Ветровые волны на поверхности воды

Введение

Поверхностные волны, генерируемые ветром на открытой воде

В гидродинамике ветровая волна, или волна, генерируемая ветром, — это поверхностная волна, возникающая на свободной поверхности водоемов в результате ветра, дующего над поверхностью воды. Расстояние, на котором ветер воздействует на воду в одном направлении, называется разгоном. Волны в океане могут проходить тысячи километров, прежде чем достичь суши. Ветровые волны на Земле варьируются в размерах от небольших ряби до волн высотой более 30 метров, ограничиваясь скоростью ветра, продолжительностью его воздействия, разгоном и глубиной воды. Когда волны непосредственно генерируются и подвергаются воздействию местного ветра, система волн называется ветровым морем. После генерации ветровые волны распространяются по большому кругу, слегка отклоняясь влево в южном полушарии и слегка вправо в северном. После выхода из зоны разгона и прекращения воздействия местного ветра ветровые волны становятся накатом и могут проходить тысячи километров. Ярким примером является волны, генерируемые к югу от Тасмании во время сильных ветров, которые пересекают Тихий океан и достигают южной Калифорнии, создавая благоприятные условия для серфинга. Ветровые волны в океане также называются океанскими поверхностными волнами и в основном являются гравитационными волнами, где гравитация является основной силой, поддерживающей равновесие. Ветровые волны обладают определенной степенью случайности: последующие волны различаются по высоте, продолжительности и форме, и их предсказуемость ограничена. Их можно описать как стохастический процесс, в сочетании с физикой, определяющей их генерацию, рост, распространение и затухание, а также взаимосвязь между характеристиками потока, такими как движения поверхности воды, скорости потока и давление воды. Ключевые статистические характеристики ветровых волн (как ветрового моря, так и накатов) в изменяющихся морских условиях могут быть предсказаны с помощью моделей ветровых волн. Хотя волны обычно рассматриваются в водных морях Земли, ветровые волны могут существовать и в углеводородных морях Титана. Волны в водоемах могут также генерироваться другими причинами, как на поверхности, так и под водой (например, судами, животными, водопадами, оползнями, землетрясениями, пузырьками и ударными воздействиями).

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).

Обрезка и преломление

По мере того, как волны перемещаются из глубокой воды в мелководье, их форма меняется (высота волны увеличивается, скорость уменьшается, а длина уменьшается, поскольку орбиты волн становятся асимметричными). Этот процесс называется обмелением. Рефракция волн – это процесс, происходящий при взаимодействии волн с морским дном, замедляющий скорость распространения в зависимости от длины волны и периода. По мере замедления волн в зоне обмеления гребни стремятся выровняться под уменьшающимся углом к линиям глубин. Различная глубина вдоль гребня волны приводит к тому, что отдельные его части движутся с разной фазовой скоростью: участки волны в более глубокой воде движутся быстрее, чем в мелководье. Этот процесс продолжается до тех пор, пока глубина уменьшается, и обращается, если глубина снова увеличивается, однако волна, покидающая зону обмеления, может значительно изменить направление. Лучи – линии, нормальные к волновым гребням, между которыми содержится фиксированный поток энергии – сходятся над локальными отмелями и мелководьями. Следовательно, энергия волны между лучами концентрируется по мере их сближения, что приводит к увеличению высоты волны. Поскольку эти эффекты связаны с пространственным изменением фазовой скорости, а также с тем, что фазовая скорость изменяется под воздействием окружающего течения – вследствие эффекта Доплера – те же эффекты рефракции и изменения высоты волны возникают и из-за изменений течения. В случае встречного течения волна становится круче, то есть ее высота увеличивается, а длина волны уменьшается, подобно обмелению при уменьшении глубины воды.

