Волны о swell: происхождение и характеристики

Введение

Серия волн, генерируемых удаленными метеорологическими системами.

Ветровое волнение, также иногда называемое приливным, в контексте океана, моря или озера, представляет собой серию механических волн, распространяющихся вдоль границы раздела между водой и воздухом под преобладающим влиянием гравитации, и поэтому часто называется поверхностными гравитационными волнами. Эти поверхностные гравитационные волны берут начало как ветровые волны, но являются следствием дисперсии ветровых волн из отдаленных метеорологических систем, где ветер дует в течение определенного времени над водной поверхностью, и эти волны расходятся из области возникновения со скоростями, зависящими от периода и длины волны. В более общем смысле, ветровое волнение состоит из ветровых волн, которые не подвержены значительному влиянию местного ветра в данный момент времени. Волны ветрового волнения часто имеют относительно большую длину волны, поскольку волны с короткой длиной волны несут меньше энергии и быстрее затухают, однако это варьируется в зависимости от размера, силы и продолжительности метеорологической системы, вызвавшей волнение, и размера водоема, а также от события к событию и в течение одного и того же события. Иногда возникают волнения с длиной волны более 700 м в результате самых сильных штормов. Направление волнения – это направление, откуда оно приходит. Оно указывается в географическом направлении, либо в градусах, либо в румбах компаса, например, ССВ или ЮЗ, и, как и ветер, указанное направление обычно является направлением, откуда приходит волнение. Волны ветрового волнения имеют более узкий диапазон частот и направлений, чем локально генерируемые ветровые волны, поскольку они рассеялись из области генерации и со временем сортируются по скорости распространения, при этом более быстрые волны достигают удаленной точки первыми. Волны ветрового волнения приобретают более четкую форму и направление и менее случайны, чем локально генерируемые ветровые волны.

Источники генерации ветровых волн

Ветерные волны генерируются ветром. Другие виды возмущений, такие как сейсмические события, также могут вызывать гравитационные волны, но они не являются ветровыми волнами и, как правило, не приводят к образованию волнения. Генерация ветровых волн начинается с возмущений в поле ветра, дующего поперек поверхности воды. При начальных условиях, характеризующихся гладкой поверхностью воды (Шкала Бофорта 0) и внезапным воздействием поперечного ветра, генерацию поверхностных ветровых волн можно объяснить двумя механизмами, которые инициируются нормальными флуктуациями давления в турбулентном ветре и потоками сдвига ветра, направленными параллельно поверхности.

Разработка

Длинные волны развиваются из более коротких ветровых волн и получают от них энергию. Процесс был впервые описан Клаусом Хассельманом (лауреат Нобелевской премии 2021 года) после исследования нелинейных эффектов, наиболее заметных вблизи пиков самых высоких волн. Он показал, что благодаря этим нелинейностям два волновых пакета в глубокой воде могут взаимодействовать, генерируя два новых набора волн – один, как правило, с большей, а другой – с меньшей длиной волны. Уравнение, разработанное Хассельманом для описания этого процесса, теперь используется в моделях морского состояния (например, Wavewatch III), применяемых всеми крупными центрами прогнозирования погоды и климата. Это обусловлено тем, что как ветровое волнение, так и осад (swell) оказывают значительное влияние на перенос тепла из океана в атмосферу. Это влияет как на крупномасштабные климатические системы, такие как Эль-Ниньо, так и на мелкомасштабные системы, например, атмосферные депрессии, формирующиеся вблизи границ Гольфстрима. Дать хорошее физическое описание процесса Хассельмана непросто, но нелинейные эффекты наиболее сильны вблизи пиков самых высоких волн, а короткие волны, часто разбивающиеся примерно в том же месте, могут служить аналогией. Это связано с тем, что каждая небольшая разбивающаяся волна дает небольшой импульс более длинной волне, на которой она разбивается. С точки зрения длинной волны, она получает небольшой импульс на каждом гребне, подобно тому, как качели толкают в нужный момент. В волновой впадине нет сопоставимого эффекта – она, напротив, стремится уменьшить размер длинной волны. С точки зрения физика, этот эффект представляет особый интерес, поскольку он демонстрирует, как из случайного волнового поля может возникнуть упорядоченный длинный ряд волн надувания за счет потерь энергии и увеличения беспорядка, затрагивающего все мелкие разбивающиеся волны. Сортировка размеров песчинок на пляже – аналогичный процесс (как и многие явления в живой природе).

