Волны зыби

Волны зыби создаются движением частиц воды по орбитам, имеющим форму окружности или эллипса, причем точки, находя­щиеся на одном и том же горизонте, движутся по орбитам одина­кового радиуса, но с последовательным сдвигом фазы на каждой орбите, а находящиеся на одной вертикали движутся в одной и той же фазе, но по орбитам с уменьшающимся в глубину радиусом. Теория дает формулу для определения этого уменьшения:

2 kz

г_г = г₀е~*, (10.10)

где r_z и г₀ — радиусы орбит на горизонте z и на поверхности, м; А, — длина волны, м. Из формулы следует, что на горизонте z, равном

длине волны, радиус орбиты равен все­го двум тысячным от радиуса на поверх­ности, а на горизонте Х/2 — ъ половину длины волны — У23, т. е. около 4 %. По­этому обычно считают, что такая волна распространяется в слое толщиной в по­ловину длины волны.

С

Рис. 10.8. Профиль поверхности трохоидальной волны (зыби): сплошная линия — профиль волны в начальный момент времени, пунктир — тот же профиль, сместившийся в направлении распространения волны (показано стрелкой); цифры без штриха — номера частиц на орбитах в начальный момент, цифры со штрихом — те же частицы на новом положении

К основным элементам волны отно­сятся: длина X (м) — кратчайшее рассто­яние между двумя соседними вершина­ми — самыми высокими точками гребней, возвышенных частей воды (или между двумя соседними подошвами — самыми низкими участками ложбины волны);

з высота h (м) — разность уровней вер- § шины и подошвы; крутизна а — отно- “ шение высоты волны к ее длине (h/X); I волновой уровень — линия, делящая пло- "о щадь трохоиды пополам. Движение вол- <= ны характеризуют: период х (с) — время, за которое волна проходит расстояние, равное своей длине (или время между прохождением двух вершин через одну и ту же вертикаль). Частота 1/х (Гц) — число колебаний в одну секунду. Фазо­вая скорость с = Х/т (м/с) — расстояние, проходимое волной (вершиной) за одну секунду. Направление волны считается «в компас» (как и направление ветра), т. е. откуда идет волна, и измеряется или в градусах или по румбам (чаще всего — по восьми). Волны зыби чаще всего бывают двумерными, т. е. изменя­ются лишь по линии распространения и по высоте. В направлении, перпенди­кулярном этой плоскости, вдоль греб­ня, или фронта волны, изменений не происходит. Это определение дается по­тому, что в океане преобладают трех­мерные волны, в которых изменения

высоты (и длины) происходят и вдоль фронта. Это преимуществен­но ветровые волны и волны типа толчеи (стоячие волны). В дву­мерной волне можно определить и волновой луч — линию, перпенди­кулярную фронту волны.

В установившейся системе волн зыби действуют лишь две силы: тяжести и центробежная сила орбитального движения частиц. Поэтому существуют теоретические формулы связи между элементами волны:

с = (io.il)

X = /1^ ; (Ю.12)

V 8

* = 1М’ ^(10ЛЗ)

где щ — орбитальная скорость частицы на поверхности. Приведенный выше закон затухания волнения с глубиной может быть записан как

Inz

h_z=he~, (10.14)

так как высота волны h представляет собой диаметр орбиты, т. е. 2г. Поэтому и орбитальная скорость на горизонте z может быть выра­жена через орбитальную скорость на поверхности:

2 kz

u_z = и₀е~ , (10.15)

Из этих формул может быть получена и энергия волны. Полную волцовую энергию, заключенную в объеме воды от поверхности на всю толщу распространения волнового движения (практически на половину длины волны) протяженностью по фронту В и в направ­лении движения на одну длину волны, определяют по формуле

Е = ^т.и\ (Ю.16)

где р — плотность воды.

Вертикальное строение волны можно представить и как карти­ну деформации структуры слоя воды (это хорошо показано поплав­ками на рис. 10.9).

