Общи сведения от теорията на ветровото вълнение. Методи за изчисляване на елементите на вятърните вълни Какво е постоянна вятърна вълна

Класификация на морските вълни.

Планирайте

Лекция номер 4. Тема. Морски вълни

УДК: 656.62.052.4:551.5 (075) Кузнецов Ю.М. д-р, доцент,

Отдел "Навигация"

1. Класификация на морските вълни.

2. Елементи на вълните.

3. Гледане на вълните.

В резултат на въздействието върху водите на океаните и моретата на различни природни сили възникват колебателни и транслационни движения на водни частици.

Под морски вълни разбирайте тази форма на периодично, непрекъснато променящо се движение, при което водните частици осцилират около своето равновесно положение.

Морските вълни се класифицират по различни критерии:

Произходразграничават следните видове вълни:

Вятър, образуван под въздействието на вятъра,

Прилив, възникващ под влиянието на привличането на Луната и Слънцето,

Анемобаричен, образуван при отклонение на нивото на морската повърхност от равновесното положение, което се случва под въздействието на вятъра и промените в атмосферното налягане,

Сеизмични (цунами) в резултат на подводни земетресения и изригване на подводни или крайбрежни вулкани,

Корабен, образуван по време на движението на плавателния съд.

Според силите, стремящи се да върнат водната частица в равновесно положение:

капилярни вълни (вълнички),

Гравитационен.

Според действието на силата след образуването на вълната:

Безплатно (силата престана),

Принудително (действието на силата не е престанало.

Чрез променливостта на елементите във времето:

Уредени (не променяйте елементите си),

Нестабилни, развиващи се, затихващи (променят елементите си във времето).

По местоположение във водния стълб:

Повърхност, възникваща на повърхността на морето ,

Вътрешен, възникващ в дълбочина.

По форма:

Двуизмерни, представляващи дълги успоредни валове, следващи един след друг,

Триизмерни, не образуващи успоредни валове. Дължината на гребена е съизмерима с дължината на вълната (ветрови вълни),

Самотен (единичен), имащ само куполообразен гребен без вълнообразна основа.

По отношение на дължината на вълната и дълбочината на морето:

Къса (дължината на вълната е много по-малка от дълбочината на морето),

Дълъг (дължината на вълната е много по-голяма от дълбочината на морето).

Чрез преместване на формата на вълната:

Транслационен, характеризиращ се с видимо движение на вълновия профил. Водните частици се движат по кръгови орбити.

Изправени (seisha), не се движете в пространството. Водните частици се движат само във вертикална посока. Сейшите възникват, когато нивото на водата се покачва в единия край на водното тяло и едновременно с това пада в другия, обикновено след като вятърът спре.

В малки басейни (в пристанище, залив и др.) може да възникне сейш по време на преминаване на кораби.

Най-често в моретата и океаните навигаторите трябва да се справят с ветрови вълни, които карат кораба да се търкаля, наводнява палубата, намалява скоростта и при силна буря причинява щети, които водят до смъртта на кораба.

Вятърните вълни се делят на три основни вида:

вятър- това е вълнението, което се образува от вятъра, който духа на дадено място в даден момент. С отслабването или пълното спиране на вятъра, вълнението преминава в подуване.

Подути- това е вълна, която се разпространява по инерция под формата на свободни вълни след отслабване или спиране на вятъра. Подуване, което се разпространява по време на спокойствие, се нарича мъртво подуване. Вълните обикновено са по-дълги от вятърните, по-слаби и имат почти симетрична форма. Посоката на вълната може да се различава от посоката на вятъра и често вълната се разпространява към вятъра или под прав ъгъл спрямо него.

Сърфирайте- Това са вълни, образувани от вятърни вълни или вълни в близост до брега. Разпространявайки се от дълбоките води на открито море към брега в плитки води, вълните се трансформират. Триизмерните вълни се превръщат в двуизмерни, имащи формата на дълги гребени, успоредни един на друг.Тяхната височина, стръмност и разрушителна сила нарастват.Силата на удара на разбиваща се вълна може да достигне 90 t/m 2 . В зоната за прибой възникват моменти на преобръщане и преобръщане, които са опасни за плавателните съдове.

Следователно навигацията в плитката крайбрежна зона и кацането тук е много трудно, опасно, а понякога и невъзможно.

Подводни предупреждения могат да бъдат прекъсвачи.

Разбивачът е явление, когато вълните се обръщат и разбиват в плитчини, брегове, рифове и други дънни възвишения.

Един вид вълна е тълпа -това е срещата на вълни от различни посоки, в резултат на което те губят определена посока на движение и са произволни стоящи вълни.

Всяка вълна се характеризира с определени елементи, като например:

Гребенвълни - частта от вълната, разположена над спокойното ниво.

Вертексвълни - най-високата точка на гребена на вълната.

Кухвълни - частта от вълната, разположена под спокойното ниво.

Вълните се характеризират със следните елементи (фиг. 1):

Ориз. 1 Вълнови елементи

Подметка - най-ниската точка на кухината на вълната;

Височина ч- вертикално разстояние от дъното до върха на вълната;

Дължина λ - хоризонтално разстояние между върховете на две съседни гребени;

Стръмност - съотношението на височината на вълната към нейната дължина ();

Период τ - интервалът от време между преминаването на два съседни върха през една и съща фиксирана точка;

Фронт - линия, минаваща по гребена на дадена вълна; линия, перпендикулярна на фронта на вълната, се нарича вълнов лъч;

Скорост на разпространение ° С - разстоянието, изминато от определена точка от вълната за единица време;

Посока на разпространение - ъгълът, измерен от север по посока на движението на вълните (или истинският румб, откъдето се движат вълните).

Въз основа на хидродинамичната теория на вълните се получават формули, които свързват отделни елементи на вълните в дълбоки води (когато дълбочината на морето >);

с= 1,56 τ,

λ = 0,64 с 2 ,

τ = 0,64 с,

Височината на вълната се измерва директно или се определя приблизително с помощта на специална номограма.

Установено е, че с дълбочина вълните бързо затихват и се разпространяват на дълбочини, равни на дължината на вълната. И така, на дълбочина, равна на половината от дължината на вълната, височината на вълната е 23 пъти по-малка, отколкото на повърхността, а на дълбочина, равна на дължината на вълната, 535 пъти.

