Желдің әсерінен пайдалатын су беті толқындары

Кіріспе

Ашық суда желдің әсерінен пайда болатын беттік толқындар

Сұйықтық динамикасында жел толқыны немесе желдің пайда болуынан туындаған су толқыны – желдің су бетіне соғу нәтижесінде су қоймаларының бос бетінде пайда болатын беттік толқын. Жел бағытындағы толқындардың таралу қашықтығы әкелу деп аталады. Мұхиттардағы толқындар құрлыққа жеткенше мыңдаған шақырым саяхаттай алады. Жердегі жел толқындарының мөлшері кішкентай толқыншалардан бастап 100 фут (30 м) биіктіктегі толқындарға дейін жетеді, олар желдің жылдамдығымен, ұзақтығымен, әкелуімен және су тереңдігімен шектеледі. Желдің тікелей әсерінен және жергілікті желге байланысты пайда болған толқын жүйесі жел теңізі деп аталады. Жел толқындары пайда болғаннан кейін үлкен шеңбер бойымен қозғалады – оңтүстік жартышарда сәл солға, ал солтүстік жартышарда сәл оңға иіледі. Әкелу аймағынан шығып, жергілікті желдің әсерінен тыс қалғаннан кейін жел толқындары толқындар деп аталады және мыңдаған шақырымға дейін жүре алады. Мұның көрнекті мысалы – Тасманияның оңтүстігіндегі күшті жел кезінде пайда болған толқындар, олар Тынық мұхиты арқылы Оңтүстік Калифорнияға дейін жетіп, серфингке қолайлы жағдайлар тудырады. Теңіздегі жел толқындары теңіз беттік толқындары деп те аталады және олар негізінен гравитациялық толқындар болып табылады, мұнда гравитация – негізгі тепе-теңдік күші. Жел толқындары белгілі бір дәрежеде кездейсоқтыққа ие: келесі толқындар биіктігі, ұзақтығы және пішіні бойынша шектеулі болжамдылықпен ерекшеленеді. Оларды физикалық заңдармен байланыстыра отырып, олардың пайда болуын, өсуін, таралуын және ыдырауын, сондай-ақ су бетінің қозғалысы, ағыс жылдамдығы және су қысымы сияқты ағын шамалары арасындағы өзара тәуелділікті басқаратын стохастикалық процесс ретінде сипаттауға болады. Даму үстіндегі теңіз жағдайларындағы жел толқындарының негізгі статистикасын (теңіздер мен толқындар) жел толқыны модельдерімен болжауға болады. Толқындар көбінесе Жердің су теңіздерінде қарастырылса да, Титанның көмірсутек теңіздерінде де желмен туындаған толқындар болуы мүмкін. Су қоймаларындағы толқындар басқа да себептерге байланысты пайда болуы мүмкін, олар су бетінде де, су астында да болады (мысалы, кемелер, жануарлар, шарлауықтар, жер сілкіністері, көпіршіктер және соқтығысу оқиғалары).

In fluid dynamics, a wind wave, or wind generated water wave, is a surface wave that occurs on the free surface of bodies of water as a result of the wind blowing over the water's surface. The contact distance in the direction of the wind is known as the fetch. Waves in the oceans can travel thousands of kilometers before reaching land. Wind waves on Earth range in size from small ripples to waves over 100 feet (30 m) high, being limited by wind speed, duration, fetch, and water depth. When directly generated and affected by local wind, a wind wave system is called a wind sea. Wind waves will travel in a great circle route after being generated – curving slightly left in the southern hemisphere and slightly right in the northern hemisphere. After moving out of the area of fetch and no longer being affected by the local wind, wind waves are called swells and can travel thousands of kilometers. A noteworthy example of this is waves generated south of Tasmania during heavy winds that will travel across the Pacific to southern California, producing desirable surfing conditions. Wind waves in the ocean are also called ocean surface waves and are mainly gravity waves, where gravity is the main equilibrium force. Wind waves have a certain amount of randomness: subsequent waves differ in height, duration, and shape with limited predictability. They can be described as a stochastic process, in combination with the physics governing their generation, growth, propagation, and decay – as well as governing the interdependence between flow quantities such as the water surface movements, flow velocities, and water pressure. The key statistics of wind waves (both seas and swells) in evolving sea states can be predicted with wind wave models. Although waves are usually considered in the water seas of Earth, the hydrocarbon seas of Titan may also have wind driven waves. Waves in bodies of water may also be generated by other causes, both at the surface and underwater (such as watercraft, animals, waterfalls, landslides, earthquakes, bubbles, and impact events).

