
Например, [10] если мы предположим, что морская поверхность плоская (состояние Бофорта 0), и внезапный поток ветра постоянно дует по морской поверхности, процесс генерации физических волн следует последовательности:
С течением времени развиваются три различных типа ветровых волн:
Рябь появляется на гладкой воде, когда дует ветер, но быстро исчезает, если ветер прекращается. Восстанавливающей силой, которая позволяет им распространяться, является поверхностное натяжение . Морские волны — это крупномасштабные, часто нерегулярные движения, которые образуются при устойчивом ветре. Эти волны имеют тенденцию длиться гораздо дольше, даже после того, как ветер утих, а восстанавливающей силой, которая позволяет им распространяться, является гравитация. По мере того как волны распространяются от места своего происхождения, они естественным образом разделяются на группы общего направления и длины волны. Наборы волн, образующиеся таким образом, известны как зыби. Тихий океан простирается на 19 800 км от Индонезии до побережья Колумбии , и, исходя из средней длины волны 76,5 м, на этой ширине будет около 258 824 волн.
Отдельные « волны-убийцы » (также называемые «волнами-убийцами», «волнами-монстрами», «волнами-убийцами» и «королевскими волнами») могут возникать намного выше, чем другие волны в состоянии моря . В случае волны Драупнера ее высота 25 м (82 фута) в 2,2 раза превышала значительную высоту волны . Такие волны отличаются от приливов , вызванных гравитационным притяжением Луны и Солнца , цунами , вызванных подводными землетрясениями или оползнями , а также волн, возникающих в результате подводных взрывов или падения метеоритов — все они имеют гораздо более длинные длины волн , чем ветровые волны.
Самые большие когда-либо зарегистрированные ветровые волны — это не волны-убийцы, а стандартные волны в экстремальных состояниях моря. Например, волны высотой 29,1 м (95 футов) были зафиксированы судном RRS Discovery в море со значительной высотой волн 18,5 м (61 фут), поэтому самая высокая волна всего в 1,6 раза превышала значительную высоту волны. [13] Самый большой буй, зафиксированный буем (по состоянию на 2011 год), имел высоту 32,3 м (106 футов) во время тайфуна «Кроса» 2007 года недалеко от Тайваня. [14]
Океанские волны можно классифицировать по: возмущающей силе, которая их создает; степень, в которой возмущающая сила продолжает воздействовать на них после формирования; степень, в которой восстанавливающая сила ослабляет или сглаживает их; и их длина волны или период. Сейсмические морские волны имеют период около 20 минут и скорость 760 км/ч (470 миль в час). Ветровые волны (глубоководные волны) имеют период примерно до 20 секунд.
Скорость всех океанских волн контролируется гравитацией, длиной волны и глубиной воды. Большинство характеристик океанских волн зависят от соотношения их длины волны и глубины воды. Длина волны определяет размер орбит молекул воды внутри волны, а глубина воды определяет форму орбит. Пути молекул воды в ветровой волне являются круговыми только тогда, когда волна движется по глубокой воде. Волна не может «чувствовать» дно, когда она движется через воду глубже, чем половина ее длины волны, потому что в движении воды ниже этой глубины содержится слишком мало волновой энергии. Волны, движущиеся в воде на глубине более половины ее длины, известны как глубоководные волны. С другой стороны, орбиты молекул воды в волнах, движущихся по мелководью, уплощаются из-за близости поверхности морского дна. Волны в воде размером менее 1/20 от исходной длины известны как волны на мелководье. Переходные волны распространяются через воду на глубину более 1/20 от исходной длины волны, но на глубину менее половины исходной длины волны.
В общем, чем длиннее длина волны, тем быстрее энергия волны будет перемещаться по воде. Связь между длиной волны, периодом и скоростью любой волны следующая:
где C — скорость (скорость), L — длина волны, а T — период (в секундах). Таким образом, скорость волны определяется функциональной зависимостью длины волны от периода ( дисперсионное соотношение ).
Скорость глубоководной волны также можно приблизительно определить как:
где g — ускорение свободного падения, 9,8 метра (32 фута) в секунду в квадрате. Поскольку g и π (3.14) являются постоянными, уравнение можно свести к:
когда C измеряется в метрах в секунду, а L в метрах. В обеих формулах скорость волны пропорциональна квадратному корню из длины волны.
Скорость волн на мелководье описывается другим уравнением, которое можно записать как:
где C — скорость (в метрах в секунду), g — ускорение свободного падения, а d — глубина воды (в метрах). Период волны остается неизменным независимо от глубины воды, по которой она движется. Однако когда глубоководные волны достигают мелководья и касаются дна, их скорость снижается, а их гребни «сбиваются в кучу», поэтому их длина волны сокращается.
