В гидродинамике и морской терминологии прибойная волна или бурун — это волна , обладающая достаточной энергией, чтобы « разбиться » на пике, достигая критического уровня, на котором линейная энергия преобразуется в энергию волновой турбулентности с отчетливой прямой кривой. На этом этапе простые физические модели, описывающие динамику волн, часто становятся недействительными, особенно те, которые предполагают линейное поведение.
Самый распространенный вид прибоя – это разбивка поверхностных волн о береговую линию. Обрушение волны обычно происходит там, где амплитуда достигает точки, в которой фактически опрокидывается гребень волны. Некоторые другие эффекты в гидродинамике также были названы «прибойными волнами», отчасти по аналогии с волнами на поверхности воды. В метеорологии говорят , что атмосферные гравитационные волны разрушаются, когда волна создает области, где потенциальная температура уменьшается с высотой, что приводит к рассеянию энергии за счет конвективной нестабильности ; аналогично, говорят, что волны Россби разрушаются [1] , когда потенциальный градиент завихренности переворачивается. Обрушение волны также происходит в плазме [2] , когда скорости частиц превышают фазовую скорость волны . Другое применение в физике плазмы — расширение плазмы в вакуум, в котором процесс обрушения волны и последующее развитие пика быстрых ионов описывается уравнением Сака-Шамеля .
Риф или место на мелководье, например мелководье , о которое разбиваются волны , также может называться буруном.
Разрушение поверхностных волн воды может происходить везде, где достаточна амплитуда, в том числе и в середине океана. Однако это особенно распространено на пляжах, поскольку высота волн увеличивается в районе мелководья (поскольку там групповая скорость ниже). См. также волны и мелководье .
Существует четыре основных типа разбивающихся водных волн. Они разливаются, падают, рушатся и поднимаются. [3]
Когда дно океана имеет постепенный наклон, волна будет становиться круче, пока гребень не станет нестабильным, в результате чего турбулентная вода разливается 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 повышают вероятность разливов.
Падающая волна возникает, когда дно океана крутое или имеет резкие изменения глубины, например, из-за рифа или песчаной косы. Гребень волны становится намного круче, чем разливающаяся волна, становится вертикальным, затем загибается и падает на впадину волны, сразу высвобождая большую часть своей энергии в результате относительно сильного удара. Падающая волна разбивается с большей энергией, чем разливающаяся волна значительно большего размера. Волна может захватить и сжать воздух под губой, что создает «грохочущий» звук, связанный с волнами. При больших волнах этот грохот могут ощутить любители пляжного отдыха на суше. Морские ветровые условия могут сделать ныряльщиков более вероятными.
Если падающая волна не параллельна пляжу (или дну океана), часть волны, которая достигает мелководья, разобьется первой, а часть обрушивающейся волны (или завиток) будет перемещаться вбок поперек поверхности волны по мере того, как волна продолжается. Это «труба», которую так любят серферы (также называемая «бочкой», «ямой» и «зеленой комнатой», среди других терминов). Серфер старается оставаться рядом или под разбивающейся кромкой, часто стараясь оставаться как можно «глубже» в трубе, сохраняя при этом возможность выстрелить вперед и выйти из бочки до того, как она закроется. Падающая волна, параллельная пляжу, может разбиться сразу по всей длине, что делает ее непреодолимой и опасной. Серферы называют эти волны «закрытыми».
Схлопывающиеся волны представляют собой нечто среднее между падением и волнением, при которых гребень никогда не ломается полностью, но нижняя грань волны становится круче и обрушивается, в результате чего образуется пена.
Пульсирующие прибои возникают в результате длительных волн небольшой крутизны и/или крутых профилей пляжа. Результатом является быстрое движение основания волны вверх по склону волны и исчезновение гребня волны. Передняя поверхность и гребень волны остаются относительно гладкими с небольшим количеством пены и пузырьков, что приводит к очень узкой зоне прибоя или к отсутствию разбивающихся волн вообще. Короткий, резкий всплеск энергии волны означает, что цикл качания/обратной волны завершается до прихода следующей волны, что приводит к низкому значению разности фаз Кемпа (< 0,5). Бушующие волны типичны для отражающих берегов государств. На более крутых пляжах энергия волны может отражаться от дна обратно в океан, вызывая стоячие волны .
При обрушении на гребне волны образуется деформация (обычно выпуклость), передняя сторона которой называется «носком». Образуются паразитные капиллярные волны с короткими длинами волн. Те, что выше «пальца ноги», как правило, имеют гораздо более длинные волны. Однако эта теория далеко не идеальна, поскольку она линейна. Существует несколько нелинейных теорий движения (относительно волн). В одном предложении используется метод возмущений для расширения описания до третьего порядка, и с тех пор были найдены лучшие решения. Что касается волновой деформации, то созданы методы, подобные методу граничного интеграла и модели Буссинеска .
Было обнаружено, что высокочастотные детали, присутствующие в обрушивающейся волне, играют роль в деформации и дестабилизации гребня. Та же теория развивает этот вопрос, утверждая, что долины капиллярных волн создают источник завихренности . Говорят, что поверхностное натяжение (и вязкость ) существенны для волн длиной примерно до 7 см (3 дюйма). [4]
Однако эти модели ошибочны, поскольку они не могут учесть, что происходит с водой после того, как волна разбивается. Формы вихрей после разрыва и турбулентность, создаваемая разрывом, в основном не исследованы. Понятно, что может быть трудно получить предсказуемые результаты от океана.
После того, как кончик волны переворачивается и струя схлопывается, она создает очень последовательный и четкий горизонтальный вихрь. Погружающиеся прибои создают вторичные водовороты вдоль поверхности волны. Небольшие горизонтальные случайные водовороты, образующиеся по бокам волны, позволяют предположить, что, возможно, до разрушения скорость воды более или менее двумерна. После разрушения он становится трехмерным.
Основной вихрь вдоль фронта волны после разрушения быстро диффундирует внутрь волны, поскольку вихри на поверхности становятся более вязкими. Адвекция и молекулярная диффузия играют роль в растяжении вихря и перераспределении завихренности, а также в формировании каскадов турбулентности. С помощью этого метода энергия больших вихрей передается гораздо меньшим изотропным вихрям.
Были проведены эксперименты, чтобы определить развитие турбулентности после разрыва как на глубокой воде, так и на пляже.