При навигацията трябва да се има предвид, че големи вълни се получават, когато духа много силен вятър с постоянна посока за дълго време

(повече от един ден), в басейни със значителни размери и дълбочина, както и в крайбрежната зона, образуването на вълни, в допълнение към дълбочината, е силно повлияно от конфигурацията на бреговата линия и посоката на вятъра спрямо брега ( вятър от брега или от морето).

Изследването на моделите на вятърните вълни е интересно не само от гледна точка на фундаменталната наука, но и от гледна точка на практическите нужди, като например навигация, изграждане на хидравлични съоръжения, пристанищни комплекси и изчисляване на технически оборудване за нефтени и газови находища на шелфа. Около 80% от доказаните запаси от нефт и газ са концентрирани на дъното на океаните и моретата, а изграждането на офшорни платформи и офшорните сондажи изискват надеждни данни за режима на вятърните вълни. Познаването на граничните размери на вълните в различни акватории на Световния океан също е необходимо, за да се гарантира безопасността на корабоплаването в тези места.

Вятърните вълни са явление, което се проявява на повърхността на всяко водно тяло. Мащабът на това явление за различните резервоари ще бъде различен. Леонардо да Винчи веднъж е написал: „... вълна тече от мястото си на произход, но водата не се движи от мястото си. Подобно на вълните, образувани през май върху нивите от хода на ветровете, вълните сякаш се движат през полето, докато полетата не напускат мястото си. Тази особеност на вятърните вълни

194_______________________ Глава 10 Вълни в океана __________________________

е от огромно практическо значение: ако заедно с формата, т.е. вълната, се движеше и масата, т.е. водата, тогава нито един кораб не би могъл да се движи срещу вълните. Вятърните вълни обикновено се разделят на три вида:

Вятърни вълни, които са под пряка
действие на вятъра;

Набъбващи вълни, които се наблюдават след спиране на вятъра
ra или след излизане на вълните от зоната на действие на вятъра;

Смесено вълнение, когато вятърните вълни се наслагват върху вълните на вълната

Тъй като ветровете над океаните и моретата, особено в умерените ширини, са с променлива скорост и посока, вятърните вълни са пространствено нехомогенни и значително променливи във времето. В този случай вълновите полета са още по-нехомогенни от вятърните полета, тъй като вълните могат да пристигнат в един или друг регион едновременно от различни (различно разположени) зони на генериране.

Ако внимателно се вгледате в бурната морска повърхност, тогава можете да стигнете до заключението, че вълните се сменят една друга без видима закономерност - още по-голяма или може би много малка вълна може да дойде след голяма вълна; понякога няколко големи вълни идват подред, а понякога между вълните има област с почти спокойна повърхност. Голямата променливост на конфигурацията на бурната морска повърхност, особено в случай на смесени вълни (а това е най-често срещаната ситуация) дава повод на известния английски физик лорд Томсън да заяви, че „... основният закон на вятърните вълни е очевидната липса на какъвто и да е закон." И наистина, до сега не можем да предвидим със сигурност последователността на редуване на отделните вълни дори по някоя от характеристиките, например по височина, да не говорим за други характеристики, като формата на хребети и падини, и т.н.

При добавяне на две хармонични трептения, чиито честоти са достатъчно близки, възниква нехармонично трептене, наречено биене, което се характеризира с периодична промяна на интензитета с честота, равна на разликата между взаимодействащите трептения (фиг. 10). 2). Нещо подобно се наблюдава при вятърните вълни. Тъй като вълните идват във всяка област от различни зони и техните честоти могат да бъдат

гл. 10. Вълни в океана 197

Югоизточното крайбрежие на Африка е известно - тук силните ветрове разпръскват големи вълни, вълни, идващи от юг, и Северното течение - всичко това създава необичайно трудни условия за плуване. Бартоломео Диас, чиято експедиция вече беше спомената, в този район на океана устоя на силно вълнение в продължение на две седмици и според легендата продаде душата си на дявола, за да премине това място. По това време то помогна.Диас подмина това място, нарече го Нос на бурите, но две години по-късно умря там. Португалският крал Йоан II преименува нос Бури на нос Добра надежда, тъй като зад него се крие надежда да се стигне до Индия по море. Именно с този нос е свързан произходът на легендата за "Летящия холандец". Именно тук се наблюдават единични вълни убийци, които се образуват в резултат на взаимодействието на вълни и течения. Тези вълни представляват стръмно издигане на вода, имат много стръмен преден наклон и доста леко корито. Височината им може да надхвърли 15-20 м, като често се срещат в относително спокойни морета. Вълните в този район представляват сериозна опасност за съвременните кораби. Голяма опасност представляват и вълните при тропическите урагани и тайфуни.

Науката за вълните възниква и се развива като един от разделите на класическата хидродинамика и до 50-те години на ХХ век. практически не започнаха да описват такова сложно смущение като вятърни вълни на повърхността на резервоарите. Степента на възбуда се оценява главно по скалата на Beaufort на око (Таблица 10.3).

В началото на ХХв. с прехода от ветроходния флот към парния флот, броят на авариите и загубата на кораби донякъде намаля (имаше 250-300 кораба годишно, стана ~ 150) и се появи подценяване на природните сили при определяне на безопасността на навигация. Сред корабостроителите от началото на ХХ век. имаше мнение, че "силите на елементите се предават пред нови издръжливи кораби". Това мнение струва живота на много моряци. Морските вълни са доста страхотен феномен на природата, а природата не толерира пренебрежение и често отмъщава на хората, като по този начин инициира желанието на хората да разберат по-добре и по-дълбоко нейните закони.

В табл. Таблица 10.4 показва броя на корабите, загубени поради бури и други неблагоприятни хидрометеорологични условия, свързани главно с тежко море, за периода от 1975 до 1979 г. Тази извадка се отнася само за относително големи търговски кораби (повече от 500 регистрови тона). Броят на авариите на по-малките кораби през същия период се определя с четирицифрено число. Стана ясно, че

гл. 10. Вълни в океана 199

За измерване на вълни обикновено се използват акселерометрични устройства за записване на вълни с шамандури, базирани на принципа на акустичен ехолот и хидростатични устройства за записване на вълни. Вълновите регистратори обикновено измерват средната и максималната височина на вълните, средния период и дължина на вълната, честотния спектър на вълните.

