Видове ивълнови характеристики
Как ветровете правят вълните. Преди да говорим за това как се вълнуват вълните, първо описваме природата на самия вятър (Фигура 17.4). Близо до повърхността полето на скоростта във въздушния поток изобщо не е еднородно и „не е гладко“, скоростите се променят драстично – понякога по-малко, понякога повече – и цялата картина е хаотична, тоест турбулентна. Трябва да се направят още две важни забележки относно разпределението на скоростта на вятъра.
1. Полето на скоростта е нестационарно: то се измества със скорост, равна на средната скорост на вятъра.
2. Средното разстояние, разделящо клетките с най-висока енергия в полето на скоростта, остава непроменено, докато средната скорост на вятъра остава непроменена; следователно разпределението на тези клетки влияе върху преноса на енергия към определени океански вълни.
Направените забележки означават, че вятърното поле близо до повърхността има определена „структура“. Това е много важно и споменатата структура може да бъде картографирана, за да се види полето на произволни колебания на налягането, както е направено на Фигура 17.4. И за да се картографира точно такова поле, е необходимо да се извършват едновременни измервания на атмосферното налягане над огромни пространства на океана. Но никой все още не е постигнал този подвиг! Въпреки това можем да направим изводи за съществуването на определена структура на полето на вятъра, следейки промените в налягането във времето във всяка една измервателна станция, например на кораб или шамандура.
Фигура 17.4. Ветровете предават енергия на повърхностните вълни неравномерно. Над морската повърхност вятърът се движи с определена средна скорост. В този общ въздушен поток малките колебания на налягането са произволно разпределени, но максималното разстояние между тях зависи от скоростта на вятъра. При "стабилен" вятър това разстояние остава непроменено и вълните са същитедължина. Колкото по-висока е скоростта на вятъра, толкова по-голямо е разстоянието между колебанията на налягането и толкова по-дълги и по-високи са получените повърхностни вълни.
В океаните вълните неизменно ще отнемат енергия от турбулентния въздушен поток и ще увеличават амплитудата си, ако
а) разстоянието L между вълновите гребени съответства на разпределението на колебанията на атмосферното налягане, т.е. ако областите с високо налягане попадат върху падините на вълновото поле, а зоните с ниско налягане съвпадат с вълновите гребени, и
б) нарастващите вълни се движат в същата посока като средния вятър и с приблизително същата скорост, т.е. ако системата за разпределение на налягането може непрекъснато да захранва вълните с енергия.
Една аналогия с разпределението на ветровете над полетата на Канзас ще помогне на читателя да разбере какво представлява тази движеща се, хаотична, бурна структура. Тези, които са наблюдавали големи зърнени полета, може да си спомнят движението на петна светлина, отразени от онези области, в които зърнените култури са били по-силно огънати от вятъра, отколкото в съседните области. На широко поле могат да се видят няколко такива петна наведнъж и всички те се движат по посока на средния вятър. На повърхността на океана тези петна съответстват на "клетките", показани на фигура 17.4. Важно е да се отбележи, че ако цялото вятърно поле внезапно се издигне и се откъсне от зърненото поле, тогава цялата структура на петната веднага ще изчезне: „вълните“ вече няма да се разпространяват през полето, ако ефектът от вятъра бъде премахнат.
Напротив, вълните, които възникват в океаните, продължават да съществуват дори след изчезването на ветровете, които ги вълнуват. Това са прости вълнообразни смущения на повърхността на океана, движещи се в същата посока, в която е духал вятърът, „люлеейки“ водата. Следователно, ако такива вълни се движат общо в посокадействието на вятъра и със скорост, близка до средната скорост на този вятър, тогава тяхната енергия нараства през цялото време; турбулентните вятърни клетки продължават да „вършат работа“ върху тях, ако и вълните, и тези клетки се движат повече или по-малко съгласувано с посоката на вятъра.
Нека сега да дефинираме по-точно как се пренася енергията от вятъра към морските вълни. Първоначално енергията на движението на средното вятърно поле създава клетки на турбулентност във въздушния слой в пряк контакт с повърхността. В процеса на „сравняване“ на пиковете на високо налягане в турбулентните клетки с падините на движещите се морски вълни и минимумите на налягането с гребените на вълните, полето на вятъра избутва и издърпва водни частици върху морската повърхност, увеличавайки височината на вълните. Крайната структура на вълновото поле зависи от 1) продължителността на действието на вятъра - периодът от време, през който се извършва преносът на енергия, 2) скоростта на вятъра през този период и 3) така нареченото ускорение - разстоянието, на което вятърът и вълновото поле остават свързани помежду си.
Ролята на продължителността на въздействието на вятъра и величината на ускорението. Интуицията ни казва, че трябва да има някакво ограничение за нарастването на вълните по време на преноса на енергия от вятърното поле. Едно такова ограничение се налага от максималното съотношение на височината на вълната H към нейната дължина L, т.е. H / L (Фигура 17.5). Това съотношение се нарича "стръмност на вълната" и когато стръмността на вълната надвишава 1:7, т.е. когато височината й стане повече от една седма от нейната дължина, вълната, като правило, се срутва. Срутването на гребена на вълната в морето, давайки споменатите по-горе бели "агнета", води до загуба на част от енергията на вълновото движение при турбулентното движение на тези "агнета". Вълната се търкаля с остатъка от енергията си и ако остане все още свързана святърно поле, тогава в крайна сметка ще компенсира загубите, отново ще придобие критична стръмност, отново ще се срине и т.н. Когато морето достигне това състояние, тогава те казват за „напълно развито вълнение“, когато е напълно в съответствие с вятърното поле, което го вълнува.
