Наше деловое партнерство www.banwar.org

Сторінка 2 з 2

Як вітри збуджують хвилі. Перш ніж говорити про те, як порушуються хвилі, опишемо спочатку характер самого вітру (рисунок 17.4). У поверхні поле швидкостей в повітряному потоці зовсім не є однорідним і «не гладко», швидкості різко змінюються - іноді менше, іноді більше - і вся картина носить хаотичний характер, т. Е. Турбулентна за своєю природою. Про розподіл швидкості вітру необхідно зробити ще два важливих зауваження.

1. Поле швидкостей нестаціонарних: воно зміщується зі швидкістю, яка дорівнює середньому значенню швидкості вітру.

2. Середня відстань, що розділяє осередки з найбільшою енергією в поле швидкостей, залишається незмінним, поки залишається незмінною середня швидкість вітру; тому розподіл цих осередків впливає на передачу енергії певним океанських хвилях.

Зроблені зауваження означають, що поле вітру біля поверхні має якоїсь «структурою». Це дуже важливо, і згадану структуру можна закартировано, щоб побачити поле випадкових флуктуацій тиску, як це зроблено на малюнку 17.4. А щоб точно закартировано таке поле, треба провести одночасні вимірювання атмосферного тиску на великих просторах океану. Але ніхто ще не зробив цей подвиг! Однак ми можемо робити висновки про існування певної структури поля вітру, стежачи за змінами тиску в часі на якій-небудь одній вимірювальної станції, наприклад на судні або буї.

Малюнок 17.4. Вітри повідомляють енергію поверхневим хвилям нерівномірно. Над морською поверхнею вітер рухається з деякою середньою швидкістю. У цьому загальному потоці повітря малі флуктуації тиску розподілені випадковим чином, але максимальна відстань між ними залежить від швидкості вітру. При «стійкому» вітрі яку зберігається незмінним і утворюються хвилі такої ж довжини. Чим вище швидкість вітру, тим більше відстань між флуктуаціями тиску і тим довше - і вище - утворюються поверхневі хвилі.

В океанах хвилі будуть незмінно забирати енергію з турбулентного повітряного потоку і збільшувати свою амплітуду, якщо

а) відстань L між гребенями хвиль відповідає розподілу флуктуацій атмосферного тиску, т. е. якщо області підвищеного тиску припадають на улоговини хвильового поля, а ділянки зниженого тиску збігаються з гребенями хвиль, і

б) зростаючі хвилі рухаються в тому ж напрямку, що і середній вітер, і приблизно з тією ж швидкістю, т. е. якщо система розподілу тиску може живити хвилі енергією безперервно.

Аналогія з розподілом вітрів над нивами Канзасу допоможе читачеві зрозуміти, що являє собою ця рухома, хаотична, турбулентна структура. Ті, хто спостерігав великі хлібні поля, можуть згадати рух плям світла, відбитого від тих ділянок, на яких злаки сильніше схилилися під вітром, ніж на сусідніх ділянках. На широкому полі можна побачити відразу кілька таких плям, і всі вони рухаються в напрямку середнього вітру. На поверхні океану цих плям відповідають «осередки», показані на малюнку 17.4. Важливо зауважити, що якби все поле вітру раптово піднялося вгору і відірвалося від хлібного поля, то і вся структура плям негайно зникла б: «хвилі» вже не будуть поширюватися по полю, якщо зняти вітрове вплив.

Навпаки, хвилі, що виникають в океанах, продовжують існувати і після зникнення збуджуючих їх вітрів. Це прості хвилеподібні обурення поверхні океану, що біжать в тому ж напрямку, в якому дув вітер, «розгойдати» воду. Отже, якщо такі хвилі рухаються в загальному в напрямку дії вітру і зі швидкістю, близькою до середньої швидкості цього вітру, то їх енергія весь час наростає; турбулентні вітрові осередки продовжують над ними «здійснювати роботу», якщо і хвилі, і ці осередки рухаються більш-менш злагоджено за напрямком вітру.

