В динамике жидкости , в ветровой волне или ветра генерируемых волн , является водой поверхностной волны , которая происходит на свободную поверхность в водоемах . Волны ветра возникают из-за ветра, дующего над жидкой поверхностью, где контактное расстояние в направлении ветра известно как опускание . Волны в океанах могут преодолевать тысячи километров, прежде чем достичь суши. Ветровые волны на Земле варьируются по размеру от небольшой ряби до волн высотой более 30 м (100 футов), которые ограничиваются скоростью ветра, продолжительностью, скоростью подъема и глубиной воды. [1]
Система ветровых волн, создаваемая непосредственно местным ветром и находящаяся под ее воздействием, называется ветровым морем . Ветровые волны после создания будут двигаться по маршруту большого круга - слегка изгибаясь влево в южном полушарии и немного вправо в северном полушарии. Ветровые волны после выхода за пределы зоны подъема называются зыбью и могут преодолевать тысячи километров. Заслуживающий внимания пример этого - волны, генерируемые к югу от Тасмании во время сильных ветров, которые дойдут до южной Калифорнии, создав желательные условия для серфинга. Зыбь состоит из генерируемых ветром волн, на которые местный ветер в то время не оказывает значительного влияния. Они были созданы в другом месте и некоторое время назад. [2]Ветровые волны в океане также называют океанскими поверхностными волнами и в основном представляют собой гравитационные волны .
Ветровые волны имеют определенную степень случайности : последующие волны различаются по высоте, продолжительности и форме с ограниченной предсказуемостью. Их можно описать как стохастический процесс в сочетании с физикой, управляющей их возникновением, ростом, распространением и распадом, а также регулирующими взаимозависимость между величинами потока, такими как движения поверхности воды , скорости потока и давление воды . Ключевая статистика ветровых волн (как морей, так и волн) в меняющихся состояниях моря может быть предсказана с помощью моделей ветрового волнения .
Хотя волны обычно рассматриваются в водных морях Земли, углеводородные моря Титана также могут иметь ветровые волны. [3] [4] [5]
Подавляющее большинство крупных бурунов, которые можно увидеть на пляже, - это результат далеких ветров. На формирование структур течения в ветровых волнах влияют пять факторов: [6]
Все эти факторы работают вместе, чтобы определить размер водных волн и структуру потока внутри них.
Основные параметры, связанные с волнами:
Полностью развитое море имеет максимальный размер волны, теоретически возможный для ветра определенной силы, продолжительности и силы ветра. Дальнейшее воздействие этого специфического ветра могло вызвать только рассеяние энергии из-за разрушения вершин волн и образования «белых шапок». Волны в данной области обычно имеют разную высоту. Для сообщений о погоде и для научного анализа статистики ветровых волн их характерная высота за определенный период времени обычно выражается как значительная высота волн . Эта цифра представляет собой среднийвысота наивысшей одной трети волн в заданный период времени (обычно выбирается где-то в диапазоне от 20 минут до двенадцати часов) или в конкретной волновой или штормовой системе. Значительная высота волны также является величиной, которую «обученный наблюдатель» (например, из экипажа судна) мог бы оценить по визуальному наблюдению за состоянием моря. Учитывая изменчивость высоты волн, самые большие отдельные волны, вероятно, будут несколько меньше, чем в два раза превышающей зарегистрированную высоту значительной волны для конкретного дня или шторма. [7]
Волнообразование на изначально плоской водной поверхности ветром начинается случайным распределением нормального давления турбулентного ветрового потока над водой. Это колебание давления вызывает нормальные и касательные напряжения в поверхностных водах, которые создают волны. Предполагается, что: [8]
Второй механизм связан с силами сдвига ветра на поверхности воды. Джон У. Майлз предложил механизм генерации поверхностных волн, который инициируется турбулентными сдвиговыми потоками ветра на основе невязкого уравнения Орра-Зоммерфельда в 1957 году. Он обнаружил, что передача энергии от ветра к поверхности воды пропорциональна кривизне профиля скорости движения воды. ветер в точке, где средняя скорость ветра равна скорости волны. Поскольку профиль скорости ветра логарифмичен по отношению к поверхности воды, кривизна в этой точке имеет отрицательный знак. Это соотношение показывает, как ветровой поток передает свою кинетическую энергию поверхности воды на их границе раздела.