Шал және сыну

Толқындар терең судан жай суға қарай жылғанда, олардың пішіні өзгереді (толқын орбиталары асимметриялық болғандықтан, толқын биіктігі артады, жылдамдығы төмендейді және ұзындығы қысқарады). Бұл процесс "жағалауға жақындау" деп аталады. Толқынның сынуы – толқындардың толқын ұзындығы мен периодына байланысты таралу жылдамдығын баяулату үшін теңіз түбімен әрекеттесуі нәтижесінде туындайтын процесс. Толқындар жағалау суларында баяулағанда, толқын қанаттары тереңдік контурларына қарай бұрыштарын өзгертуге бейімделеді. Толқын қанатының бойындағы тереңдіктің әртүрлі болуы, оның бөліктерінің әртүрлі фазалық жылдамдықпен қозғалуына себеп болады, мұндағы терең судағы бөліктері жасыл судағы бөліктеріне қарағанда жылдам қозғалады. Бұл процесс тереңдік азайғанда жалғасады және тереңдік артқанда кері процеске ұшырайды, бірақ жағалау аймағынан шыққан толқын бағытын айтарлықтай өзгертуі мүмкін. Сәулелер – толқын қанаттарына перпендикуляр жүргізілген және белгілі бір мөлшердегі энергия ағынын қамтитын сызықтар – жергілікті жағалаулар мен сағаларда шоғырланады. Сондықтан, сәулелер арасындағы толқын энергиясы шоғырланғанда күшейеді, нәтижесінде толқын биіктігі артады. Бұл эффектілер фазалық жылдамдықтың кеңістіктегі өзгеруімен байланысты, ал фазалық жылдамдық ортадағы ағымдарға байланысты өзгереді, сондықтан Доплер эффектісінің нәтижесінде, рефракция мен толқын биіктігінің өзгеруіне ағымдардың өзгеруі де әсер етеді. Егер толқын қарсы ағымға тап болса, онда оның биіктігі артып, ұзындығы қысқарады, бұл су тереңдігі азайғандағы жағалауға жақындауға ұқсас.

