// Вие четете...

Ниво на океана

Морски вълни.

„Ако сам не знаеш, попитай знаещия.“

Морски вълни.

Морските вълни представляват периодични трептения на водните частици около тяхното равновесно положение.
По своя генезис наблюдаваните вълни могат да бъдат отнесени към четири основни типа: ветрови, предизвикани от ветровото въздействие върху водната повърхност; цунами, възникнали от сеизмични въздействия и тектонски движения в земната кора; приливни, обусловени от гравитационното въздействие на Земята с Луната и Слънцето (за безприливни морета като Черно море приливно – отливните колебания на нивото са от порядъка на няколко см) и щормови нагони, свързани с преминаването на атмосферните фронтове. Съществуват и капилярни вълни с височина около 1 см и много кратък период – 0,01–1 s.
Ветровото вълнение е с период от няколко секунди, вълните цунами – няколко минути, приливните вълни – няколко часа и щормовите нагони – няколко дни. Хидродинамичното въздействие върху дъното и брега се определя от мощността на вълните, т.е. от тяхната енергия, отнесена спрямо техния период. По този показател най-голяма е степента на въздействие на ветровите вълни. Вълните цунами и щормовите нагони оказват катастрофални последици за някои крайбрежия, но те не са разпространени повсеместно и се наблюдават относително рядко във времето.
Основните елементи на морските вълни са показани на следващата рисунка. Гребен е част от вълната, която се намира над средното вълново ниво, а падина е частта, разположена под него. Връх е най-високата точка на гребена.

Параметри на вълната

Всяка вълна може да бъде характеризирана със своята височина H, представляваща вертикалното разстояние от центъра на падината до върха на гребена на вълната или с амплитудата a=H/2, а също така с дължината L (разстоянието между два последователни гребена) и периода T (времето за което се извършва пълният цикъл на колебанията, т.е. времето за двукратно пресичане от вълновата повърхност на средната линия). Често вместо величините T и L се използват параметрите честота ω = 2π/T и вълновото число k = 2πL/L въведени са и безразмерните характеристики стръмнина на вълната H/L, относителна дълбочина h/L и H/h относителна височина, където h е дълбочина на водата.
Разрушаването на вълните над наклонено дъно се осъществява вследствие концентрацията на енергия в намаляващ обем вода. В процеса на трансформация на вълната орбиталните скорости нарастват и в горната част на гребена стават съизмерими с фазовата скорост. Същевременно насочените нагоре ускорения достигат ускорението на силата на тежестта. В резултат вълната става неустойчива и се разрушава.
Трансформацията и рефракцията при подхода към брега не оказват такова значително влияние върху параметрите на нерегулярните вълни, както при регулярните. Прибойната зона на регулярните монохроматични вълни има ясна граница, тъй като всяка вълна от дадена система се разрушава на една и съща дълбочина. При нерегулярно вълнение всяка отделна съставяща на спектъра има своя дълбочина на разрушаване.
Движението на водата, възникващо в резултат на разрушаването на вълната между зоната на последното разрушаване и върха на заплеска представлява прибойният поток. При правия прибоен поток мощността и скоростта на потока постепенно намаляват и достигат до нула във върха на заплеска, след което водата се спуска надолу, формирайки обратен поток.
Източник на енергия за движението на правия прибоен поток е остатъчната енергия на разрушаващата се вълна, която се изразходва за преодоляване силите на тежестта и триенето по повърхността на плажа. Част от водата се филтрира в пясъка и заедно с водната маса се губи и нейната енергия. Обратният поток се движи само под действие на силата на тежестта и в дадена точка неговата скорост винаги е по-малка от скоростта на правия поток в същата точка. Съществува и асиметрия във времето на действие на правия и обратния поток, като обратният винаги има по-продължително действие.
Според действието на образуващата ги сила вълните биват свободни, когато не им действа образуваща сила и принудителни, когато се намират непрекъснато под нейното въздействие.
Според изменението на елементите им с времето морските вълни биват стационарни и нестационарни.