Предположения:
Обычно эти механизмы формирования волн возникают вместе на поверхности воды и в конечном итоге создают полностью развитые волны.
Например, [10], если мы предполагаем, что поверхность моря плоская (состояние 0 по шкале Бофорта), и внезапный поток ветра постоянно дует через поверхность моря, процесс генерации физических волн следует последовательности:
Условия, необходимые для полностью развитого моря при заданных скоростях ветра, и параметры возникающих волн. | |||||
---|---|---|---|---|---|
Ветровые условия | Размер волны | ||||
Скорость ветра в одном направлении | Принести | Продолжительность ветра | Средний рост | Средняя длина волны | Средний период и скорость |
19 км / ч (12 миль / ч) | 19 км (12 миль) | 2 часа | 0,27 м (0,89 футов) | 8,5 м (28 футов) | 3,0 с, 10,2 км / ч (9,3 фут / с) |
37 км / ч (23 миль / ч) | 139 км (86 миль) | 10 часов | 1,5 м (4,9 футов) | 33,8 м (111 футов) | 5,7 сек, 21,4 км / ч (19,5 футов / сек) |
56 км / ч (35 миль / ч) | 518 км (322 миль) | 23 часа | 4,1 м (13 футов) | 76,5 м (251 футов) | 8,6 сек, 32,0 км / ч (29,2 фут / сек) |
74 км / ч (46 миль / ч) | 1,313 км (816 миль) | 42 часа | 8,5 м (28 футов) | 136 м (446 футов) | 11,4 сек, 42,9 км / ч (39,1 фут / сек) |
92 км / ч (57 миль / ч) | 2,627 км (1,632 миль) | 69 часов | 14,8 м (49 футов) | 212,2 м (696 футов) | 14,3 сек, 53,4 км / ч (48,7 фут / сек) |
ПРИМЕЧАНИЕ. Большинство скоростей волн, рассчитанных из длины волны, деленной на период, пропорциональны квадратному корню из длины волны. Таким образом, за исключением самой короткой длины волны, волны следуют теории глубоководья. Волна длиной 28 футов должна быть либо на мелководье, либо на средней глубине. |
Со временем развиваются три разных типа ветровых волн:
Волны появляются на гладкой воде, когда дует ветер, но быстро исчезнут, если ветер прекратится. Возвращающая сила, которая позволяет им распространяться, - это поверхностное натяжение . Морские волны представляют собой крупномасштабные, часто нерегулярные движения, возникающие при устойчивых ветрах. Эти волны, как правило, длятся намного дольше, даже после того, как ветер стих, а восстанавливающая сила, которая позволяет им распространяться, - это гравитация. По мере того, как волны распространяются от своей области происхождения, они естественным образом разделяются на группы с общим направлением и длиной волны. Наборы волн, сформированные таким образом, известны как зыби. Тихий океан является 19,800km от Индонезии до побережья Колумбии и, основываясь на средней длину волны 76.5m, будет иметь \ 258,824 набухает над этой шириной.
Отдельные « волны- убийцы» (также называемые «волнами-убийцами», «волнами-монстрами», «волнами-убийцами» и «волнами короля») могут возникать намного выше, чем другие волны в состоянии моря . В случае волны Драупнера ее высота 25 м (82 фута) была в 2,2 раза больше высоты значительной волны . Такие волны отличаются от приливов и отливов , вызванные Луны и Солнца «s гравитационного притяжения , цунами , вызванные подводными землетрясениями или оползнями , и волны , генерируемые подводных взрывов или падения метеоритов- все они имеют гораздо более длинные волны, чем ветровые волны.