Визначимо тепер більш строго, яким чином енергія передається від вітру морським хвилям. Спочатку енергія руху середнього вітрового поля створює в шарі повітря, безпосередньо стикається з поверхнею, осередки турбулентності. У процесі «узгодження» піків високого тиску в турбулентних осередках з западинами біжать морських хвиль, а мінімумів тиску - з гребенями хвиль вітрове поле штовхає і тягне частки води на поверхні моря, все збільшуючи висоту хвиль. Кінцева структура хвильового поля залежить від 1) тривалості дії вітру - періоду часу, протягом якого йде передача енергії, 2) швидкості вітру протягом цього періоду і 3) так званого розгону - відстані, на якому вітрове і хвильове поле залишаються взаємопов'язаними.

Роль тривалості впливу вітру і величини розгону. Інтуїція підказує нам, що повинен існувати якась межа зростання хвиль при передачі енергії від вітрового поля. Одне таке обмеження накладається максимумом відношення висоти хвилі Н до її довжині L, т. Е. Н / L (рисунок 17.5). Це відношення називається «крутизною хвилі», і коли крутизна хвилі перевищує 1: 7, т. Е. Коли висота її стає більше однієї сьомої її довжини, хвиля, як правило, руйнується. Обвалення гребеня хвилі в море, що дає згадані вище білі «баранчики», призводить до втрати частини енергії хвильового руху в турбулентному русі самих цих «баранчиків». Хвиля котиться далі з залишком своєї енергії, і якщо вона залишається, як і раніше пов'язаної з вітровим полем, то, врешті-решт, заповнить втрати, знову придбає критичну крутизну, знову обрушиться і т. Д. Коли море досягло такого стану, то говорять про «повністю розвиненому хвилюванні», коли воно цілком узгоджується з збудливим його полем вітру.

Малюнок 17.5. Обмеження хвиль по висоті.

(а) Критичний стан для обвалення хвилі залежить або від мінімального кута при вершині хвилі, або від максимальної висоти Н хвилі при даній довжині L (відстані від гребеня до гребеня). Критичне значення H / L: при Н = L / 7 кут при вершині (у гребеня) хвилі стає критичним; подальше зростання (загострення) хвилі призводить до появи «баранчиків», т. е. до обвалення хвилі.

(б) Рельєф океанічних поверхневих хвиль визначено шляхом інтерпретації аерофотознімків. Цей спосіб дає фотографічно «відображений» миттєвий профіль поверхні розділу повітря / вода. Графік показує, як можна оцінити ставлення H / L для реальних хвиль:

Чи зможе крутизна даної хвилі вирости до критичної величини, залежить від того, наскільки довго хвиля знаходиться під впливом вітру. Якщо вітрове поле затухає або якщо атмосферний обурення, що породило його, переміщається в інші райони океану, хвилювання не встигає повністю розвинутися. Інакше кажучи, хвильове поле не встигає «дозріти», і його називають обмеженим по тривалості розвитку.

Хвильовий поле може бути обмеженим і по довжині розгону. Це буває в тих випадках, коли, будучи ще не повністю розвиненими, хвилі зустрічають на своєму шляху якусь перешкоду. Наприклад, хвилі, не набравши ще повну силу, наштовхуються на берег. Більшість з нас знайомі з цим обмеженням, так як бували на невеликих озерах; чим більше озеро, тим більше і хвилі, вдаряють про навітряні берега.

На малюнку 17.3 прекрасно видно, який характер приймає хвилювання, якщо розгін необмежений: в тому широтному поясі Південного океану, де немає материкових перешкод, «ревуть і шаленіють» великі хвилі. Західні вітри тут можуть створювати майже необмежену за тривалістю рушійну силу.