Состояние моря можно описать спектром морских волн или просто спектром волн . Он состоит из спектра высоты волны (WHS) и спектра направления волн (WDS) . Многие интересные свойства состояния моря можно узнать из спектров волн.
WHS описывает спектральную плотность отклонения высоты волны («мощность») от частоты волны с размерностью . Связь между спектром и амплитудой волны для волновой составляющей следующая:
Некоторые модели WHS перечислены ниже.
Что касается WDS, пример модели может быть следующим:
Таким образом, состояние моря полностью определено и может быть воссоздано с помощью следующей функции: где высота волны равномерно распределена между 0 и и выбрана случайным образом из функции распределения по направлениям [21]
По мере перемещения волн от глубокой воды к мелководной их форма меняется (высота волн увеличивается, скорость уменьшается, а длина уменьшается, поскольку орбиты волн становятся асимметричными). Этот процесс называется обмелением .
Преломление волн — это процесс, который происходит, когда волны взаимодействуют с морским дном, замедляя скорость распространения в зависимости от длины волны и периода. По мере того как волны замедляются на мелководье, гребни имеют тенденцию выравниваться под уменьшающимся углом к контурам глубины. Различная глубина вдоль гребня волны приводит к тому, что гребень движется с разной фазовой скоростью , при этом части волны на большей глубине движутся быстрее, чем части волны на мелководье . Этот процесс продолжается, пока глубина уменьшается, и меняется на противоположную, если она снова увеличивается, но волна, покидающая мелководье, могла значительно изменить направление. Лучи — линии, нормальные к гребням волн, между которыми заключен фиксированный поток энергии, — сходятся на местных отмелях и отмелях. Следовательно, волновая энергия между лучами концентрируется по мере их сближения, что приводит к увеличению высоты волны.
Поскольку эти эффекты связаны с пространственным изменением фазовой скорости, а также поскольку фазовая скорость также изменяется в зависимости от окружающего тока – из-за доплеровского сдвига – те же эффекты рефракции и изменения высоты волны также возникают из-за изменений тока. В случае встречи с встречным течением волна становится круче , т.е. ее высота волны увеличивается, а длина волны уменьшается, аналогично обмелению при уменьшении глубины воды. [22]
Некоторые волны подвергаются явлению , называемому «разбиванием». [23] Разрушающаяся волна — это волна, основание которой больше не может поддерживать ее вершину, что приводит к ее обрушению. Волна разбивается, когда она натыкается на мелководье или когда две волновые системы противостоят друг другу и объединяют силы. Когда наклон или крутизна волны слишком велики, обрушение неизбежно.
Отдельные волны на глубокой воде разбиваются, когда крутизна волны — отношение высоты волны H к длине волны λ — превышает примерно 0,17, то есть для H > 0,17 λ . На мелководье, когда глубина воды мала по сравнению с длиной волны, отдельные волны разбиваются, когда высота их волны H превышает глубину воды h более чем в 0,8 раза , то есть H > 0,8 h . [24] Волны также могут разбиваться, если ветер становится настолько сильным, что сдувает гребень волны с ее основания.
На мелководье основание волны замедляется из-за сопротивления морского дна. В результате верхние части будут распространяться с более высокой скоростью, чем основание, и передняя грань гребня станет круче, а задняя грань - более плоской. Это может быть преувеличено до такой степени, что передняя грань образует бочкообразный профиль, при этом гребень падает вперед и вниз, простираясь над воздухом перед волной.
Серферы или спасатели выделяют три основных типа прибойных волн . Их различные характеристики делают их более или менее подходящими для серфинга и представляют различные опасности.
Когда береговая линия почти вертикальна, волны не разбиваются, а отражаются. Большая часть энергии сохраняется в волне, когда она возвращается в сторону моря. Интерференционные картины вызваны суперпозицией падающей и отраженной волн, и суперпозиция может вызвать локализованную нестабильность при пересечении пиков, и эти пики могут сломаться из-за нестабильности. (см. также клапотические волны )
Ветровые волны — это механические волны , распространяющиеся вдоль границы раздела воды и воздуха ; восстанавливающая сила обеспечивается гравитацией, поэтому их часто называют поверхностными гравитационными волнами . Когда дует ветер , давление и трение нарушают равновесие водной поверхности и передают энергию от воздуха к воде, образуя волны. Первоначальное образование волн ветром описано в теории Филлипса 1957 года, а последующий рост малых волн был смоделирован Майлзом также в 1957 году. [25] [26]
В линейных плоских волнах одной длины волны на глубокой воде участки вблизи поверхности движутся не просто вверх и вниз, а по круговым орбитам: вперед вверху и назад внизу (по сравнению с направлением распространения волны). В результате поверхность воды образует не точную синусоидальную волну , а скорее трохоиду с более острыми изгибами вверх, как это моделируется в теории трохоидальных волн . Таким образом, ветровые волны представляют собой комбинацию поперечных и продольных волн.
