Кіріспе

Алыстағы ауа райы жүйелері тудырған толқындар сериясы. Толқын, кейде мұхит, теңіз немесе көл жағдайында жер асты толқыны деп те аталады, су мен ауа арасындағы шекара арқылы таралатын механикалық толқындардың сериясы болып табылады және олар көбінесе жер бетінің гравитациялық толқындары деп аталады, себебі олардың таралуына негізгі әсер ететін күш – гравитация. Бұл жер бетіндегі гравитациялық толқындар жел толқындары ретінде пайда болады, бірақ олар алыстағы ауа райы жүйелерінен жел толқындарының таралуының нәтижесі болып табылады. Мұнда жел белгілі бір уақыт бойы су бетінде соғып, толқындарды тудырады, ал олар толқын периоды мен ұзындығына байланысты белгілі бір жылдамдықпен бастапқы аймақтан таралады. Жалпы алғанда, толқын – сол кездегі жергілікті желдің әсеріне көп ұшырамайтын, желдің әрекетінен пайда болған толқындардан тұрады. Толқын толқындары көбінесе салыстырмалы түрде ұзын толқын ұзындығына ие, себебі қысқа толқын ұзындығы толқындары аз энергия тасымалдайды және тез тарап кетеді. Бірақ бұл, толқынды тудырған ауа райы жүйесінің мөлшеріне, күшіне және ұзақтығына, сондай-ақ су қоймасының көлеміне байланысты өзгереді, және әр оқиғада, сондай-ақ бір оқиғаның барысында уақыт өте келе де өзгеріп отырады. Көбінесе, аса қатты дауылдардың салдарынан 700 метрден асатын толқындар пайда болады. Толқын бағыты – толқынның қозғалыс бағыты. Ол географиялық бағыт ретінде градустармен немесе компастың нүктелерімен (мысалы, NNW немесе SW толқыны) көрсетіледі. Жел сияқты, көрсетілген бағыт әдетте толқынның қайдан келе жатқандығын көрсетеді. Толқындардың жиіліктері мен бағыттары жергілікті жел толқындарына қарағанда тар диапазонды болады, себебі олар пайда болған аймақтан таралып, уақыт өте келе таралу жылдамдығы бойынша сұрыпталады – ең жылдам толқындар алыс нүктеден бірінші болып өтеді. Толқындар нақты пішін мен бағытқа ие болады және жергілікті жел толқындарына қарағанда аз кездейсоқ болады.

Жел толқынын өндіру көздері

Жел толқындары желдің әсерінен пайда болады. Сейсмикалық құбылыстар сияқты басқа да бұзылыстар гравитациялық толқындарды тудыруы мүмкін, бірақ олар жел толқындары емес және көбінесе толқынға (көтеріңкі толқынға) әкелмейді. Жел толқындарының пайда болуы су бетіндегі желдің бағытын өзгерту арқылы басталады. Су бетінің бастапқыда тегіс болуы (Бёфорт шкаласы бойынша 0) және су бетіндегі кенеттен соққан жел ағыны жағдайында, жер бетіндегі жел толқындарының пайда болуын екі механизммен түсіндіруге болады: турбулентті желдің қалыпты қысымдағы өзгерулері және желдің параллель жылдамдық градиенті.

Даму

Ұзын толқындар қысқа жел толқындарынан пайда болып, олардан энергия алады. Бұл процесті алғаш рет Клаус Хассельман (2021 жылғы Нобель сыйлығының иегері) ең биік толқындардың шыңдарында ең айқын байқалатын сызықтық емес әсерлерді зерттегеннен кейін сипаттады. Ол осы сызықтық емес құбылыстар арқылы терең судағы екі толқын тобы өзара әрекеттесіп, екі жаңа толқын жиынтығын – біреуі әдетте ұзағырақ, екіншісі қысқа толқын ұзындығымен жасай алатынын көрсетті. Хассельман бұл процесті сипаттау үшін жасаған теңдеу қазірде барлық ірі ауа райы және климатты болжау орталықтары қолданатын теңіз күйінің модельдерінде (мысалы, Wavewatch III) пайдаланылады. Өйткені жел толқындары мен теңіз толқындарының екеуі де мұхиттан атмосфераға жылудың берілуіне маңызды әсер етеді. Бұл Эль-Ниньо сияқты ірі масштабты климаттық жүйелерге де, Гольфстрімнің шеттерінде қалыптасатын атмосфералық төмендеулер сияқты кіші масштабты жүйелерге де әсер етеді. Хассельман процесін жақсы физикалық тұрғыдан түсіндіру қиын, бірақ сызықтық емес әсерлер ең биік толқындардың шыңдарына жақын жерде ең күшті болады, ал жиі бірдей жерде үзіліске ұшырайтын қысқа толқындарды салыстыруға болады. Себебі, әрбір кішкентай үзілген толқын өзі үзілген ұзын толқынға кішкентай итеру береді. Ұзын толқынның көзқарасынан, ол әрбір шыңында, дұрыс уақытта итерілгендей, кішкентай итеруді сезінеді. Толқынның ойысында мұндай әсер жоқ – бұл ұзын толқынның мөлшерін азайтуға бағытталған. Физиктер үшін бұл әсер ерекше қызығушылық тудырады, себебі ол бастапқыда кездейсоқ толқын өрісі ретінде басталатын нәрсе, барлық кішкентай үзілген толқындарға энергия шығындары мен тәртіпсіздіктің ұлғаюының есебінен, ұзақ толқын қатарын қалай тудыратынын көрсетеді. Құмның дөңгелектерінің мөлшерін жағажайда сұрыптау да ұқсас процесс (сондай-ақ өмірдің көп бөлігі де).