В акселерометричен рекордер на вълни вълновите елементи се определят чрез двойно интегриране на сигнала, получен от акселерометричния сензор. Най-често срещаните записващи устройства за чужди вълни са подредени по този принцип. Принципът на действие на хидростатичните вълнови регистратори се основава на връзката на хидростатичните трептения на определена дълбочина с характеристиките на вълновите повърхностни трептения.

Ехолокацията се използва при озвучаване на моментните стойности на надморската височина на водната повърхност от свободно плаващ или закотвен буй (директен ехолот). Записващите вълни, чийто принцип на работа се основава на обратна ехолокация, извършват озвучаване на интерфейса вода-въздух от под водата.

Радари със синтетична апертура, висотомери, инсталирани на сателити, позволяват да се измерват основните характеристики на вятърните вълни. Дистанционните методи позволяват да се получат характеристиките на вятърните вълни на големи площи. Въз основа на такива измервания се създават съвременни атласи на ветрови вълни. Данните за вълните могат да бъдат получени от http://www.waveclimate.com.

Както показва историята на развитието на нашето фундаментално познание за вълните, е необходима тясна връзка между теоретичните, експерименталните и теренните изследвания.

Вятърът е най-важният параметър, от който зависят геометричните характеристики на вълните. Въпреки това, при постоянен и доста дълъг вятър, средните характеристики на вълните се увеличават по пътя на тяхното разпространение, докато са под действието на вятъра. Този път се нарича дължина на ускорението на вятъра или просто ускорение. Трудностите при наблюдението на морските вълни и регистрирането им в естествени условия принудиха учените да се обърнат към лабораторното моделиране на вятърните вълни. В ранните дни на изучаването на морските вълни, лабораторното моделиране беше почти единственият източник на количествени характеристики на вълните. Този източник обаче се оказа много ограничен - и ето защо. Основната трудност при лабораторното моделиране на вълните е да се осигури достатъчно голямо вълново ускорение, т.е. необходимо е наличието на дълги канали. Средните вълнови параметри обикновено се променят с времето и

208_______________________ гл. 10. Вълни в океана __________________________

в този случай всеки спектрален компонент достига максимум, след това намалява до минимум и накрая достига равновесна стойност. Този ефект се нарича ефект на превишаване. Установен е чрез измервания в естествени и лабораторни условия. Предната част на спектъра се формира в резултат на експоненциалното развитие на неговите компоненти и механизма на нелинейното преразпределение на енергията между спектралните компоненти. Уравнението на вятърния енергиен баланс е разгледано подробно в монографии.

Най-известният и изследван вид дълги вълни са приливите и отливите. Приливите и отливите се причиняват от гравитационните (формиращи приливите) сили на Луната и Слънцето. В океаните и моретата приливите и отливите се проявяват под формата на периодични колебания в нивото на водната повърхност и течения. Приливни движения също съществуват в атмосферата и приливни деформации в твърдата Земя, но тук те са по-слабо изразени, отколкото в океана.

В крайбрежните зони величината на колебанията на нивото достига 5-10 м. Максималните стойности на колебанията на нивото се достигат в залива Fundy (Канада) - 18 м. Край бреговете на Русия най-високият прилив се наблюдава в Пенжина Залив - 12,9 м. Скоростта на приливните течения в крайбрежната зона достига 15 км/ч. В открития океан колебанията в нивото и скоростта на теченията са много по-малки.

Приливната сила на Луната е около два пъти по-голяма от тази на Слънцето. Вертикалните компоненти на приливната сила са много по-малки от силата на гравитацията, така че ефектът им е незначителен. Но хоризонталната компонента на приливната сила причинява значителни движения на водни частици, които се проявяват под формата на приливи и отливи.

Комбинираното действие на Луната и Слънцето води до образуването на сложни форми на колебания на нивата. Има следните основни видове приливи: полудневни, дневни, смесени, аномални. При полуденонощен прилив периодът на колебание на водната повърхност е равен на половин лунен ден. Амплитудата на полуденонощния прилив варира в зависимост от фазите на луната. Полуденонощният прилив е най-често срещан в океаните. Периодът на колебания на нивото на дневния прилив е равен на лунните дни. Амплитудата на дневния прилив зависи от деклинацията на луната. Смесените приливи и отливи се делят на неправилни полудневни и неправилни дневни. аномални приливи и отливи

гл. 10. Вълни в океана 209

Те имат няколко разновидности, но всички те са доста редки в океаните.

За морската практика прогнозата (или предварителното изчисляване) на приливните нива е от голямо значение. Прогнозата за приливи и отливи се основава на хармоничен анализ на наблюденията на колебанията на нивото. След като се отделят основните хармонични компоненти според данните от наблюденията, нивото се изчислява в бъдеще. Най-пълното хармонично разширение на приливообразуващия потенциал, извършено от А. Дъдсън, съдържа повече от 750 компонента. Методите за прогнозиране на приливи и отливи са разгледани подробно в.

Първата теория за приливите и отливите е разработена от И. Нютон и се нарича статична. В статичната теория се счита, че океанът покрива цялата Земя, която се счита за недеформируема, а водата се счита за невискозна и безинерционна. При океан, покриващ цялата Земя, статичният прилив се описва от приливния потенциал с точност до постоянен фактор. Водната повърхност на океана се описва от така наречения "приливен елипсоид", чиято голяма ос е насочена към смущаващото светило (Луната, Слънцето) и го следва. Земята се върти около оста си и вътре в този "приливен елипсоид". Статичната теория, въпреки слабостта на основните предположения, правилно описва основните свойства на приливите и отливите.

По-съвършена динамична теория за приливите и отливите, която вече разглежда движението на вълните в океана, е изградена от Лаплас. В динамичната теория уравненията на движението и уравнението на непрекъснатостта са записани под формата на приливни уравнения на Лаплас. Приливните уравнения на Лаплас са частични диференциални уравнения, записани в сферична координатна система, така че тяхното аналитично решение може да бъде получено само за идеални случаи, като например тесен дълбок канал, обграждащ цялата Земя (т.нар. теория на прилива на канала). За малки водни площи приливните уравнения на Лаплас могат да бъдат записани в декартовата координатна система. Резултатите от изчисленията на приливите и отливите в Световния океан се представят под формата на специални карти, на които се нанася положението на гребена на приливната вълна в различно време (обикновено лунно). Съвременните диаграми на приливите и отливите са изградени въз основа на числени методи, като се вземат предвид данните от наблюденията.

