Типи тахарактеристики хвиль
Як вітри збуджують хвилі. Перш ніж говорити про те, як збуджуються хвилі, наведемо спочатку характер самого вітру (рисунок 17.4). У поверхні поле швидкостей повітряному потоці зовсім однорідно і «не гладко», швидкості різко змінюються — іноді менше, іноді більше — і картина носить хаотичний характер, т. е. турбулентна за своєю природою. Про розподіл швидкості вітру необхідно зробити ще два важливі зауваження.
1. Поле швидкостей нестаціонарне: воно зміщується зі швидкістю, що дорівнює середній швидкості вітру.
2. Середня відстань, що розділяє осередки з найбільшою енергією в полі швидкостей, залишається незмінною, поки залишається незмінною середня швидкість вітру; тому розподіл цих осередків впливає передачу енергії певним океанським хвиль.
Зроблені зауваження означають, що поле вітру біля поверхні має певну «структуру». Це дуже важливо і згадану структуру можна закартувати, щоб побачити поле випадкових флуктуацій тиску, як це зроблено на малюнку 17.4. А щоб точно закартувати таке поле, треба провести одночасні виміри атмосферного тиску на просторих просторах океану. Але ніхто ще не здійснив цей подвиг! Однак ми можемо робити висновки про існування певної структури поля вітру, стежачи за змінами тиску в часі на одній вимірювальній станції, наприклад на судні або буї.
Малюнок 17.4. Вітри повідомляють енергію поверхневим хвиль нерівномірно. Над морською поверхнею вітер рухається з деякою середньою швидкістю. У цьому загальному потоці повітря малі флуктуації тиску розподілені випадково, але максимальна відстань між ними залежить від швидкості вітру. При «стійкому» вітрі ця відстань зберігається незмінною і утворюються хвилі так самодовжини. Чим вища швидкість вітру, тим більша відстань між флуктуаціями тиску і тим довша — і вища — поверхневі хвилі, що утворюються.
В океанах хвилі незмінно забиратимуть енергію з турбулентного повітряного потоку і збільшуватимуть свою амплітуду, якщо
а) відстань L між гребенями хвиль відповідає розподілу флуктуацій атмосферного тиску, тобто якщо області підвищеного тиску припадають на улоговини хвильового поля, а ділянки зниженого тиску збігаються з гребенями хвиль, і
б) хвилі, що ростуть, рухаються в тому ж напрямку, що і середній вітер, і приблизно з тією ж швидкістю, тобто якщо система розподілу тиску може живити хвилі енергією безперервно.
Аналогія з розподілом вітрів над нивами Канзасу допоможе читачеві зрозуміти, що є ця рухома, хаотична, турбулентна структура. Ті, хто спостерігав великі хлібні поля, можуть згадати рух плям світла, відбитого від тих ділянок, де злаки сильніше схилилися під вітром, ніж сусідніх ділянках. На широкому полі можна побачити відразу кілька таких плям, і всі вони рухаються у напрямку середнього вітру. На поверхні океану цим плямам відповідають «комірки», показані малюнку 17.4. Важливо зауважити, що якби все поле вітру раптово піднялося вгору і відірвалося від хлібного поля, то й вся структура плям негайно зникла б: «хвилі» вже не поширюватимуться полем, якщо зняти вітровий вплив.
Навпаки, хвилі, що виникають в океанах, продовжують існувати і після зникнення вітрів, що їх збуджують. Це прості хвилеподібні обурення поверхні океану, що біжать у тому напрямі, у якому віяв вітер, «розгойдував» воду. Отже, якщо такі хвилі рухаються загалом у напрямідії вітру і зі швидкістю, близькою до середньої швидкості цього вітру, їхня енергія постійно наростає; турбулентні вітрові осередки продовжують над ними «робити роботу», якщо і хвилі, і ці осередки рухаються більш-менш узгоджено за напрямом вітру.
Визначимо тепер суворо, як енергія передається від вітру морським хвиль. Спочатку енергія руху середнього вітрового поля створює в шарі повітря, що безпосередньо стикається з поверхнею, комірки турбулентності. У процесі «узгодження» піків високого тиску в турбулентних осередках з западинами морських хвиль, що біжать, а мінімумів тиску — з гребенями хвиль вітрове поле штовхає і тягне частинки 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 якій вітрове та хвильове поле залишаються взаємопов'язаними.