Роль швидкості вітру в формуванні хвилювання. Моряки з досвіду знають, що енергія розвиненого хвильового поля помітно зростає при збільшенні швидкості вітру. Говорячи про «хвилюванні», мають на увазі той стан морської поверхні, яке виникає, коли вітер певної швидкості реалізує весь свій енергетичний потенціал. Стан поверхні моря визначається головним чином візуально. У 1934 р В. Корніш (Cornish V.) Опублікував зведення таких візуальних спостережень, узагальнюючих характеристики хвильових полів при різних швидкостях вітру (таблиця 17.1). Перед тим як описати ці характеристики, зауважимо, що кожна людина, якого попросять оцінити середню висоту хвиль на морі, перш за все зверне увагу на найвищі хвилі, і це природно, так як вони домінують в спостерігається картині. Тому в таблиці 17.1 даються середні значення для третини спостережуваних найвищих хвиль, т. Е. Хвиль, домінуючих при даному вітрі. З цих даних можна зробити кілька важливих висновків.

Таблиця 17.1. Характеристики вітрових хвиль, що спостерігаються в море при різній швидкості вітру

Швидкість вітру, м / с Швидкість хвиль, м / с Період Т, с Довжина L, м Висота H, м H / L Щільність енергії, кДж / м2 14,2 11,5 7,0 78 6,9 0,088 59,5 16,0 12,8 8,0 103 7,7 0,074 74,1 19,2 15,3 9,5 147 9,2 0,063 106,0 22,9 18,3 11,5 209 10,9 0,052 148, 5 27,0 21,5 13,5 290 13,0 0,045 211,0 31,1 25,0 15,5 384 14,8 0,039 274,0

1. Середня швидкість найвищих хвиль становить приблизно 0,8 від швидкості вітру для всіх спостерігалися швидкостей - від 14 до 31 м / с. Цей результат підтверджує зроблене раніше твердження про те, що енергія передається від вітру до хвиль найбільш ефективно тоді, коли хвилі рухаються з тією ж швидкістю, що і система осередків тиску в середньому вітрі.

2. Як спостережуваний середній період хвиль, так і висота їх зростають пропорційно швидкості вітру: якщо швидкість вітру збільшується в 2,19 рази (з 14,2 до 31,1 м / с), період хвиль зростає в 2,21, а висота - в 2,14 рази.

3. Однак зауважте, що довжина виростає більш ніж вчетверо - з 78 до 384 м, коли швидкість вітру тільки подвоюється (з 14,2 до 31,1 м / с). Це говорить про те, що ті хвилі, які рухаються швидше, мають і велику довжину, або, що те ж саме, довгі хвилі поширюються з більшою швидкістю, ніж короткі.

4. Щільність енергії в поле найдовших хвиль також зростає більш ніж вчетверо при тому ж зміні швидкості вітру. Хвиля, що формується при швидкості вітру 31,1 м / с, несе в собі 274 кДж енергії на кожен квадратний метр поверхні океану, а коротша хвиля, що виникає при швидкості вітру 14,2 м / с, - всього 59,5 кДж / м2 , т. е. ставлення дорівнює приблизно 4: 1. Крім того, довгі хвилі переносять енергію вдвічі швидше, ніж короткі. Отже, вони приблизно в 8 разів потужніше! Більш детально енергія вітрових хвиль буде розглянута в главі Море і людина .

5. Нарешті, крутизна (відношення висоти до довжини) цих домінуючих хвиль зі зростанням швидкості вітру та інших факторів знижується. Це безпосередньо випливає з того, що довжина хвилі (яка учетверяется) зростає набагато швидше, ніж висота (яка лише подвоюється).

На малюнку 17.6 графічно зображені дані таблиці 17.1 про генерацію хвиль вітрами. Видно, як змінюється пік розподілу енергії в залежності від характеру вітру; при цьому передбачається, що тривалість дії вітру і розгін дозволяють хвилях у всіх випадках розвинутися повністю. Щоб отримати більш цілісне уявлення, порівняйте цей графік з часткою вітрових хвиль в загальному спектрі розподілу енергії на малюнку 17.2.

Малюнок 17.6. Збільшення енергії цуга хвиль при зростанні швидкості вітру, що порушує цю хвильову систему (за даними таблиці 17.1).