210 гл. 10 Вълни в океана

Теорията за дългите вълни се основава на предположението, че дълбочината на течността зе малка в сравнение с дължината на вълната А, т.е. A ^> Н.Теорията за дългите вълни описва приливни явления, вълни цунами, както и ветрови вълни и вълни, разпространяващи се в плитки води. Дългите вълни също включват наводнения и бура, наблюдавани в резервоари и реки.

амплитуда на дълги вълни Амного по-малки от тяхната дължина A th може да се опише с помощта на линейната теория. Ако тези условия не са изпълнени, трябва да се вземат предвид нелинейните ефекти.

Цунами буквално означава "голяма вълна в пристанището" на японски. Под цунами обикновено се разбират гравитационни вълни, възникващи в морето поради мащабни, краткотрайни смущения (подводни земетресения, подводни вулкани, подводни свлачища, падане на метеорити във вода, скални фрагменти, експлозии във вода, рязка промяна на метеорологичните условия, и т.н.).

Характерната продължителност на вълната цунами е 10–100 минути; дължина - 10-1000 км; скорост на разпространение L™Am,m ..

ускорение на гравитацията, аз съм дълбочина а височината по време на движение по инерция може да достигне десетки метри. Тези вълни са много дълги, в първото приближение за тях е приложима теорията за "плитка вода".

По отношение на броя на смъртните случаи годишно в резултат на природни бедствия на Земята, цунамито се нарежда на 5-то място след наводненията, тайфуните, земетресенията и сушите. Разпределението на цунамито в регионите се характеризира със силна хетерогенност; основният брой цунами се случва в моретата на Тихия океан.

Разпределението на цунамито в океаните и моретата се характеризира, както следва:

Тихия океан (периферията му) 75%

азАтлантически океан 9%

Индийски океан 3%

Средиземно море 12%

други морета 1%

За да добием представа за цунамито, представяме характеристиките на най-големите цунами за стогодишен интервал (1880-1980) в таблица. 10 6.

За да класифицира цунамито, академик С. Л. Соловьов предложи полуколичествена скала (въз основа на анализ на исторически цунами), която се основава на височината на покачване на нивото.

катастрофално цунами(интензитет 4). Средното покачване на нивото на участък от брега с дължина 400 km (и повече) достига 8 м. Вълните на места са с височина 20-30 м. Всички структури на брега са разрушени. Такива цунамита има по цялото тихоокеанско крайбрежие.

Много силно цунами(интензитет 3). На бряг с дължина 200-400 км водата се издига с 4-8 м, на места до 11 м. Такива цунамита се наблюдават в повечето океани.

Силни цунамита(интензитет 2). На брега с дължина 80-200 km средното покачване на нивото на водата е 2-4 m, на места 3-6 m.

умерено цунами(интензитет 1). В района на 70-80 км водата се покачва с 1-2 м.

Слабо цунами(интензитет 0). Покачване на нивото по-малко от 1 m.

212 гл. 10 Вълни в океана

Други цунамита са с интензитет от -1 до -5.

Колкото по-силно е цунамито, толкова по-рядко се случват. Цунами с интензитет 4 се случват веднъж на 10 години, а в Тихия океан; интензивност 3 - веднъж на 3 години; интензивност 2 - 1 път на 2 години; интензивност 1 - 1 път годишно; интензивност 0 - 4 пъти годишно.

Основните причини за цунами са земетресения, експлозии на вулканични острови и изригване на подводни вулкани, свлачища и свлачища. Нека накратко разгледаме тези причини поотделно.

Около 85% от цунамитата са причинени от подводни земетресения. Това се дължи на сеизмичността на много океански зони. Средно годишно се случват 100 000 земетресения, от които 100 са катастрофални. Средно веднъж на 10 години земетресение предизвиква цунами в Тихия океан със (средна) височина до 8 m (на места до 20-30 m) (интензитет 4). Цунами с височина 4-8 m (със сеизмичен произход) възниква на всеки 3 години, 2-4 m височина - годишно.

В Далечния изток (РФ) за 10 години има 3-4 цунами с височина над 2 м. Най-трагичното цунами в Русия се случи на 4 ноември 1952 г. в Северо-Курилск. Градът е почти напълно разрушен. Земетресението започна през нощта, около 40 минути след като приключи, върху града се срути водна шахта, която се оттегли след няколко минути. Морското дъно беше оголено в продължение на няколкостотин метра, но след около 20 минути вълна с височина над 10 метра връхлетя града, която унищожи почти всичко по пътя си. След като се отрази от хълмовете около града, вълната се претърколи в низината, където се намираше центърът на града, и завърши разрушението. Цунамито изненада жителите на града.

На Земята има две зони на земетръсни източници. Едната е разположена в меридионална посока и минава покрай източното и западното крайбрежие на Тихия океан. Тази зона дава основната част от цунамито (до 80%). Втората зона на земетръсните източници заема географска ширина - Апенините, Алпите, Карпатите, Кавказ, Тян Шан. В рамките на тази зона цунамито се среща по бреговете на Средиземно, Адриатическо, Арабско, Черно море, в северната част на Индийския океан. По-малко от 20% от всички цунамита възникват в тази зона.

Механизмът на генериране на цунами по време на земетресения е следният. Основната причина е бързата промяна на релефа на морското дъно

гл. 10 Вълни в океана 213

(изместване), което води до отклонения на повърхността на океана от равновесното положение. Поради ниската свиваемост на водата има бързо понижаване или издигане на значителна маса вода в зоната на движение. Получените смущения се разпространяват под формата на дълги гравитационни вълни.

За количественото описание на земетресенията се използват интензивността и магнитудът. Интензитетът се оценява в точки (12-точкова скала MSK-64). (Япония има 7-степенна скала). Точка - единица за измерване на треперене на земята, почва. Основната характеристика, която определя интензитета, е реакцията на почвите към сеизмичните вълни. Енергията на едно земетресение се определя от магнитуда М.

Най-важната задача при прогнозирането на цунами от сеизмичен произход е установяването на признаци на цунамигенност на земетресенията. Сега се смята, че ако магнитудът на земетресението надвишава определена прагова стойност Mn, източникът се намира под морското дъно, тогава земетресението ще бъде цунамигенно.

За Япония се предлагат емпирични формули, които свързват магнитуда на цунамигенните земетресения и дълбочината на източника з(в километри):

Не повече от 0,1 от енергията, освободена по време на земетресение, се превръща в енергия на цунами.