Рассеивание

Рассеивание энергии волн значительно сильнее для коротких волн, поэтому волны от далёких штормов представляют собой только длинные волны. Рассеивание волн с периодами более 13 секунд очень слабое, но всё же существенно в масштабе Тихого океана. Эти длинные волны теряют половину своей энергии на расстоянии, которое изменяется от более чем 20 000 км (половина длины окружности земного шара) до чуть более 2000 км. Выявлено, что эта зависимость является систематической функцией крутизны волны – отношения высоты волны к её длине. Причина такого поведения остаётся неясной, однако возможно, что это рассеивание обусловлено трением на границе раздела воздуха и моря.

Дисперсия волн и группы волн

Волны часто создаются штормами, находящимися за тысячи морских миль от берегов, где они разбиваются, и распространение самых длинных волн в первую очередь ограничивается береговыми линиями. Например, волны, возникшие в Индийском океане, были зарегистрированы в Калифорнии после преодоления более половины земного шара. Это расстояние позволяет волнам, составляющим волнение, лучше упорядочиться и избавиться от короткой ряби по мере приближения к берегу. Волны, порожденные штормовыми ветрами, движутся с одинаковой скоростью, группируются и перемещаются вместе, в то время как другие, движущиеся даже на долю метра в секунду медленнее, отстают и прибывают спустя много часов из-за пройденного расстояния. Время распространения от источника t пропорционально расстоянию X, деленному на период волны T. В глубокой воде это равно , где g – ускорение свободного падения. Для шторма, расположенного в 10 000 км, волнение с периодом T = 15 с прибудет через 10 дней после шторма, за ним последует волнение с периодом 14 с еще через 17 часов и так далее. Рассеянное прибытие волнения, начиная с волн с самым длинным периодом, с уменьшением периода пиковой волны с течением времени, может быть использовано для расчета расстояния, на котором оно было образовано. В то время как морское состояние в зоне шторма имеет частотный спектр с более или менее одинаковой формой (то есть четко выраженный пик с доминирующими частотами в пределах плюс-минус 7% от пика), спектры волнения становятся все более узкими, иногда до 2% или меньше, по мере рассеивания волн на большее расстояние. В результате группы волн (называемые серферами сетами) могут состоять из большого количества волн. От примерно семи волн в группе в зоне шторма это число возрастает до 20 и более в волнении от очень отдаленных штормов.

Прибрежные воздействия

Как и для всех водных волн, поток энергии пропорционален квадрату значительной высоты волны, умноженному на групповую скорость. В глубокой воде эта групповая скорость пропорциональна волновому периоду. Следовательно, волны с более длинными периодами могут передавать больше энергии, чем короткие ветровые волны. Кроме того, амплитуда инфразвуковых волн резко возрастает с увеличением волнового периода (примерно пропорционально квадрату периода), что приводит к большему выносу на берег. Поскольку волны вздутия обычно имеют большую длину волны (и, следовательно, более глубокое волновое основание), они начинают процесс рефракции (см. водные волны) на большем расстоянии от берега (в более глубокой воде), чем локально генерируемые волны. Поскольку волны вздутия смешиваются с обычными морскими волнами, их может быть трудно заметить невооруженным глазом (особенно вдали от берега), если они не значительно больше обычных волн. С точки зрения анализа сигналов, вздутие можно рассматривать как достаточно регулярный (хотя и не непрерывный) волновой сигнал, существующий на фоне сильного шума (то есть обычных волн и ряби).