СПбГМТУ
СРЕДНЕТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

К оглавлению

 

Тема 7. Взаимодействие атмосферы и океана, динамические процессы в океане, морские волны.

1.7.1. Классификация морских волн

Невозмущенная, спокойная поверхность воды в пределах интересующих нас расстояний, может приниматься плоской и перпендикулярной направлению силы тяжести. При воздействии силы на частицу воды частица смещается относительно плоскости спокойной поверхности, вследствие чего возникают  восстанавливающие силы, стремящиеся возвратить частицу в положение равновесия. Восстанавливающими являются силы поверхностного натяжения и гравитационные (силы тяжести), показанные на рис. (1.4)

При малых размерах волн силы поверхностного натяжения существенны по отношению к силе тяжести, и такие волны получили название капиллярных. Капиллярные волны образуются в первые моменты воздействия ветра на водную поверхность (рябь), а также на поверхности больших волн (вторичные волны).

 volna1

рис. 1.4. Силы давления и поверхностного натяжения в случаях спокойной возмущенной поверхности воды

В остальных случаях, имеющих наибольшее распространение, преобладающее значение имеет сила тяжести, и такие волны называют гравитационными.

В зависимости от сил, вызвавших волновое движение, различают следующие виды волн.

Ветровые волны – вызванные ветром и находящиеся под его воздействием. После прекращения воздействия ветра ветровые волны превращаются в волны зыби. Наблюдаются повсеместно и постоянно.

Приливные – возникающие по действием периодических сил притяжения Луны и Солнца и наблюдаемые постоянно.

Сейсмические (цунами) – возникающие в результате динамических процессов, связанных с землятресениями и извержениями вулканов, подводных и прибрежных. Наблюдаются в районах повышенной сейсмической активности, главным образом в Тихом океане.

Анемобарические – вызванные изменение атмосферного давления и ветра крупномасштабные отклонения поверхности океана от положенения равновесия.

Корабельные – носовые и кормовые волны, возникающие при движении корабля.

В открытых районах вдали от берегов наблюдаются распространяющиеся в определенном направлении волны, видимая форма которых перемещается в пространстве. В замкнутых или частично замкнутых бассейнах вследствие отражения распространяющихся волн от границ морской поверхности могут наблюдаться стоячие волны, видимая форма которых не перемещается в пространстве (рис.1.5), колебания поверхности как бы “стоят” на месте. Они называются сейшами, вызываются сгоном воды при прохождения циклона.

 volna2

рис. 1.5 Форма стоячей волны в различные моменты  времени

Кроме поверхностных волновых явлений, существуют не проявляющиеся на поверхности волны, называемые внутренними. Они возникают под действием тех же факторов, что и поверхностные, и представляют собой колебания границ раздела слоев воды различной плотности.

1.7.2. Основные элементы волны и общая характеристика ветрового волнения.

Океанические волны имеют различные формы и Общими элементами волн являются следующие.

Волновой профиль (рис. 1.6) – кривая, получаемая в результате сечения взволнованной поверхности моря вертикальной плоскостью в направлении распространения.

 volna3

рис. 1.6. элементы волны

Средний волновой уровень – линия, пересекающая волновой профиль так, что суммарные площади выше и ниже этой линии одинаковы.

Волна на волновом профиле - его часть, трижды последовательно пересекающая средний волновой уровень

Вершина – наивысшая точка гребня волны

Подошва – наинизшая точка волны

Высота волны h – вертикальное расстояние от подошвы до вершины. Высота равна удвоенной амплитуде волны.

Длина волны  - расстояние в направлении распространения между двумя соседними гребнями или подошвами

Средняя крутизна волны – отношение высоты волны к длине волны

Фронт волны – линия на плане взволнованной поверхности, проходящая вдоль гребня волны. Фронт перпендикулярен направлению распространения волн

Длина гребня волны L – протяженность гребня в направлении фронта волны

Волновой профиль распространяющейся волны перемещается в направлении распространения,  и в некоторой точке будут последовательно наблюдаться чередующиеся гребни и подошвы. Промежуток времени между прохождением двух соседних гребней называются периодом волны t. За время, равное одному периоду, волновой профиль смещается на одну длину волны . Величина, обратная периоду , называется частотой.