В резултат на анализа на теренните данни бяха установени следните свойства на източника на цунамигенни земетресения. Енергията се разпространява главно по нормалата към главната ос на източника. Степента на ориентация зависи от удължението на фокуса. Центровете на големи цунамита като правило са силно удължени. Техните оси са ориентирани успоредно на най-близкия бряг, падина или островна дъга, така че основният източник на енергия е насочен към морето. Съотношението на амплитудата на вълната по протежение на разлома и амплитудата на вълната в посока, перпендикулярна на разлома, е приблизително равно на 1/10-1/15. Отделни измервания потвърждават това, например цунамито, причинено от земетресението в Аляска през 1964 г., вълните от което са регистрирани в няколко сеизмични станции в Тихия океан. Това направи възможно конструирането на достатъчно подробен модел на радиация на цунами.

Подводните земетресения причиняват не само вълни цунами, те могат да причинят силни смущения на водния слой в епицентралния регион, което може да се прояви като рязко увеличаване на вертикалния обмен в океана. Вертикална

214 Глава 10 Вълни в океана

Обменът води до трансформация на полетата на температурата, солеността и цвета на океана. Освобождаването на дълбоки води на повърхността ще доведе до образуването на огромна аномалия в повърхностната температура на океана. Отстраняването на биогените в повърхностния слой, който обикновено е обеднен с тези вещества, води до увеличаване на концентрацията на фитопланктон. Тъй като фитопланктонът е основното звено в трофичната верига и определя биопродуктивността на водите, са възможни явления като миграция на риби, морски животни и др.. Непосредствено над епицентралната област се наблюдават силни нарушения на водния слой, изразяващи се в кипене на вода , изхвърляне на водни стълбове и образуване на стръмни стоящи вълни с амплитуда до 10 м. Сред моряците това явление е известно като морско земетресение. В резултат на анализа на сателитни данни за температурата на повърхността на океана и сеизмични данни беше установено намаляване на температурата на повърхността на океана и повишаване на концентрацията на хлорофил "а", което последва серия от силни подводни земетресения в района на ​Остров Сулавеси (Индонезия, 2000 г.). Серия от лабораторни експерименти позволиха да се установи, че колебанията на дъното на басейна могат да доведат до генериране на вертикални потоци, които могат да разрушат съществуващата стабилна стратификация и да доведат до освобождаване на студени и богати на хранителни вещества дълбоки води на повърхността, което ще водят до образуването на аномалия в повърхностната температура на океана и концентрацията на хлорофил.

На земята има около 520 активни вулкана, две трети от които са разположени по бреговете и островите на Тихия океан. Техните изригвания често водят до цунами. Нека дадем няколко примера.

По време на експлозията на вулкана Кракатау на 26 август 1883 г. в Индонезия височината на вълната цунами достигна 45 м, загинаха 36 000 души. Вълни цунами помеха целия свят. Енергията на тази катастрофа е еквивалентна на енергията на експлозия на 250-500 хиляди атомни бомби от типа на Хирошима.

Експлозията на вулканичния остров Тир в Егейско море преди 35 века (вулканът и островът са се наричали Санторини) причинява смъртта на минойската цивилизация. Това събитие вероятно е послужило като прототип на Атлантида. Служителите на проекта "Союзморния" С. Стрекалов и Б. Дугинов описват смъртта на минойската цивилизация по този начин.

„Великата минойска цивилизация се отличаваше с ненадминати произведения на изкуството и художествените занаяти, величествени дворци. В средата на XV век. пр.н.е д. катастрофа сполетя Крит. Почти всички дворци бяха разрушени,

Глава 10. Вълни в океана 215

Селищата са изоставени от жителите си. Има две хипотези за смъртта. Според една е разрушена от варварите - ахейските гърци, според друга причината е природно бедствие. Преди около 3,5 хиляди години вулканичният остров Санторини експлодира в Егейско море. В резултат на бедствието се образуват гигантски вълни, които удрят остров Крит и се разпространяват в Египет, заливайки делтата на Нил. така ли беше Възможно ли е това да е истинската причина за смъртта на цивилизацията? Тези въпроси определят формулирането на следния хидродинамичен проблем: „Катастрофално цунами на брега на Крит и в Египет през 15-14 век. пр.н.е."

В крайбрежната зона на Крит са открити керамични изделия под водата на дълбочина от 8 до 30 m, а строителни блокове от древни времена са открити на дълбочина 30-35 m. Въз основа на факта, че отливната вълна е равна на приливната вълна, първата също имаше височина 30-35 м. В търсене на аналози на такава вълна в приблизително съответния подводен и повърхностен терен, ние се обърнахме към най-много мощно природно бедствие от последните векове - експлозията на вулкана Кракатау (в края на 19 век.). Там вълната цунами, според наличните данни, е достигнала в източника височина 40 м. Въз основа на аналога предположихме, че земетресение с магнитуд 8,5 е станало в района на остров Санторини на дълбочина около 300 м . Освен това взехме посоката на оста на източника да съвпада с посоката на изобатите в района на остров Санторини и успоредна на надлъжната на остров Крит. Тогава, в резултат на изчисления, извършени по оригиналния метод, разработен в Союзморнийпроект, беше установено, че в съответствие с първоначалните данни трябва да се появи единична вълна цунами от солитонен тип с височина 44 m и дължина около 100 km. са възникнали; в този случай дължината на надлъжната ос на фокуса е 220 km, а ширината му е 50 km. Разпространението на такава вълна позволява да се предположи следното.

На юг от източника вълната намалява, а близо до северния бряг на Крит височината му е 31 м. С преминаването в заливите на острова височината на вълната се увеличава до 50 м, а след като се отразява от стръмни брегове и континенталния склон, отделните пръски могат да достигнат височина от 60-100 м. Средиземноморската вълна преминава през проливите, отслабвайки поради екраниране от островите. При излизане от протока Касос край южния бряг на Крит височината на вълната е 9,3 м. След пресичане на Средиземно море и взаимодействие на вълната с континенталния склон и шелфа в района на делтата на Нил височината й става 4 м.

216 Глава 10. Вълни в океана.