Самые большие из когда-либо зарегистрированных ветровых волн - это не волны-убийцы, а стандартные волны в экстремальных морских условиях. Например, на RRS Discovery были зарегистрированы волны высотой 29,1 м (95 футов) в море со значительной высотой волны 18,5 м (61 фут), так что самая высокая волна была только в 1,6 раза больше высоты значительной волны. [13] Самый большой зарегистрированный буй (по состоянию на 2011 год) был 32,3 м (106 футов) в высоту во время тайфуна Кроса 2007 года недалеко от Тайваня. [14]
Океанские волны можно классифицировать на основе: возмущающей силы, которая их создает; степень, в которой возмущающая сила продолжает влиять на них после формирования; степень, до которой восстанавливающая сила ослабляет или сглаживает их; и их длина волны или период. Сейсмические морские волны имеют период около 20 минут и скорость 760 км / ч (470 миль в час). Ветровые волны (глубоководные волны) имеют период около 20 секунд.
Тип волны | Типичная длина волны | Возмущающая сила | Восстанавливающая сила |
---|---|---|---|
Капиллярная волна | <2 см | Ветер | Поверхностное натяжение |
Ветровая волна | 60–150 м (200–490 футов) | Ветер над океаном | Сила тяжести |
Seiche | Большой, изменчивый; функция размера бассейна | Изменение атмосферного давления, штормовой нагон | Сила тяжести |
Сейсмическая морская волна (цунами) | 200 км (120 миль) | Разломы морского дна, извержение вулкана, оползень | Сила тяжести |
Прилив | Половина окружности Земли | Гравитационное притяжение, вращение Земли | Сила тяжести |
Скорость всех океанских волн зависит от силы тяжести, длины волны и глубины воды. Большинство характеристик океанских волн зависит от соотношения между их длиной волны и глубиной воды. Длина волны определяет размер орбит молекул воды внутри волны, но глубина воды определяет форму орбит. Пути молекул воды в ветровой волне являются круговыми только тогда, когда волна распространяется на большой глубине. Волна не может «чувствовать» дно, когда она движется в воде глубже половины своей длины волны, потому что слишком мало энергии волны содержится в маленьких кружочках ниже этой глубины. Волны, движущиеся в воде глубже половины своей длины волны, известны как глубоководные волны. С другой стороны, орбиты молекул воды в волнах, движущихся по мелководью, сглаживаются близостью дна морской поверхности.Волны в воде глубже 1/20 их исходной длины известны как волны на мелководье. Переходные волны проходят через воду глубже 1/20 их исходной длины волны, но меньше половины их исходной длины волны.
Как правило, чем длиннее длина волны, тем быстрее энергия волны перемещается по воде. Связь между длиной волны, периодом и скоростью любой волны:
где C - скорость (скорость), L - длина волны, а T - время или период (в секундах). Таким образом, скорость волны определяется функциональной зависимостью длины волны от периода ( дисперсионное соотношение ).
Скорость глубоководной волны также можно приблизительно определить следующим образом:
где g - ускорение свободного падения, 9,8 метра (32 фута) в секунду в квадрате. Поскольку g и π (3.14) - константы, уравнение можно свести к следующему:
когда C измеряется в метрах в секунду, а L - в метрах. Обратите внимание, что в обеих формулах скорость волны пропорциональна квадратному корню из длины волны.
Скорость волн на мелководье описывается другим уравнением, которое можно записать как:
где C - скорость (в метрах в секунду), g - ускорение свободного падения, а d - глубина воды (в метрах). Период волны остается неизменным независимо от глубины воды, через которую она движется. Однако по мере того, как глубоководные волны входят на мелководье и ощущают дно, их скорость уменьшается, а гребни «сгущаются», поэтому длина волны укорачивается.
По мере того, как волны перемещаются от глубины к мелководью, их форма изменяется (высота волны увеличивается, скорость уменьшается, а длина уменьшается по мере того, как волновые орбиты становятся асимметричными). Этот процесс называется обмелением .
Преломление волн - это процесс, который происходит, когда волны взаимодействуют с морским дном, чтобы замедлить скорость распространения в зависимости от длины и периода волны. По мере того, как волны замедляются на мелководье, гребни имеют тенденцию перестраиваться под уменьшающимся углом к контурам глубины. Различная глубина гребня волны заставляет гребень перемещаться с разной фазовой скоростью , причем те части волны на более глубокой воде движутся быстрее, чем на мелководье . Этот процесс продолжается, пока глубина уменьшается, и меняется на противоположную, если она снова увеличивается, но волна, покидающая мелководье, могла значительно изменить направление. Лучи - линии, перпендикулярные гребням волн, между которыми фиксированное количество энергии.поток сдерживается - сходятся на местных отмелях и отмелях. Следовательно, энергия волны между лучами концентрируется по мере того, как они сходятся, что приводит к увеличению высоты волны.