Когда волны распространяются на мелководье (где глубина меньше половины длины волны), траектории частиц сжимаются в эллипсы . [28] [29]
В действительности при конечных значениях амплитуды (высоты) волны траектории частиц не образуют замкнутых орбит; скорее, после прохождения каждого гребня частицы слегка смещаются от своих предыдущих положений - явление, известное как дрейф Стокса . [30] [31]
По мере увеличения глубины под свободной поверхностью радиус кругового движения уменьшается. На глубине, равной половине длины волны λ, орбитальное движение затухло до менее 5% от своего значения на поверхности. Фазовая скорость (также называемая скоростью) поверхностной гравитационной волны – для чисто периодического волнового движения волн малой амплитуды – хорошо аппроксимируется выражением
где
На глубокой воде, где , так и гиперболический тангенс приближаются , скорость приближается к
В единицах СИ, с в м/с, когда измеряется в метрах. Это выражение говорит нам, что волны разной длины движутся с разной скоростью. Самые быстрые волны во время шторма — это волны с самой длинной длиной волны. В результате после шторма первые волны, приходящие на берег, — это длинноволновые зыби.
Для средней и мелкой воды применимы уравнения Буссинеска , сочетающие частотную дисперсию и нелинейные эффекты. А на очень мелкой воде можно использовать уравнения мелкой воды .
Если длина волны очень длинная по сравнению с глубиной воды, фазовую скорость (приняв предел c , когда длина волны приближается к бесконечности) можно аппроксимировать выражением
С другой стороны, для очень коротких длин волн поверхностное натяжение играет важную роль, и фазовая скорость этих гравитационно-капиллярных волн может (на глубокой воде) быть аппроксимирована выражением
где
При наличии нескольких цугов волн, как это всегда бывает в природе, волны образуют группы. На глубокой воде группы движутся с групповой скоростью , равной половине фазовой скорости . [33] Следуя за одной волной в группе, можно увидеть, как волна появляется в задней части группы, растет и, наконец, исчезает в передней части группы.
Поскольку глубина воды уменьшается по направлению к берегу , это будет иметь эффект: высота волн изменится из-за обмеления и преломления волн . По мере увеличения высоты волны волна может стать нестабильной, когда гребень волны движется быстрее, чем впадина . Это вызывает прибой , разбиение волн.
Движение ветровых волн можно уловить с помощью волновых энергетических устройств . Плотность энергии (на единицу площади) регулярных синусоидальных волн зависит от плотности воды , ускорения свободного падения и высоты волны (которая для регулярных волн равна удвоенной амплитуде , ):
Скорость распространения этой энергии называется групповой скоростью .
Серферы очень интересуются прогнозами волн . Существует множество веб-сайтов, которые предоставляют прогнозы качества серфинга на ближайшие дни и недели. Модели ветровых волн основаны на более общих моделях погоды , которые прогнозируют ветры и давление над океанами, морями и озерами.
Модели ветровых волн также являются важной частью изучения воздействия предложений по берегоукреплению и питанию пляжей . Для многих пляжных зон имеется лишь фрагментарная информация о волновом климате, поэтому оценка воздействия ветровых волн важна для управления прибрежной средой.
Ветровую волну можно спрогнозировать на основе двух параметров: скорости ветра на высоте 10 м над уровнем моря и продолжительности ветра, который должен дуть в течение длительных периодов времени, чтобы считаться полностью развитым. Затем можно спрогнозировать значительную высоту волны и пиковую частоту для определенной длины выборки. [34]
Волны океанской воды генерируют сейсмические волны, которые видны на сейсмографах по всему миру . [35] Есть две основные составляющие сейсмического микросейсма, генерируемого океанскими волнами. [36] Самым сильным из них является вторичный микросейсм, который создается давлением на дне океана, создаваемым мешающими океанскими волнами, и имеет спектр, который обычно составляет примерно 6–12 с периодов или примерно половину периода ответственных мешающих волн. . Теория генерации микросейсм стоячими волнами была предложена Майклом Лонге-Хиггинсом в 1950 году после того, как в 1941 году Пьер Бернар на основе наблюдений предположил эту связь со стоячими волнами. [37] [38] Более слабый первичный микросейсм, также видимый во всем мире, генерируется динамическим давлением морского дна распространяющихся волн над более мелкими (глубиной менее нескольких сотен метров) областями мирового океана. Впервые о микросейсмах сообщалось примерно в 1900 году, а сейсмические записи обеспечивают долгосрочные косвенные измерения сезонной и связанной с климатом интенсивности крупномасштабных волн в океанах Земли [39], включая те, которые связаны с антропогенным глобальным потеплением . [40] [41] [42]
{{cite book}}
: CS1 maint: location (link)