(от порядъка на 5,5 10-5), вълната се разпространява на разстояние от 73 km до устната част на скалната основа, т.е. практически цялата морска част на делтата е подложена на наводнение. В делтата на Нил, по време на исторически период от няколко хиляди години, скоростта на отлагане на алувиум е практически постоянна и равна на 0,9-1,3 mm на година. Изключение прави второто хилядолетие пр. н. е., когато забележими отлагания на алувий не могат да бъдат открити по причини, които не са напълно ясни. Може да се предположи, че вълната цунами, заляла делтата през този период от време, е отмила и отнесла целия повърхностен алувиален слой в морето.

Бедствието, което се случи на остров Санторини, наред с екологичните вероятно е имало сериозни социални последици. Огромни вълни, високи 30-50 м, бяха напълно способни да унищожат минойската цивилизация, която съществуваше на Крит. Наводнението на делтата на Нил в периода от края на 18 - началото на 19 династия на фараоните е преди всичко резултат от рязко влошаване на екологичната ситуация, свързано с изчезването на плодородния слой на почвата, засоляването и образуването на на блата. Социалните последици от кризата на селското стопанство в делтата може в крайна сметка да са допринесли за началото на упадъка на египетското царство.

Наскоро (01.08.1933 г.) вулканична експлозия на остров Харимкатан доведе до образуването на цунами с вълни, достигащи 9 m (Курилски хребет).

Най-впечатляващият пример за образуване на вълна цунами по време на срутване се случи на 10 юли 1958 г. Лавина с обем 300 милиона m спрямо необезпокояваното ниво, когато вълната се издига до брега).

Цунами с височина до 15 m възниква от парче скала, падащо от височина 200 m (остров Мадейра, 1930 г.). В Норвегия през 1934 г. цунами с височина 37 м възниква от падането на скала с тегло 3 милиона тона от височина 500 м.

Свлачищата по склона на океанския изкоп (Пуерто Рико) през декември 1951 г. предизвикаха вълна цунами. Свлачища и потоци от мътност често се наблюдават на континенталния склон на океана, докато ролята на индикатори за образуването и преминаването на свлачища или потоци от мътност играят прекъсванията на кабели и тръбопроводи.

На 6 октомври 1979 г. цунами с височина 3 метра връхлита Лазурния бряг край Ница. Внимателен сеизмичен анализ

гл. 10. Вълни в океана 217

Ситуацията и метеорологичните условия позволиха да се заключи, че причината за цунамито са подводни свлачища. Инженерните работи на шелфа могат да провокират образуването на свлачища и в резултат на това възникването на цунами.

Експлозиите във водата на атомни и водородни бомби могат да предизвикат вълна като цунами. Например на атола Бикини експлозията Бейкър създаде вълни с височина около 28 м на разстояние 300 м от епицентъра. Военните обмисляха въпроса за изкуственото създаване на цунами. Но тъй като само малка част от енергията на експлозията се преобразува в енергия на вълната по време на образуването на цунами и насочеността на вълната на цунамито е ниска, енергийните разходи за създаване на изкуствено цунами (мощна вълна, надигаща се в определен част от брега) са много високи.

В развитието на цунами обикновено се разграничават 3 етапа: 1) образуването на вълни и тяхното разпространение в близост до източника; 2) разпространение на вълни в открития океан на голяма дълбочина; 3) трансформация, отражение и унищожаване на вълните на шелфа, тяхното натиск до брега, резонансни явления в заливи и на шелфа. Изследователството на тези етапи е значително различно.

За да се реши хидродинамичната задача за изчисляване на вълните, е необходимо да се зададат началните условия - полетата на преместванията и скоростите в източника. Тези данни могат да бъдат получени чрез директно измерване на цунами в океана или индиректно чрез анализиране на характеристиките на процесите, които генерират цунами. Първите регистрации на цунами в открития океан са извършени от С. Л. Соловьов и др., през 1980 г. близо до Южните Курилски острови. Съществува фундаментална възможност за определяне на параметрите в източника въз основа на решението на обратната задача - въз основа на малкото прояви на цунами на брега, определете неговите параметри в източника. Въпреки това, като правило, има много малко полеви данни за правилното решение на такава обратна задача.

За да се предвиди проявата на цунами в крайбрежната зона и да се решат други инженерни проблеми, е необходимо да се знае промяната във височината, периода и посоката на фронта на вълната поради пречупване. За тази цел служат диаграми на пречупване, които показват позицията на вълновите гребени (фронтовете) на различни разстояния по едно и също време или позициите на гребена на една и съща вълна по различно време. На същата карта са начертани лъчи (ортогонални на позицията на фронтовете). Ако приемем, че енергийният поток между два ортогонални е запазен, можем да оценим промяната във височината на вълната. Пресичането на лъчите води до неограничено увеличаване на височината на вълната. Пренасяна мощност

220 Глава 10. Вълни в океана

Rising breaker - вълна се търкаля, без да се разбива по стръмни склонове.

Морското вълнение е движението на водната повърхност нагоре и надолу от средното ниво. Те обаче не се движат в хоризонтална посока по време на вълни. Това може да се види, като се наблюдава поведението на полюшваща се на вълните поплавък.

Вълните се характеризират със следните елементи: най-ниската част на вълната се нарича дъно, а най-високата част се нарича гребен. Стръмността на склоновете е ъгълът между неговия наклон и хоризонталната равнина. Вертикалното разстояние между дъното и гребена е височината на вълната. Може да достигне 14-25 метра. Разстоянието между две подметки или два гребена се нарича дължина на вълната. Най-голямата дължина е около 250 м, изключително редки са вълни до 500 м. Скоростта на движение на вълните се характеризира с тяхната скорост, т.е. разстоянието, изминато от билото, обикновено за секунда.

Основната причина за образуването на вълни е. При ниски скорости се появяват вълни - система от малки равномерни вълни. Те се появяват при всеки порив на вятъра и мигновено избледняват. При много силен вятър, който се превръща в буря, вълните могат да се деформират, докато подветреният склон се оказва по-стръмен от наветрения, а при много силни ветрове гребените на вълните се откъсват и образуват бяла пяна - „агнета“. Когато бурята свърши, високи вълни все още бродят в морето за дълго време, но без остри гребени. Дълги и леко наклонени вълни след спиране на вятъра се наричат ​​вълни. Голямо вълнение с малка стръмност и дължина на вълната до 300-400 метра при липса на вятър се нарича вятърно вълнение.

