В терминологии гидродинамики и мореплавания , прибойная волна или прибой — это волна с достаточной энергией, чтобы « разрушиться » на пике, достигая критического уровня, на котором линейная энергия преобразуется в энергию волновой турбулентности с отчетливой прямой кривой. В этой точке простые физические модели, описывающие динамику волн, часто становятся недействительными, особенно те, которые предполагают линейное поведение.
Наиболее общеизвестный вид прибоя — это прибой поверхностных волн на берегу. Прибой волн обычно происходит там, где амплитуда достигает точки, при которой гребень волны фактически опрокидывается. Некоторые другие эффекты в динамике жидкостей также называются «прибойными волнами», отчасти по аналогии с поверхностными волнами на воде. В метеорологии атмосферные гравитационные волны , как говорят, прибиваются, когда волна создает области, в которых потенциальная температура уменьшается с высотой, что приводит к рассеиванию энергии через конвективную неустойчивость ; аналогично, волны Россби , как говорят, прибиваются [1], когда градиент потенциальной завихренности опрокидывается. Прибой волн также происходит в плазме [2] , когда скорости частиц превышают фазовую скорость волны . Другим применением в физике плазмы является расширение плазмы в вакуум, в котором процесс прибоя волны и последующее развитие пика быстрых ионов описывается уравнением Сака-Шамеля .
Риф или участок мелководья, например, отмель , о который разбиваются волны , также может называться прибоем.
Разрушение поверхностных волн может происходить в любом месте, где амплитуда достаточна, в том числе в середине океана. Однако это особенно распространено на пляжах, поскольку высота волн увеличивается в области мелководья (потому что групповая скорость там ниже). См. также волны и мелководье .
Существует четыре основных типа разрушающихся волн. Это разливающиеся, падающие, обрушивающиеся и набегающие волны. [3]
Когда дно океана имеет постепенный уклон, волна будет становиться круче, пока гребень не станет нестабильным, что приведет к турбулентной бурной воде, стекающей по лицу волны. Это продолжается по мере приближения волны к берегу, и энергия волны медленно рассеивается в бурной воде. Из-за этого разливающиеся волны разбиваются дольше, чем другие волны, и создают относительно пологую волну. Береговые ветровые условия делают разливающиеся волны более вероятными.
Падающая волна возникает, когда дно океана крутое или имеет резкие изменения глубины, например, от рифа или песчаной отмели. Гребень волны становится намного круче, чем у разливающейся волны, становится вертикальным, затем закручивается и падает на впадину волны, высвобождая большую часть своей энергии сразу в относительно сильном ударе. Падающая волна разбивается с большей энергией, чем значительно более крупная разливающаяся волна. Волна может захватывать и сжимать воздух под краем, что создает «разбивающийся» звук, связанный с волнами. При больших волнах этот удар может ощущаться пляжниками на суше. Ветровые условия в открытом море могут сделать ныряльщиков более вероятными.
Если падающая волна не параллельна пляжу (или дну океана), часть волны, которая достигает мелководья, разобьется первой, а разбивающаяся часть (или завиток) будет двигаться вбок поперек поверхности волны по мере ее продвижения. Это «труба», которая так востребована серферами (ее также называют «бочкой», «ямой» и «зеленой комнатой» среди прочих терминов). Серфер старается оставаться рядом или под обрушивающимся краем, часто пытаясь оставаться как можно «глубже» в трубе, но при этом иметь возможность выстрелить вперед и выйти из бочки до того, как она закроется. Падающая волна, параллельная пляжу, может разбиться по всей своей длине сразу, что делает ее непригодной для катания и опасной. Серферы называют такие волны «закрытыми».
Обрушающиеся волны представляют собой нечто среднее между падением и всплеском, при котором гребень волны никогда полностью не разрушается, однако нижняя часть волны становится круче и обрушается, в результате чего образуется пена.
Волнообразные прибои возникают из-за длинных периодов волн с малой крутизной и/или крутых профилей пляжа. Результатом является быстрое перемещение основания волны вверх по склону прибоя и исчезновение гребня волны. Передняя поверхность и гребень волны остаются относительно гладкими с небольшим количеством пены или пузырьков, что приводит к очень узкой зоне прибоя или полному отсутствию волн прибоя. Короткий, резкий всплеск энергии волны означает, что цикл прибоя/обратного потока завершается до прибытия следующей волны, что приводит к низкому значению разности фаз Кемпа (< 0,5). Волнообразные прибои типичны для отражающих состояний пляжа. На более крутых пляжах энергия волны может отражаться дном обратно в океан, вызывая стоячие волны .
Во время обрушения на гребне волны образуется деформация (обычно выпуклость), любая из передних сторон которой известна как «носок». Образуются паразитные капиллярные волны с короткими длинами волн. Те, что выше «носка», как правило, имеют гораздо более длинные длины волн. Однако эта теория далека от совершенства, поскольку она линейна. Было несколько нелинейных теорий движения (относительно волн). Одна из них использует метод возмущений для расширения описания вплоть до третьего порядка, и с тех пор были найдены лучшие решения. Что касается деформации волны, то были созданы методы, во многом похожие на метод граничного интеграла и модель Буссинеска .
Было обнаружено, что высокочастотные детали, присутствующие в разрушающейся волне, играют роль в деформации гребня и дестабилизации. Та же теория расширяет это, утверждая, что долины капиллярных волн создают источник завихренности . Говорят, что поверхностное натяжение (и вязкость ) имеют значение для волн длиной до 7 см (3 дюйма). [4]
Однако эти модели несовершенны, поскольку они не могут учесть, что происходит с водой после разлома волны. Образующиеся после разлома вихри и турбулентность, создаваемая разломом, в основном не изучены. Понятно, что может быть сложно получить предсказуемые результаты из океана.
После того, как кончик волны опрокидывается и струя разрушается, она создает очень связный и определенный горизонтальный вихрь . Ныряющие буруны создают вторичные вихри вниз по поверхности волны. Небольшие горизонтальные случайные вихри, которые образуются по бокам волны, предполагают, что, возможно, до разрушения скорость воды более или менее двумерна. Она становится трехмерной после разрушения.
Основной вихрь вдоль фронта волны быстро диффундирует внутрь волны после разрушения, поскольку вихри на поверхности становятся более вязкими. Адвекция и молекулярная диффузия играют роль в растяжении вихря и перераспределении завихренности, а также в образовании каскадов турбулентности. Энергия крупных вихрей, с помощью этого метода, передается гораздо меньшим изотропным вихрям.
Были проведены эксперименты с целью определения эволюции турбулентности после обрушения как на глубокой воде, так и на берегу.