Схема на стояща вълна.

Според характера на действие на профила им морските вълни са постъпателни, когато видимата им форма се премества в определена посока и стоящи, когато не се премества. При стоящите вълни частиците не се движат по кръгови орбити. В средните най- изпъкнали части на вълната те се движат само вертикално, а във възлите–само хоризонтално.

Между слоевете вода с различна плътност в океана има тънка преходна зона, която представлява гранична междинна повърхност. В нея възникват вътрешни вълни на периоди от няколко минути до няколко денонощия и амплитуда от няколко метра до десетки и стотици метри. Причините за възникването им са ветрови вълни, приливни вълни, бързи промени на атмосферното налягане и др.

Схема на вътрешна вълна.

В дълбочина вълновите движения затихват и вследствие на хидростатичното равновесие под гребените на повърхностните вълни се разполагат падината на вътрешните вълни и обратно.
Колкото разликата в плътността на слоевете е по-малка, толкова амплитудата на вътрешните вълни е по-голяма и в дълбочинни слабо стратифицирани слоеве тя може да достигне стотици метри.
Повърхностните ветрови вълни също могат да се разглеждат като вътрешни вълни, възникващи на граничната повърхност вода/въздух. Поради голямата разлика в плътностите на тези среди, ветровите вълни не могат да достигнат до такива големи височини като вътрешните.
Отношенията между елементите на реалните вълни са твърде разнообразни и затова за изучаването им се използва идеализирана трохоидална вълна (фиг. 6), частиците на която описват кръгови траектории като тези от тях, които се намират на една вертикала се движат синфазно. Приема се, че водата е невискозна, с постоянна плътност и дълбочината на океана е неограничена. Трохоидалната теория на вълните е създадена от чешкия математик Ф. Герстнер през 1802 г. и е усъвършенствана от английския математик Д. Стокс през 40-те години на ХІХ век.


Движение на водните частици в трохоидална вълна.

В дълбочина вълнението бързо затихва, тъй като радиусите на окръжностите, по които се движат частиците намаляват.

Орбити на водните частици в плитководието.

В таблица 1 е дадено намаляването на височината на вълната Н с увеличаване на дълбочината на морето h.

Таблица 1.

Например, ако на повърхността на морето съществува вълна с височина 6,5 м и дължина 90 м (това са максималните стойности за българския сектор на Черно море), то на дълбочина 9 м (0,1 h) височината й ще бъде 3,5 м, на дълбочина 45 м (0,5 h) – 26 см, на дълбочина 90 м (1 h) – 1 см.
На практика на дълбочина h=L/2, влиянието на вълнението е незначително.
Поради различните скорости на разпространение на вълните с различна дължина, те се смесват помежду си в групи като се получава сумарна вълна в резултат на явлението интерференция.

Интерференция на вълните.

Получената вълна има увеличени гребени и падини в сравнение с изходните вълни. Функцията на разпределение на броя на вълните в групите е дадена в таблица 2.

Таблица 2.

Половината от групите вълни се състоят от по пет вълни, но тяхната сумарна височина не е висока. Около една десета от групите вълни включват в себе си по 8-10 вълни, чиято сумарна височина е голяма и вероятно оттук е произлязла легендата за най-високата вълна –„деветия вал”.
Височината на екстремално високите вълни е h>2Hs, където Hs е височината на значителните (характерни вълни). Екстремално високите вълни се формират при взаимодействието на линейната интерференция на вълните с нелинейната модулационна неустойчивост (Кузнецов и др. 2011).

Средна височина на вълните.  Таблица 3.  

На табл. 3 е представена средната височина на вълната в зависимост от скоростта на вятъра и разгона (разстояние по морската повърхност, подложена на ветрово въздействие).

Скала на степента на ветровото вълнение. Таблица 4.

На табл. 4 е представена скалата за степента на ветрово вълнение.

 

Коментари

Все още няма коментари

Публикувай коментар