Поскольку эти эффекты связаны с пространственным изменением фазовой скорости, и поскольку фазовая скорость также изменяется с окружающим током - из-за доплеровского сдвига - те же эффекты рефракции и изменения высоты волны также возникают из-за изменений тока. В случае встречи с встречным течением волна становится круче , т. Е. Ее высота увеличивается, а длина волны уменьшается, аналогично обмелению при уменьшении глубины воды. [17]
Некоторые волны претерпевают явление под названием «нарушение». [18] разрыв волна одна база которого больше не может поддерживать свою вершину, заставляя его разрушиться. Волна разбивается, когда она выходит на мелководье или когда две волновые системы противостоят и объединяют силы. Когда наклон или крутизна волны слишком велика, разбивка неизбежна.
Индивидуальные волны в глубоком прорыва воды , когда волна крутизны соотношение по высоте волны H к длине волны λ -exceeds около 0,17, так что для H > 0,17 λ . На мелководье, когда глубина воды мала по сравнению с длиной волны, отдельные волны разбиваются, когда их высота H волны больше 0,8 глубины воды h , то есть H > 0,8 h . [19] Волны также могут ломаться, если ветер становится достаточно сильным, чтобы сдуть гребень с основания волны.
На мелководье основание волны замедляется за счет сопротивления морскому дну. В результате верхние части будут двигаться с большей скоростью, чем основание, и передняя поверхность гребня станет более крутой, а задняя поверхность более плоской. Это может быть преувеличено до такой степени, что передняя поверхность образует профиль ствола с гребнем, падающим вперед и вниз, когда он простирается по воздуху перед волной.
Серферы и спасатели серфинга выделяют три основных типа волн . Их различные характеристики делают их более или менее подходящими для серфинга и представляют различные опасности.
Когда береговая линия близка к вертикали, волны не разбиваются, а отражаются. Большая часть энергии сохраняется в волне, когда она возвращается к морю. Интерференционные картины вызваны наложением падающих и отраженных волн, и это наложение может вызвать локализованную нестабильность при пересечении пиков, и эти пики могут сломаться из-за нестабильности. (см. также клапотические волны )
Ветровые волны - это механические волны, которые распространяются вдоль границы раздела между водой и воздухом ; восстанавливающая сила обеспечивается силой тяжести, поэтому их часто называют поверхностными гравитационными волнами . Когда дует ветер , давление и трение нарушают равновесие водной поверхности и передают энергию от воздуха воде, образуя волны. Первоначальное формирование волн ветром описано в теории Филлипса 1957 года, а последующий рост малых волн моделировался Майлзом также в 1957 году [20] [21].
В линейных плоских волнах одной длины волны на глубокой воде участки у поверхности движутся не просто вверх и вниз, а по круговым орбитам: вперед вверху и назад внизу (по сравнению с направлением распространения волны). В результате поверхность воды образует не точную синусоидальную волну , а скорее трохоиду с более острыми изгибами, направленными вверх - как моделируется в теории трохоидальных волн . Таким образом, ветровые волны представляют собой комбинацию поперечных и продольных волн.
Когда волны распространяются на мелководье (где глубина меньше половины длины волны), траектории частиц сжимаются в эллипсы . [23] [24]
В действительности при конечных значениях амплитуды (высоты) волны траектории частиц не образуют замкнутых орбит; скорее, после прохождения каждого гребня частицы немного смещаются от своих прежних положений, явление, известное как стоксов дрейф . [25] [26]
По мере увеличения глубины под свободной поверхностью радиус кругового движения уменьшается. На глубине, равной половине длины волны λ, орбитальное движение снизилось до менее 5% от его значения на поверхности. Скорость фазы (также называемая Celerity) поверхность гравитационной волны - для чистого периодического волнового движения малых амплитуд волн - хорошо аппроксимируется
куда
В глубокой воде, где , так и гиперболический тангенс приближается , скорость аппроксимирует
В единицах СИ, в м / с , когда измеряется в метрах. Это выражение говорит нам, что волны разной длины распространяются с разной скоростью. Самые быстрые волны во время шторма - это волны с самой длинной волной. В результате после шторма первые волны, приходящие на берег, - это длинноволновые валы.