Қатты бұзылу

Кейбір толқындар "жарылу" деп аталатын құбылысқа ұшырайды. Жарылу толқыны – оның түбі енді жоғарғы бөлігін ұстай алмайтын, оны құлатуға әкелетін толқын. Толқын жағалауға шағылысқанда немесе екі толқын жүйесі қарсыласып, күштерін біріктіргенде жарылады. Толқынның тіктеп тұру қатынасы тым жоғары болса, жарылу сөзсіз болады. Теңіздің терең суларындағы жеке толқындар, толқынның тіктігі – толқын биіктігі H пен толқын ұзындығы λ арақатынасы шамамен 0,17-ден асып кеткенде, яғни H > 0,17λ жарылады. Сайып келгенде, су тереңдігі толқын ұзындығына қарағанда кішкентай болғанда, жеке толқындар H толқын биіктігі h тереңдігінен 0,8 есе артық болғанда, яғни H > 0,8h жарылады. Егер желдің күші толқынның төменгі жағын жоғарғы жағынан айырып тастауға жеткілікті болса, толқындар да жарылуы мүмкін. Сайып келгенде, толқынның төменгі жағы теңіз түбіндегі кедергіге байланысты баяулайды. Нәтижесінде, жоғарғы бөліктері төменгі бөлігінен жоғары жылдамдықпен таралады, ал толқын қыртысының алдыңғы жағы тікенеді, артқы жағы тегістеледі. Бұл осылайша үлкейіп, алдыңғы жағы баррель пішінін құрап, толқын алдындағы ауаға созылғанда үстіңгі жағы алға және төмен қарай құлайды. Серфингшілер немесе құтқарушылар үш түрлі жарылу толқынын анықтайды. Олардың әртүрлі сипаттамалары оларды серфингке қолайлырақ етеді және әртүрлі қауіптер тудырады. Құйылатын немесе домалап жатқан толқындар: бұл серфинг жасау үшін ең қауіпсіз толқындар. Оларды салыстырмалы түрде тегіс жағажайы бар көптеген аймақтарда кездестіруге болады. Олар жағалауға шығудың ең көп таралған түрі. Толқынның төменгі жағының баяулауы біртіндеп жүреді, ал жоғарғы бөлігінің жылдамдығы биіктікке қарай көп өзгермейді. Жарылу негізінен тіктеп тұру қатынасы тұрақтылық шегінен асып кеткенде болады. Суға құлайтын немесе суға тастайтын толқындар: олар кенеттен жарылып, жүзушілерді "суға тастап", оларды үлкен күшпен тереңге итеріп жіберуі мүмкін. Бұл тәжірибелі серфингшілердің сүйікті толқындары. Жағалаудағы күшті жел және ұзақ толқын кезеңдері суға құлау толқындарын тудыруы мүмкін. Олар көбінесе теңіз түбінің кенеттен көтерілген жерлерінде, мысалы, рифтер мен құмдықтарда кездеседі. Толқынның төменгі жағын баяулату жоғары қарай жылдамдықты және толқын қыртысының жоғарғы бөлігінің айтарлықтай жылдамдығын арттыруға жеткілікті. Толқынның жоғарғы бөлігі көтеріліп, алдыңғы жағынан асып түседі, құлағанда "барель" немесе "құбыр" пішінін құрайды. Толқындар: олар су шетіне жақындағанда жарылмауы мүмкін, себебі олардың астындағы су өте терең. Олар көбінесе тік жағалауларда қалыптасады. Бұл толқындар жүзушілерді құлатып, терең суға сүйреп әкелуі мүмкін. Жағалау тік болғанда, толқындар жарылмай, кері шағылысады. Энергияның көп бөлігі толқын теңізге қайтып келгенде сақталады. Интерференциялық үлгілер түсетін және шағылысқан толқындардың суперпозициясынан туындайды, ал суперпозиция шыңдар қиылысқанда жергілікті тұрақсыздықты тудыруы мүмкін, және осы шыңдар тұрақсыздық салдарынан жарылуы мүмкін. (клапотикалық толқындарды да қараңыз)