Развитие волнения начинается с появления небольших волн ряби высотой 3- 4 см после возникновения ветра. Во времени высота волн постепенно увеличивается, пока не достигнет установившегося значения, максимального для данных условий: длины разгона под действием ветра от начальной точки возникновения волн и скорости ветра. По мере увеличения высота волн профиль гребня заостряется, и при скорости ветра 7-10 м/с начинается опрокидывание гребешков волн по направлению распространения и образование пены. Дальнейшее усиление ветра приводит к появлению хлопьев и полос пены на поверхности моря и мелких волн на поверхности основных.

Значения средних высот волн в метрах для различных разгонов и скоростей ветра при длительности действия ветра, достаточной для образования установившихся волн, представлены в таблице № 1

Для характеристики степени ветрового волнения широко используется балловая оценка. В основу этой оценки положены высоты заметных наиболее крупных волн. Девятибалльная шкала, принятая в СССР в 1953 году, представлена в таблице № 2.

Длина и период волн не являются элементами, определяющими балл, и дают представление только о диапазоне возможных значений элементов волн.

В силу различного сочетания геофизических факторов  в конкретных районах Мирового океана волнение различается по степени и продолжительности той или иной степени в течение года. В закрытых внутренних морях волнение редко достигает 7-8 баллов, тогда как в океанах наблюдается девятибалльное. Наиболее часты высокие стение волнения в умеренных широтах южного полушария. В умеренных широтах северного полушария шторма также часты, однако волнение несколько меньше. Интенсивность волнения уменьшается от умеренных широт к экватору, и уже в тропических зонах повторяемость штормовых ветров в 2-3 раза ниже, чем в умеренных широтах.

1.7.4. Фазовая и групповая скорость волн

Фазовая скорость волн – скорость перемещения вершины волны или подошвы волны в направлении распространения. Величина её связана с периодом и длиной волны соотношением

 fv1

Фазовая скорость (м/с) зависит от длины волны (или периода) и глубины бассейна H и приближенно описывается формулами:

fv2,fv3

fv4,fv5

fv6,fv7

Где м и г означают мелководные и глубоководные волны; H – измеряется в метрах, T – в секундах, фазовая скорость мелководных волн определяется только глубиной бассейна, глубоководных – только длиной волны.

Представление о порядке фазовых скоростей можно получить из графика рис. (1.7).

 volna4

рис. 1.7. фазовая скорость волны

Совместно распространяющиеся глубоководные волны разной длины будут смещаться друг относительно друга вследствие различия скоростей распространения. При этом суммарная волна получается в результате сложения (интерференции) волн.

Рассмотрим ниже сложение участков волн близких периодов показанное на рис. (1.8)

 volna5

рис.1.8   Интерференция волн (х – направление распространения)

Результирующая волна представляет собой чередующиеся группы волн увеличенной, по сравнению с исходными волнами, высоты с провалами между группами. Реальное волнение носит именно такой характер, что явилось основанием для возникновения представления о существовании “девятого вала”. Самая большая волна есть в каждой группе, и она не обязательно девятая. У разных народов существовали различные мнения о том,  какая волна в группе наибольшая, т.е. сколько волн в группе: древние греки считали наибольшей каждую третью волну, финикийцы и египтяне – четвертую и пятую, римляне – десятую, а на Востоке – одиннадцатую. В таблице № 3 приведена функция распределения количества ветровых волн в группах для волнений различной интенсивности.

Таблица № 3

Функция распределения числа волн в группах

Число волн в группе

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Функция распределения %

90

70

50

45

30

20

10

8

5

 

Из таблицы видно, что 50 % групп включают в   себя 5 волн, так называемый “девятый вал” составляет 10 % всех групп волн. Но группы из 5,6 волн, которые наблюдаются достаточно часто, неопасны, так как наибольшая волна в них сравнительно невелика. Группы из 8-10 волн встречаются не так уж редко имеют достаточно высокую наибольшую волну, возможно отсюда распространенность представления о “девятом вале”.