Для средней и мелкой воды применимы уравнения Буссинеска , сочетающие частотную дисперсию и нелинейные эффекты. А на очень мелководье можно использовать уравнения мелкой воды .
Если длина волны очень велика по сравнению с глубиной воды, фазовой скорости (беря предел в C , когда длина волны стремится к бесконечности) может быть аппроксимирована
С другой стороны, для очень коротких длин волн поверхностное натяжение играет важную роль, и фазовая скорость этих гравитационно-капиллярных волн может (на большой глубине) быть аппроксимирована выражением
куда
При наличии нескольких цугов волн, как это всегда бывает в природе, волны образуют группы. В глубокой воде группы движутся с групповой скоростью, которая составляет половину фазовой скорости . [28] После одной волны в группе можно увидеть, как волна появляется позади группы, растет и, наконец, исчезает в передней части группы.
По мере того, как глубина воды уменьшается по направлению к берегу , это будет иметь эффект: высота волн изменяется из-за мелководья и преломления волн . По мере увеличения высоты волна может стать нестабильной, когда гребень волны движется быстрее, чем впадина . Это вызывает прибой , разбиение волн.
Движение ветровых волн можно уловить с помощью устройств волновой энергии . Плотность энергии (на единицу площади) регулярных синусоидальных волн зависит от водной плотности , ускорение силы тяжести и высоты волны (который, для регулярных волн, равна удвоенной амплитуде , ):
Скорость распространения этой энергии и есть групповая скорость .
Серфингистов очень интересуют прогнозы волн . Есть много веб-сайтов, которые предоставляют прогнозы качества серфинга на ближайшие дни и недели. Модели ветрового волнения основаны на более общих погодных моделях, которые предсказывают ветры и давление над океанами, морями и озерами.
Модели ветровых волн также являются важной частью изучения воздействия предложений по защите берега и питанию пляжей . Для многих пляжных зон имеется лишь отрывочная информация о волновом климате, поэтому оценка влияния ветровых волн важна для управления прибрежной средой.
Ветровую волну можно спрогнозировать на основе двух параметров: скорости ветра на высоте 10 м над уровнем моря и продолжительности ветра, который должен дуть в течение длительных периодов времени, чтобы считаться полностью сформировавшимся. Затем можно спрогнозировать значительную высоту волны и пиковую частоту для определенной длины выборки. [29]
Волны океанской воды генерируют наземные сейсмические волны, которые распространяются на сотни километров вглубь суши. [30] Эти сейсмические сигналы обычно имеют период 6 ± 2 секунды. О таких записях впервые сообщили примерно в 1900 году.
Есть два типа сейсмических «океанских волн». Первичные волны генерируются на мелководье в результате прямого взаимодействия водной волны с сушей и имеют тот же период, что и водные волны (от 10 до 16 секунд). Более мощные вторичные волны генерируются суперпозицией океанских волн равного периода, движущихся в противоположных направлениях, таким образом, генерируя стоячие гравитационные волны - с соответствующими колебаниями давления на половине периода, которые не уменьшаются с глубиной. Теория генерации микросейсм стоячими волнами была предложена Майклом Лонге-Хиггинсом в 1950 году, после того как в 1941 году Пьер Бернар предложил эту связь со стоячими волнами на основе наблюдений. [31] [32]
|journal=
( помощь )|journal=
( помощь )В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Ветровая волна |
Викискладе есть медиафайлы, связанные с волнами на поверхности океана . |
Викискладе есть медиафайлы по теме волн на воде . |
В Викиучебнике есть книга на тему: Науки о Земле для старших классов / Движение океана # Волны |