Роль тривалості впливу вітру та величини розгону. Інтуїція підказує нам, що має існувати якась межа зростання хвиль під час передачі енергії від вітрового поля. Одне таке обмеження накладається максимумом відношення висоти хвилі Н до її довжини L, тобто Н/L (рис. 17.5). Це відношення називається «крутістю хвилі», і коли крутість хвилі перевищує 1:7, тобто коли висота її стає більше однієї сьомої її довжини, хвиля, як правило, руйнується. Обвал гребеня хвилі в морі, що дає згадані вище білі «баранчики», призводить до втрати частини енергії хвильового руху в турбулентному русі самих цих «баранчиків». Хвиля котиться далі із залишком своєї енергії, і якщо вона залишається як і раніше пов'язаною звітровим полем, то, зрештою, заповнить втрати, знову придбає критичну крутість, знову обвалиться і т. д. Коли море досягло такого стану, то говорять про «повністю розвинене хвилювання», коли воно цілком узгоджується з збуджуючим його полем вітру.
Малюнок 17.5. Обмеження хвиль за висотою.
(а) Критичний стан для обвалення хвилі залежить або від мінімального кута при вершині хвилі, або від максимальної висоти Н хвилі при даній довжині L (відстань від гребеня до гребеня). Критичне значення H/L: при Н = L /7 кут при вершині (біля гребеня) хвилі стає критичним; подальше зростання (загострення) хвилі призводить до появи «баранчиків», тобто до обвалення хвилі.
(б) Рельєф океанічних поверхневих хвиль визначений інтерпретацією аерофотознімків. Цей спосіб дає фотографічно «зображений» миттєвий профіль поверхні поділу повітря/вода. Графік показує, як можна оцінити ставлення H/L для реальних хвиль:
Чи зможе крутість цієї хвилі зрости до критичної величини, залежить від того, наскільки довго хвиля перебуває під впливом вітру. Якщо вітрове поле згасає або якщо атмосферне обурення, що породило його, переміщається до інших районів океану, хвилювання не встигає повністю розвинутися. Інакше кажучи, хвильове поле не встигає «дозріти», і його називають обмеженим за тривалістю розвитку.
Хвильове поле може бути обмеженим і за довжиною розгону. Це буває у тих випадках, коли, будучи ще не повністю розвиненими, хвилі зустрічають на своєму шляху якусь перешкоду. Наприклад, хвилі, не набравши ще повної сили, наштовхуються на берег. Більшість із нас знайомі з цим обмеженням, оскільки бували на невеликих озерах; чим більше озеро, тим більше і хвилі, що ударяють пронавітряні береги.
На малюнку 17.3 чудово видно, який характер набуває хвилювання, якщо розгін необмежений: у 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.
Таблиця 17.1. Характеристики вітрових хвиль, що спостерігаються в морі за різної 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 швидкостей, що спостерігалися, — 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 самою швидкістю, що й система осередків тиску в середньому вітрі.
2. Як середній період хвиль, що спостерігається, 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 - У 2,14 рази.
3. Однак зауважте, що довжина зростає більш ніж у чотири рази — з 78 до 384 м, коли швидкість вітру лише подвоюється (з 14,2 до 31,1 м/с). Це говорить про те, що ті хвилі, які рухаються швидше, мають і більшу довжину, або, що те саме, довгі хвилі поширюються з більшою швидкістю, ніж короткі.
4. Щільність енергії в полі найдовших хвиль також зростає більш ніж у чотири рази при тій самій 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 більш коротка хвиля, що виникає при швидкості вітру 14,2 м/с, — 59,5 кДж/м. 2, тобто відношення дорівнює приблизно 4:1. Крім того, довгі хвилі переносять енергію вдвічі швидше за короткі. Отже, вони приблизно у 8 разів потужніші! Більш детально енергія вітрових хвиль буде розглянута у розділі Море та людина.
5. Нарешті, крутість (ставлення висоти до довжини) цих домінуючих хвиль зі зростанням швидкості вітру та інших чинників знижується. Це безпосередньо випливає з того, що довжина хвилі (яка затверджується) зростає набагато швидше, ніж висота (яка лише подвоюється).
На малюнку 17.6 графічно зображено дані таблиці 17.1 щодо генерації хвиль вітрами. Видно, як змінюється пік розподілу енергії, залежно від характеру вітру; при цьому передбачається, що тривалість дії вітру і розгін дозволяють хвилям завжди розвинутися повністю. Щоб отримати більш цілісне уявлення, порівняйте цей графік із часткою вітрових хвиль у загальному спектрі розподілу енергії на малюнку 17.2.
Малюнок 17.6. Збільшення енергії цуга хвиль у разі зростання швидкості вітру, що збуджує цю хвильову систему (за даними таблиці 17.1).