Рис. 10.9. Вертикальное строение вол­ны зыби. На поверхности волны по­казаны поплавки, пунктиром показаны орбиты частиц

Воздействуя на поверхность воды, ветер, благодаря трению о воду, создает касательные напряжения и влекущие усилия, а также вызывает местные колебания давления воздуха. В результате на поверхности воды даже при ветре, имеющем скорость 1 м/с, обра­зуются маленькие волны высотой, измеряемой в миллиметрах, и длиной — в сантиметрах. Эти едва зародившиеся волны имеют вид ряби. Так как существование таких волн связано с поверхно­стным натяжением, их называют капиллярными. Если ветер прошел над водой кратковременным порывом, то образованные им пятна ряби исчезают с прекращением ветра — поверхностное натяжение стремится сократить площадь поверхности воды. Если ветер устой­чивый, то капиллярные волны увеличиваются в размерах, прежде всего по длине. Рост волн приводит к объединению их в группы и удлинению до нескольких метров. Волны становятся гравитаци­онными.

Процессы передачи энергии от воздуха к воде и начальные стадии развития волн достаточно сложны. Существенное отличие ветрового волнения от зыби состоит в том, что оно развивается под действием не двух, а многих сил. Добавляется влияние ветра (тре­ние и давление). Это приводит к нарушению симметрии формы волны — передний склон становится круче заднего, следовательно, и короче его (рис. 10.10). Частицы воды приобретают поступатель­ную скорость и, закончив один оборот, возвращаются не в точку начала движения, а оказываются чуть впереди в сторону распрост­ранения волны — орбита не замыкается. Эта асимметрия профиля волны, увеличение крутизны переднего склона может дойти до срыва гребня, до образования пенного барашка. Наконец, из-за того что скорость ветра часто неравномерна вдоль фронта (гребня) волны, становится неравномерной и высота волны вдоль гребня, иначе говоря, волна оказывается не двумерной, а трехмерной. Вот такие волны и встречаются в море чаще всего.

Рис. 10.10. Профиль поверхности ветровой волны. Стрелка показывает направление ветра и распространения волны

Размеры трехмерных волн тем больше, чем ветер сильнее, про­должительнее и чем больше его разгон, т. е. расстояние, которое он пробегает над водой (эта дистанция зависит от его направления и размера самого моря). Наибольшие высоты волн наблюдаются в районах с частыми и продолжительными штормами. Обширные площади сильного волнения расположены в умеренных широтах,

которые даже получили название «ревущие сороковые». Интенсив­ное волнение часто наблюдается в районе Антарктического цир­кумполярного течения, в области квазистационарных атмосферных фронтов и т. д. Самые большие высоты волн — 34 м — встречались в середине северной части Тихого океана, самые большие длины — около 800 м — у южных берегов Британских островов и в эквато­риальной части Атлантического океана. Отмечались также гигант­ские волны у южных берегов Африки, ставшие причиной катаст­роф нескольких судов, «волны-убийцы», единичные волны высотой больше 20 м. Однако в большинстве случаев высоты волн не до­стигают и 4 м, а волны выше 7,5 м встречаются довольно редко. Обычная длина больших волн тоже значительно меньше макси­мальных значений: 130—170 м.

Измерение элементов волн связано с большими техническими трудностями, к тому же измерения в одной точке мало характери­зуют все трехмерное волновое поле. Лучший способ его изучения в настоящее время — спутниковая альтиметрия, которая дает пол­ную картину топографии волновой поверхности моря вдоль орбиты спутника в момент его пролета с погрешностью до нескольких сантиметров. Более того, современные численные волновые модели по высоте волн и скорости их распространения в океане позволяют получить достоверную картину скорости и направления приводного ветра. В массовых наблюдениях для качественной оценки размеров волнения в баллах до сих пор широко пользуются и приближенны­ми приемами (табл. 10.4).

Таблица 10.4. Шкала степени волнения

* Высота наиболее крупных волн.