Трансформацията на вълните се случва и при приближаването им до брега. При приближаване до леко наклонен бряг долната част на настъпващата вълна се забавя на земята; дължината намалява, а височината се увеличава. Върхът на вълната се движи по-бързо от дъното. Вълната се преобръща и нейният гребен, падайки, се разпада на малки, наситени с въздух, пенливи пръски. Вълни, разбиващи се близо до брега, образуват прибой. Винаги е успореден на брега. Водата, изпръскана от вълната на брега, бавно тече обратно по плажа.

Когато вълната се приближи до стръмен бряг, тя се удря с цялата си сила в скалите. В този случай вълната се изхвърля нагоре под формата на красива, пенеста шахта, достигаща височина 30-60 метра. В зависимост от формата на скалите и посоката на вълните, шахтата се разделя на части. Силата на удара на вълните достига 30 тона на 1 m2. Но трябва да се отбележи, че основната роля играят не механичните въздействия на водните маси върху скалите, а получените въздушни мехурчета и хидравлични капки, които основно разрушават съставните скали (виж Абразия).

Вълните активно разрушават крайбрежната земя, гълтат и изтриват кластичния материал и след това го разпределят по подводния склон. В дълбините на брега силата на удара на вълните е много висока. Понякога на известно разстояние от брега има плитчина под формата на подводен шиш. В този случай преобръщането на вълните става на плитчините и се образува прекъсвач.

Формата на вълната се променя през цялото време, създавайки впечатление за бягане. Това се дължи на факта, че всяка водна частица описва кръгове около равновесното ниво с равномерно движение. Всички тези частици се движат в една и съща посока. Във всеки момент частиците са в различни точки на кръга; това е вълновата система.

Най-големите вятърни вълни са наблюдавани в южното полукълбо, където океанът е най-обширен и където западните ветрове са най-постоянни и силни. Тук вълните достигат 25 метра височина и 400 метра дължина. Скоростта им на движение е около 20 m/s. В моретата вълните са по-малки – дори в големите достигат едва 5м.

За оценка на степента на вълнение на морето се използва 9-степенна скала. Може да се използва при изследване на всяко водно тяло.

9-степенна скала за оценка на степента на вълнение на морето

Точки	Признаци за степента на възбуда
0	Гладка повърхност
1	Вълнички и малки вълни
2	Малки гребени на вълните започват да се обръщат, но все още няма бяла пяна
3	На места по гребените на вълните се появяват "агнета".
4	Навсякъде се образуват "агнета".
5	Появяват се хребети с голяма височина и вятърът започва да разкъсва бяла пяна от тях.
6	Гребените образуват валове от буреносни вълни. Пяната започва да се разтяга напълно
7	Дълги ивици пяна покриват склоновете на вълните и на места стигат до дъното им.
8	Пяната напълно покрива склоновете на вълните, повърхността става бяла
9	Цялата повърхност на вълната е покрита със слой пяна, въздухът е пълен с мъгла и пръски, видимостта е намалена

За защита на пристанищните съоръжения, котвените стоянки, крайбрежните зони на морето от каменни и бетонни блокове се изграждат вълноломи, които намаляват енергията на вълните, за да ги предпазят от вълни.

При продължително действие на вятъра върху повърхността на водата се развиват вълни, при които водните частици извършват сложно въртеливо-постъпателно движение. По време на вълни водата създава допълнителен натиск върху конструкцията (над хидростатичното, съответстващо на изчисленото ниво), наречено вълново налягане.

Видът на вълните и стойността на техните параметри (вис ч, период, дължина на вълната, - фиг. 2.6) зависят от вълнообразуващи фактори - скорост на вятъра У, продължителността на действието му T, дълбочина на резервоара зи дължина на вълновото ускорение д.

Ориз. 2.6 Параметри на вълната

Височината на вълната се определя от най-неблагоприятната комбинация от скорости на вятъра по време на проектната буря и дължината на ускорението. Дължината на ускорението е равна на разстоянието по права линия от брега до конструкцията, а големината на скоростта на вятъра в тази посока се определя от розата на вятъра (фиг. 2.7).

Ориз. 2.7 Роза на вятъра ( А) и дължината на вълновото ускорение ( b)

Вълни, чиито периоди и височина се променят произволно от една вълна на друга, се наричат ​​неправилни; ако периодите и височините на отделните вълни са еднакви, те се класифицират като редовни.

Вълновото поле на резервоара е разделено на зони по дължината на вълновото ускорение (фиг. 2.8): аз- дълбоко море (), където практически дъното не влияе на параметрите на вълните; II- плитък ( ), при които с намаляване на дълбочината дължината и скоростта на вълните намаляват, а стръмността на предните и лекотата на задните склонове се увеличават (когато вълните се разрушават и се превръщат в разбиващи се вълни); III- зона на сърф вълни, преобръщащи се при движение (); IV- близо до брега, където вълните най-накрая се разбиват и след това се търкалят върху брега.
Скоростта на вятъра, определена на всяка височина, се намалява до височина 10 m над нивото на водата. Проектна вероятност за буря за конструкции азИ IIклас - 2%, IIIИ IV - 4%.

Поради ниската точност на определяне на вълнообразуващите фактори, по-специално скоростта на вятъра, точността на изчисляване на вълновите елементи е ниска. Не е възможно скоростта на вятъра да се оцени с достатъчна точност от преки наблюдения, поради факта, че едва след създаването на резервоара се развива съответната ситуация, която определя формирането на въздушния поток при прехода от сушата към водата повърхност. Получаването на изчислената височина на вълната с точност от около 10% изисква точност от около 5% от скоростта на вятъра, въведена в изчислението, което все още е недостижимо. В резултат на приблизителното определяне на височината на вълната се получава приблизителна стойност на вълновото натоварване.

Системата от вълни, образувани по време на проектната буря, се характеризира със средни стойности и , за да се определи кои се изчисляват от дадените У, зИ дбезразмерни параметри , , и по-нататък по номограмата на фиг. 2.9 (SNiP I-57-75) се търсят , , определяне и .
Горната обвивка на номограмата съответства на дълбоководната зона, за която изчисленията и се извършват според първоначалните параметри и ; при липса на актуални данни се приема T= 6 часа

След като определи и , техните най-малки стойности се използват за намиране на средната височина и период на вълната.
Полето под обвиващата крива съответства на плитка водна зона с наклон на дъното от 0,001 или по-малко. Изчисляване и водене по параметри

Ориз. 2.8 Разделяне на акваторията на зони по дълбочина:
аз- дълбоки води; II- плитък; III- сърф; IV- близо до вода; 1 – подравняване на счупването на първата вълна; 2 - последен колапс

Ориз. 2.9 Графики за определяне на средните стойности на елементите на вятърната вълна в дълбока вода ази плитък (с наклон на дъното) IIзони

И . При наклон на дъното над 0,001, изчисляването на височината на вълната чпроизвеждат [SNiP 11-57-75, App. I, стр. 17], като се вземе предвид трансформацията на вълните. т.е. промени в параметрите на вълната поради намаляване на дълбочината, като се вземе предвид пречупването - кривината на линията на върха на вълната по време на приближаване на наклонена вълна - и като се вземат предвид загубите на енергия.