Some waves undergo a phenomenon called "breaking". A breaking wave is one whose base can no longer support its top, causing it to collapse. A wave breaks when it runs into shallow water, or when two wave systems oppose and combine forces. When the slope, or steepness ratio, of a wave, is too great, breaking is inevitable. Individual waves in deep water break when the wave steepness—the ratio of the wave height H to the wavelength λ—exceeds about 0.17, so for H > 0.17 λ. In shallow water, with the water depth small compared to the wavelength, the individual waves break when their wave height H is larger than 0.8 times the water depth h, that is H > 0.8 h. Waves can also break if the wind grows strong enough to blow the crest off the base of the wave. In shallow water, the base of the wave is decelerated by drag on the seabed. As a result, the upper parts will propagate at a higher velocity than the base and the leading face of the crest will become steeper and the trailing face flatter. This may be exaggerated to the extent that the leading face forms a barrel profile, with the crest falling forward and down as it extends over the air ahead of the wave. Three main types of breaking waves are identified by surfers or surf lifesavers. Their varying characteristics make them more or less suitable for surfing and present different dangers. Spilling, or rolling: these are the safest waves on which to surf. They can be found in most areas with relatively flat shorelines. They are the most common type of shorebreak. The deceleration of the wave base is gradual, and the velocity of the upper parts does not differ much with height. Breaking occurs mainly when the steepness ratio exceeds the stability limit. Plunging, or dumping: these break suddenly and can "dump" swimmers—pushing them to the bottom with great force. These are the preferred waves for experienced surfers. Strong offshore winds and long wave periods can cause dumpers. They are often found where there is a sudden rise in the seafloor, such as a reef or sandbar. Deceleration of the wave base is sufficient to cause upward acceleration and a significant forward velocity excess of the upper part of the crest. The peak rises and overtakes the forward face, forming a "barrel" or "tube" as it collapses. Surging: these may never actually break as they approach the water's edge, as the water below them is very deep. They tend to form on steep shorelines. These waves can knock swimmers over and drag them back into deeper water. When the shoreline is near vertical, waves do not break but are reflected. Most of the energy is retained in the wave as it returns to seaward. Interference patterns are caused by superposition of the incident and reflected waves, and the superposition may cause localized instability when peaks cross, and these peaks may break due to instability. (see also clapotic waves)

Модельдер

Серфингшілер толқын болжамдарына өте қызығушылық танытады. Алдағы күндер мен апталардағы серфинг сапасын болжайтын көптеген веб-сайттар бар. Жел толқындары модельдері жалпы ауа райы модельдерімен жұмыс істейді, олар мұхиттарда, теңіздерде және көлдердегі желдер мен қысымды болжайды. Жел толқындары модельдері жағалауды қорғау және жағажайларды толықтыру жобаларының әсерін зерттеуде де маңызды рөл атқарады. Көптеген жағажай аймақтарында толқын климаты туралы толық емес мәліметтер бар, сондықтан жел толқындарының әсерін бағалау жағалаулық ортаны басқару үшін өте маңызды. Желдің әсерінен пайда болған толқынды екі параметр бойынша болжауға болады: теңіз деңгейінен 10 метр биіктіктегі желдің жылдамдығы және желдің соғу ұзақтығы, ол толыққанды дамыған толқын деп есептелуі үшін ұзақ мерзім бойы соғуы керек. Содан кейін белгілі бір қашықтық үшін маңызды толқын биіктігі мен ең жоғары жиілігін болжау мүмкін.

Сейсмикалық сигналдар

Мұхит суының толқындары сейсмографтарда бүкіл әлемде байқалатын сейсмикалық толқындарды тудырады. Мұхит толқындарынан пайда болатын сейсмикалық микросейсмиканың екі негізгі құрамдас бөлігі бар. Олардың ең күштісі – мұхит толқындарының араласуынан туындаған мұхит түбінің қысымынан пайда болатын екіншілік микросейсмика. Оның спектрі әдетте шамамен 6–12 секундтық аралықта немесе араласу тудырған толқындардың кезеңінің жартысына тең болады. Майкл Лонгуэ Хиггинс 1950 жылы тұрақты толқындар арқылы микросейсмиканың пайда болу теориясын ұсынды, ал 1941 жылы Пьер Бернард осы қатынасты тұрақты толқындармен байланыстырып, бақылаулар негізінде ұсынған болатын. Әлемдік деңгейде байқалатын әлсіз бастапқы микросейсмика жаһандық мұхиттың көбінесе жақын (бірнеше жүз метр тереңдікте) аймақтарында таралатын толқындардың динамикалық теңіз түбіне түсіретін қысымынан пайда болады. Микросейсмика алғаш рет шамамен 1900 жылы тіркелді, ал сейсмикалық жазбалар Жер мұхиттарындағы маусымдық және климатқа байланысты үлкен ауқымды толқын қарқындылығының ұзақ мерзімдік прокси-өлшемдерін қамтамасыз етеді, оның ішінде антропогендік жаһандық жылынумен байланысты толқындардың қарқындылығын да көрсетеді.