Разрыв

Некоторые волны подвергаются феномену, называемому "разрывом". Разбивающаяся волна – это волна, основание которой больше не может поддерживать гребень, вызывая его обрушение. Волна ломается, когда она достигает мелководья или когда две волновые системы сталкиваются и объединяют свои силы. Когда уклон, или отношение крутизны волны, становится слишком большим, разрыв неизбежен. Отдельные волны в глубокой воде ломаются, когда крутизна волны – отношение высоты волны H к длине волны λ – превышает примерно 0,17, то есть при H > 0,17 λ. В мелководье, где глубина воды мала по сравнению с длиной волны, отдельные волны ломаются, когда их высота волны H больше 0,8 глубины воды h, то есть H > 0,8 h. Волны также могут ломаться, если ветер становится достаточно сильным, чтобы срывать гребень с основания волны. В мелководье основание волны замедляется из-за трения о дно. В результате верхняя часть волны распространяется с большей скоростью, чем основание, передняя сторона гребня становится круче, а задняя – более пологой. Это может усилиться до такой степени, что передняя сторона образует трубчатый профиль, а гребень падает вперед и вниз, перекатываясь над воздухом перед волной. Сёрферы и спасатели выделяют три основных типа разбивающихся волн. Их различные характеристики делают их в разной степени подходящими для серфинга и представляют различные опасности. Разливаясь или катясь: это самые безопасные волны для серфинга. Их можно встретить в большинстве районов с относительно плоскими береговыми линиями. Это наиболее распространенный тип прибоя. Замедление основания волны происходит постепенно, и скорость верхней части не сильно меняется с высотой. Разрыв происходит в основном, когда отношение крутизны превышает предел устойчивости. Обрушиваясь или сбрасывая: они ломаются внезапно и могут "сбросить" пловцов, толкая их на дно с большой силой. Это предпочтительные волны для опытных серферов. Сильные береговые ветры и большие периоды волн могут вызывать обрушивающиеся волны. Они часто встречаются там, где происходит резкий подъем морского дна, например, на рифе или песчаной отмели. Замедление основания волны достаточно для создания восходящего ускорения и значительного превышения скорости верхней части гребня. Вершина поднимается и обгоняет переднюю часть, образуя "бочку" или "трубу" при обрушении. Набегающие: эти волны могут и вовсе не ломаться, когда приближаются к берегу, так как вода под ними очень глубокая. Они обычно формируются на крутых береговых линиях. Эти волны могут сбить пловцов с ног и утащить их обратно в более глубокую воду. Когда береговая линия почти вертикальна, волны не ломаются, а отражаются. Большая часть энергии сохраняется в волне при ее возвращении в море. Интерференционные узоры возникают из-за суперпозиции падающих и отраженных волн, и суперпозиция может вызвать локальную нестабильность при пересечении гребней, которые могут ломаться из-за этой нестабильности. (см. также клапотические волны)

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)

Модели

Серферов очень интересуют прогнозы волн. Существует множество веб-сайтов, предоставляющих прогнозы качества волн на ближайшие дни и недели. Модели ветровых волн опираются на более общие модели погоды, которые предсказывают ветры и давление над океанами, морями и озерами. Модели ветровых волн также играют важную роль в оценке воздействия проектов по защите береговой линии и насыщению пляжей. Для многих прибрежных районов доступна лишь фрагментарная информация о волновом климате, поэтому оценка влияния ветровых волн важна для управления прибрежными зонами. Волну, генерируемую ветром, можно спрогнозировать, основываясь на двух параметрах: скорости ветра на высоте 10 метров над уровнем моря и продолжительности ветра, который должен дуть в течение длительного времени, чтобы достичь полностью развитого состояния. После этого можно спрогнозировать значительную высоту волны и пиковую частоту для определенной дистанции воздействия ветра.

Сейсмические сигналы

Волны океанической воды генерируют сейсмические волны, которые глобально регистрируются на сейсмографах. Существуют две основные составляющие сейсмических микросейсмов, генерируемых океанскими волнами. Самая сильная из них – вторичный микросейсм, который создается давлением на океанское дно, возникающим в результате интерференции океанских волн, и имеет спектр, обычно находящийся в диапазоне периодов от приблизительно 6 до 12 секунд, или примерно вдвое меньше периода интерферирующих волн, его вызывающих. Теория генерации микросейзмов стоячими волнами была предложена Майклом Лонгуэ-Хиггинсом в 1950 году, после того как в 1941 году Пьер Бернар предположил эту связь со стоячими волнами на основе наблюдений. Более слабый первичный микросейсм, также глобально регистрируемый, генерируется динамическим давлением распространяющихся волн на морское дно над неглубокими (глубиной менее нескольких сотен метров) областями мирового океана. Микросейзмы были впервые зарегистрированы около 1900 года, а сейсмические записи предоставляют долгосрочные прокси-измерения сезонной и климатически обусловленной интенсивности крупномасштабных волн в океанах Земли, включая связанные с антропогенным глобальным потеплением.