Средната дължина на вълната в дълбоководната зона се определя по формулата

(2.10)

височина на вълната РПроцентът на покритие във вълновата система на дълбоководната зона се определя чрез умножаване на средната височина на вълната с коефициент, който зависи от вълнообразуващите фактори и има стойност, равна или малко по-малка от посочената по-долу.

Критична стойност на дълбочината N кр(дълбочина на вълната) зависи от много едновременно действащи фактори. Може да се вземе N кр = (1,25-1,8)з аз.

Височината на вълната се брои от изчисленото ниво, което при дадена маркировка на нивото на водата в горния басейн може да се промени поради вълна на вятъра със стойността

(2.11)

Къде е ъгълът между надлъжната ос на резервоара и посоката на вятъра.

морски вълни

морски вълни

периодични колебания на повърхността на морето или океана, дължащи се на възвратно-постъпателни или кръгови движения на водата. В зависимост от причините за движение, ветрови вълни, приливни вълни ( приливиИ отлив), барични (сейши) и сеизмични ( цунами). Характеризират се вълните висок, равно на вертикалното разстояние между гребена и дъното на вълната, дължина– хоризонтално разстояние между два съседни гребена, скорост на разпространениеИ Период. При ветрови вълни трае ок. 30 s, за барични и сеизмични - от няколко минути до няколко часа, за приливни се измерва в часове.

Най-често срещан във водата вятървълни. Те се образуват и развиват благодарение на енергията на вятъра, пренесена във водата поради триене и от натиска на въздушния поток върху склоновете на гребените на вълните. Те винаги съществуват в открития океан и могат да имат голямо разнообразие от размери, достигайки дължини. до 400 м, х. 12–13 m и скорост на разпространение 14–15 m/s. Макс. регистриран високо. вълната на вятъра е 25–26 m, възможни са по-високи вълни. В началния етап на развитие вятърните вълни се движат в успоредни редици, които след това се разпадат на отделни гребени. В дълбоки води размерът и характерът на вълните се определят от скоростта на вятъра, продължителността на неговото действие и разстоянието от подветреното пространство; малките дълбочини ограничават растежа на вълните. Ако вятърът, предизвикал вълнението, утихне, тогава ветровите вълни се превръщат в т.нар. набъбвам. Често се наблюдава едновременно с ветровите вълни, като не винаги съвпада с тях по посока и височина.

В сърф зоната, т.нар. сърф бийтове- периодични покачвания на нивото на водата при приближаване на група високи вълни. Високо издигането може да бъде от 10 см до 2 м, рядко до 2,5 м. Сейшовете обикновено се наблюдават в ограничени водоеми (морета, заливи, проливи, езера) и представляват стоящи вълни, най-често причинени от бърза промяна в атмосферата. налягане, по-рядко по други причини (внезапно нахлуване на наводнения, проливни дъждове и др.). Веднъж предизвикана, деформацията на водното ниво води до постепенно затихващи трептения в него. В същото време в някои точки нивото на водата остава постоянно – това е т.нар. възли на стояща вълна. Високо такива вълни са незначителни - обикновено няколко десетки сантиметра, рядко до 1-2 m.

География. Съвременна илюстрована енциклопедия. - М.: Росман. Под редакцията на проф. А. П. Горкина. 2006 .

Вижте какво са "морските вълни" в други речници:

Смущения на повърхността на морето или океана, причинени от вятър, приливно-образуващи сили на Луната, Слънцето, подводни земетресения и др. Те се делят на вятърни, приливни, гравитационни (цунами) и др. Вълните съществуват на повърхността на водната среда ... ... Морски речник

Вълни на повърхността на море или океан. Поради високата подвижност на водните частици, под въздействието на различни видове сили, те лесно излизат от състоянието на равновесие и извършват колебателни движения. Вълните се причиняват от...

ВЪЛНИ на морето- колебания на водните частици около равновесното положение, разпространяващи се в морето. Те се причиняват от вятър, приливни сили, промени в атмосферното налягане, земетресения, движение на твърди тела във вода и др. Основните елементи на вълновото движение ... ... Морски енциклопедичен справочник

Вълни, които възникват и се разпространяват по свободната повърхност на течност или на границата между две несмесващи се течности. V. на стр. се образуват под въздействието на външно въздействие, в резултат на което повърхността на течността ... ... Велика съветска енциклопедия

Смущения, разпространяващи се с крайна скорост в пространството и пренасящи енергия без пренос на материя. Най-разпространени са еластичните вълни (морски, звукови и др.). Електромагнитните вълни се възбуждат от атоми, молекули, ... ... Морски речник

Морски вълни Жанр документален режисьор (((режисьор))) Едисън филмова компания ... Уикипедия

ВЪЛНИ- Да видите вълни насън - до пречки в бизнеса, усилия и борба за успех. Ако вълните са чисти, тогава ще получите нови знания, които ще ви помогнат да вземете по-добро решение в живота. Мръсните вълни предвещават грешка, изпълнена с непоправими ... ... Тълкуване на сънища Мелников

Черната рибарка (Onychoprion fuscata) е в състояние да остане във въздуха 3-10 години, като само от време на време каца на водата ... Wikipedia

Снимка на голяма вълна, приближаваща се към търговски кораб. Приблизително 1940-те Вълни убийци (Блуждаещи вълни, чудовищни ​​вълни, бяла вълна, английска измамна вълна в ... Уикипедия

Тази страница е речник. # A ... Уикипедия

Книги

• Морски истории, Гусева Галина. Морската романтика винаги е привличала хората.Вечната водна стихия крие толкова много в себе си, че ви се иска да покорявате вълните една по една. Уникален дневник на един запален любител на пътешествията с яхта - ...