Если бы слагаемые волны распространялись с одной фазовой скоростью, максимумы и минимумы огибающей двигались бы с той же фазовой скоростью. Поскольку скорость волн с различными периодами различна, взаимное расположение профилей интерферирующих волн все время меняется, и участок сложения  гашения волн перемещаются со скоростью, отличной от скоростей слагаемых волн. Скорость перемещения огибающей называется групповой скоростью, которая для глубоководных волн равна

 Для мелководных волн, у которых фазовая скорость не зависит от периода и длины, групповая скорость равна фазовой. Групповая скорость определяет скорость переноса энергии волн в направлении распространения.

Морские волны представляют собой результат суммирования множества волн с различными периодами и длинами. Распределение энергии установившегося волнения по частотам, называемое спектром волнения, показано на рис. (1.7.5). Большая часть энергии сосредоточена всегда относительно узкой области частот, т.е. всегда имеются  преимущественные значения периодов волн. С увеличением скорости основной период и длина волны возрастают, как видно из графика.

 volna6

рис.1.9. Энергия установившегося ветрового волнения при различных скоростях ветра в зависимости от частоты волны

Цунами – длинные волны на поверхности океана, возникающие в результате перемещений значительных участков дна во время землетрясений и извержений вулканов. Наибольшая сейсмическая активность наблюдается в районах глубоководных впадин Тихого океана, где образуется наибольшее число самых мощных цунами.

Высота волны в открытом океане достигает единиц метров, но вследствие большой длины – порядка 150 км – уклон волны очень мал: 1:30000, и она совершенно незаметна с плавающих судов. Скорость распространения цунами очень велика и достигает 200 м/с. За несколько часов волна пересекает океан. Вступая на прибрежное мелководье, волна тормозится, и при глубине 100 м скорость становится уже 30 м/с, при глубине 50 м-20 м/с. С потерей скорости высота волны увеличивается согласно соотношениюи может достигать десятков метров. Обрушиваясь на побережье, цунами не раз наносили катастрофический ущерб и приводили к многочисленным человеческим жертвам.

Цунами имеет характер, как одиночных волн, так и цуга (последовательности нескольких волн). Наступление цунами иногда сопровождается свечением воды и дна, производимым планктоном. Ввиду большой опасности цунами существует специальная служба предупреждения.

 

Таблица № 1

Средняя высота волн в разных условиях

Скорость ветра, м/с

Разгон ветра, км

20

50

100

200

500

1000

5

0,2

0,3

0,4

0,5

0,7

0,9

10

0,4

0,6

0,8

1,1

1,6

2,1

15

0,7

1,0

1,3

1,7

2,5

3,4

20

0,9

1,3

1,8

2,4

3,5

4,8

25

1,2

1,7

2,3

3,1

4,6

6,1

 

Таблица № 2

Шкала степени ветрового волнения

Волнение, баллы

Характеристика волнения

Размеры волн

Высота, м

Длина, м

Период, с

0

Отсутствует

0

-

-

1

Слабое

От 0 до 0,25

До 5,0

До 2,0

2

Умеренное

0,25-0,75

5-15

2-3

3

Значительное

0,75-1,25

15-25

3-4

4

Значительное

1,25-2,0

25-40

4-5

5

Сильное

2,0-3,5

40-75

5-7

6

Сильное

3,5-6,0

75-125

7-9

7

Очень сильное

6,0-8,5

125-170

9-11

8

Очень сильное

8,5-11,0

170-220

11-12

9

Исключительно сильное

Свыше 11,0

Свыше 220

Свыше 12

 

Вопросы к теме 7 :

1. К каком типу волн относятся корабельные волны: к гравитационными или к капилярным?
2. Какие волны более опасны для судна в открытом море: ветровые или цунами?
3. С помощью каких конструктивных особенностей корпуса судна борются с качкой на море?
4. Наблюдается ли горизонтальное передвижение частиц воды во время ветровых волн?
5. Как возникает стоячая волна?

?

2010-2018