Фигура 17.5. Ограничение на височината на вълната.
(a) Критичното състояние за счупване на вълната зависи или от минималния ъгъл на върха на вълната, или от максималната височина на вълната H за дадена дължина L (разстояние от гребена до гребена). Критична стойност H/L: при H = L /7 ъгълът при върха (близо до гребена) на вълната става критичен; по-нататъшното нарастване (изостряне) на вълната води до появата на "агнета", т.е. до колапса на вълната.
(b) Релеф на океанските повърхностни вълни, определен чрез интерпретация на въздушни снимки. Този метод дава фотографски "уловен" мигновен профил на интерфейса въздух/вода. Графиката показва как може да се оцени съотношението H/L за реални вълни:
Дали стръмността на дадена вълна може да нарасне до критична стойност зависи от това колко дълго вълната е изложена на вятъра. Ако вятърното поле изчезне или ако атмосферното смущение, което го е генерирало, се премести в други региони на океана, вълната няма време да се развие напълно. С други думи, вълновото поле няма време да "узрее" и се нарича ограничено по време на развитие.
Вълновото поле може също да бъде ограничено по дължината на ускорението. Това се случва, когато, докато все още не са напълно развити, вълните срещнат някакво препятствие по пътя си. Например, вълните, които все още не са набрали пълна сила, се сблъскват с брега. Повечето от нас са запознати с това ограничение, тъй като сме били на малки езера; колкото по-голямо е езерото, толкова по-големи вълни го удрятнаветрени брегове.
Фигура 17.3 ясно показва какъв характер придобива вълнението, ако ускорението е неограничено: в тази широчинска зона на Южния океан, където няма континентални бариери, големи вълни „ревят и бушуват“. Западните ветрове тук могат да създадат почти неограничена продължителност на движеща сила.
Таблица 17.1. Характеристики на ветровите вълни, наблюдавани в морето при различни скорости на вятъра
| Скорост на вятъра, m/s | Скорост на вълната, m/s | Период T, s | Дължина L, m | Височина H, m | H/L | Енергийна плътност, kJ / m 2 |
| 14.2 | 11.5 | 7.0 | 78 | 6.9 | 0,088 | 59.5 |
| 16.0 | 12.8 | 8.0 | 103 | 7.7 | 0,074 | 74.1 |
| 19.2 | 15.3 | 9.5 | 147 | 9.2 | 0,063 | 106,0 |
| 22.9 | 18.3 | 11.5 | 209 | 10.9 | 0,052 | 148.5 |
| 27,0 | 21.5 | 13.5 | 290 | 13.0 | 0,045 | 211,0 |
| 31.1 | 25,0 | 15.5 | 384 | 14.8 | 0,039 | 274.0 |
1. Средната скорост на най-високите вълни е приблизително 0,8 от скоростта на вятъра за всички наблюдавани скорости - от 14 до 31 m/s. Този резултат потвърждава по-ранното твърдение, че енергията се прехвърля от вятъра към вълните най-ефективно, когато вълните се движат със същата скорост като системата от клетки под налягане при средния вятър.
2. Както наблюдаваният среден период на вълните, така и тяхната височина се увеличават пропорционално на скоростта на вятъра: ако скоростта на вятъра се увеличи с коефициент 2,19 (от 14,2 на 31,1 m/s), периодът на вълната се увеличава с коефициент 2,21, а височината с коефициент 2,14.
3. Имайте предвид обаче, че дължината се увеличава повече от четири пъти от 78 на 384 m, когато скоростта на вятъра се удвои (от 14,2 на 31,1 m/s). Това предполага, че тези вълни, които се движат по-бързо, също имат по-голяма дължина или, което е същото, дългите вълни се разпространяват с по-висока скорост от късите.
4. Плътността на енергията в полето на най-дългите вълни също се увеличава с повече от четири пъти при същата промяна в скоростта на вятъра. Вълна, образувана при скорост на вятъра 31,1 m/s, носи 274 kJ енергия на квадратен метър океанска повърхност, а по-къса вълна, която възниква при скорост на вятъра 14,2 m/s, носи само 59,5 kJ/m 2, т.е. съотношението е приблизително 4:1. Освен това дългите вълни пренасят енергия два пъти по-бързо от късите вълни. Следователно те са около 8 пъти по-мощни! Енергията на вятърните вълни ще бъде разгледана по-подробно в главата Море и човек.
5. И накрая, стръмността (съотношението на височина към дължина) на тези доминиращи вълни намалява с увеличаване на скоростта на вятъра и други фактори. Това следва пряко от факта, че дължината на вълната (която се учетворява) расте много по-бързо от височината (която само се удвоява).
Фигура 17.6 е графично представяне на данните в таблица 17.1 за генериране на вълни от ветрове. Може да се види как пикът на разпределението на енергията се променя в зависимост от природата на вятъра; приема се, че продължителността на действието на вятъра и ускорението позволяват пълното развитие на вълните във всички случаи. За да получите по-цялостен изглед, сравнете тази графика с дела на вятърните вълни в общия спектър на разпределение на енергията на Фигура 17.2.
Фигура 17.6. Увеличаване на енергията на поредица от вълни с увеличаване на скоростта на вятъра, който възбужда тази вълнова система (според таблица 17.1).