Диссипация

Толқын энергиясының таралуы қысқа толқындарда әлдеқайда күшті, сондықтан алыс дауылдардан келген толқындар ұзын толқындар болып сақталады. 13 секундтан ұзақ мерзімді толқындардың таралуы өте әлсіз болғанымен, Тынық мұхитының масштабында маңызды болып табылады. Бұл ұзын толқындар өз энергиясының жартысын 20 000 км-ден (жер шарының жартысынан астам) 2 000 км-ден асатын арақашықтықта жоғалтады. Бұл айырмашылық толқынның тіктеп тұруына байланысты жүйелі түрде өзгереді: толқын биіктігінің толқын ұзындығына қатынасы. Бұл құбылыстың себебі әлі анықталмаған, бірақ бұл таралу ауа мен теңіз беті арасындағы үйкеліске байланысты болуы мүмкін.

Толқынның таралуы және толқын топтары

Толқындар көбінесе олар сынып жататын жағалаулардан мыңдаған теңіз шақырымы қашықтықтағы дауылдардың әсерінен пайда болады, ал ең ұзын толқындардың таралуы негізінен жағалаулармен шектеледі. Мысалы, Үнді мұхитында пайда болған толқындар әлемді жартылай айналып өтіп, Калифорнияда тіркелген. Бұл қашықтық толқындардан құралған толқындардың жағалауға қарай жылжығанда жақсырақ сұрыпталып, соққылардан тазаруына мүмкіндік береді. Дауылдық желдер тудырған толқындар бірдей жылдамдықпен қозғалып, бірігіп, бірге жүреді, ал секундына бір метрден де аз жылдамдықпен қозғалатындары артта қалады және өтілген қашықтыққа байланысты сағаттар бойы кешігеді. Көзден таралу уақыты t, қашықтық X-ті толқын периоды T-ға бөлгенде пропорционалды. Теңіздің тереңдігінде g – гравитациялық үдеу. 10,000 км қашықтықта орналасқан дауыл үшін, T=15 секунд периоды бар толқындар дауылдан кейін 10 күннен соң жетеді, ал 14 секундтық толқындар тағы 17 сағаттан кейін келеді, және т.с.с. Топылдаудың тарап келуі, ең ұзын периодтан бастап, уақыт өте келе толқын периодының қысқаруымен, толқындардың қайдан пайда болғанын есептеу үшін қолданылуы мүмкін. Дауыл кезіндегі теңіздің күйі жиілік спектрінің пішіні шамамен бірдей болса (яғни, шыңындағы жиіліктер плюс немесе минус 7% шегінде басым жиіліктері бар анықталған шыңы бар), ал толқын спектрлері толқындар одан әрі тараған сайын тар болып келеді, кейде 2% немесе одан да аз. Соның салдарынан толқын топтары (серфингшілер "жинақтар" деп атайды) көптеген толқындардан тұруы мүмкін. Дауылдағы бір топқа шамамен жеті толқыннан бастап, алыс дауылдардан келген толқындарда 20 және одан да көпке жетеді.

Жағалауға әсер ету

Барлық су толқындары сияқты, энергия ағыны маңызды толқын биіктігінің квадратына топтық жылдамдықпен көбейтілгенге пропорционалды. Тераң суларда бұл топтық жылдамдық толқын периодына пропорционалды. Сондықтан, ұзақ периодты толқындар қысқа жел толқындарына қарағанда көбірек энергия тасымалдай алады. Сонымен қатар, инфрагравитациялық толқындардың амплитудасы толқын периодымен (шамамен периодтың квадратымен) күрт өседі, бұл жоғарырақ көтерілуге (run-up) әкеледі. Толқын толқындары әдетте ұзын толқын ұзындығына (демек, терең толқын табанына) ие болғандықтан, олар рефракция процесін (су толқындарына қараңыз) жергілікті пайда болған толқындарға қарағанда жағалаудан алыс (терек суда) қашықтықта бастайды. Толқын толқындары қалыпты теңіз толқындарымен араласқандықтан, егер олар қалыпты толқындардан едәуір үлкен болмаса, оларды көзбен байқау қиын болуы мүмкін (әсіресе жағалаудан алыс жерлерде). Сигналды талдау тұрғысынан қарағанда, толқындарды күшті шудың (яғни, қалыпты толқындар мен қырықсудың) арасындағы тұрақты (бірақ үздірілмейтін) толқын сигналы ретінде қарастыруға болады.

Навигация

Микронезиялық теңізшілер басқа белгілердің болмаған жағдайында, мысалы, тұманды түндерде, бағытты сақтау үшін толқындарды пайдаланды.