Типи і характеристики хвиль

Сторінка 1 з 2

Хвилі і хвильові руху в океанах характеризуються надзвичайно широким діапазоном довжин хвиль, т. Е. Відстаней від гребеня до гребеня, і періодів, т. Е. Інтервалів часу, необхідних для проходження двох послідовних гребенів повз спостерігача. Найменші - капілярні поверхневі хвилі, що мають довжини в кілька сантиметрів і періоди в долі секунди. Найдовші хвилі - приливні, відстань між їх гребенями досягає половини окружності Землі, т. Е. Близько 20 тис. Км. Але період приливних хвиль не найбільший. Довгим періодом відрізняються повільні внутрішні хвилі, яким потрібні місяці, щоб перетнути океан.

Широкі діапазони довжин і періодів хвильових рухів в океані можна наочно зобразити, наприклад, у вигляді спектрального графіка, представленого на малюнку 17.2. За однією осі цього графіка вказані різні типи хвиль, що класифіковані за періодом. Якщо взяти до уваги малу відстань між гребенями і те, що капілярні хвилі рухаються дуже швидко, стає ясно, що їх період - найкоротший з усіх. В середині шкали розташовуються припливи і цунамі. Їх періоди складають від декількох хвилин до декількох годин. Ці хвилі також розповсюджуються дуже швидко, проходячи сотні кілометрів за годину, але їх довжина від гребеня до гребеня настільки значна, що час, необхідний для проходження одного циклу, дуже велике. На дальньому кінці спектру знаходяться явища з надзвичайно довгими періодами. Наприклад, повільні зміни океанічних течій, викликані сезонними змінами вітрів, можна розглядати як хвилеподібні обурення з періодом в рік. Інші варіації можуть мати період в декілька років, як у випадку явища Ель-Ніньо, пов'язаного з так званим Південним коливанням ( Сили, що приводять у рух океани і атмосферу ).

На малюнку 17.2 представлені також механізми, що створюють хвильовий рух, або перешкоджають йому, або впливають на його розповсюдження. Наприклад, оскільки вода на гребені вітрової хвилі в даний момент знаходиться вище середнього рівня моря в цій точці, - значить, вітер, щоб підняти її туди, зробив роботу проти сили тяжіння; таким чином, що обурює силою є вітер. Силою, що викликає припливи, служить тяжіння планет. Цунамі виникає внаслідок сейсмічної зрушення на дні моря, найчастіше - землетрусу, але великі турбідние потоки (і великі зсуви) також можуть призводити до виникнення цунамі. Обурює сила тут також виробляє роботу проти сили тяжіння, так що саме сила тяжіння виступає в ролі основної сили, що повертає поверхню моря в невозмущенное стан. Однак при утворенні капілярних хвиль вітер долає силу поверхневого натягу на самій поверхні води, так що головною повертає силою в цьому випадку є поверхневий натяг. Для дуже Долгоперіодниє хвиль картину ускладнює сила Коріоліса, що викликає відхилення від напрямку поширення хвилі. При поширенні внутрішніх хвиль уздовж розділів в поле щільності, таких, як термоклин, механізм генерації хвиль знову повинен діяти проти сили тяжіння. Однак різниця щільності води вище і нижче термокліна дуже мала - менше однієї десятої від різниці щільності повітря і морської води на їх поверхні розділу. З цієї причини внутрішні хвилі можуть мати амплітуди в сотні метрів, але вони не переносять так багато енергії, як невеликі вітрові хвилі. Океанологи тільки зараз починають розкривати таємниці внутрішніх рухів в океанах.

Малюнок 17.2. Спектр хвилювання - розподіл енергії між зустрічаються в океанах всілякими типами хвиль. Для всіх хвиль вказані періоди.

Висота кожного піка кривої на малюнку 17.2 характеризує загальна кількість енергії, укладену в хвилях певної довжини в будь-який момент часу і підсумкова по всіх океанах. Наприклад, в вітрових хвилях більше енергії, ніж в хвилях будь-якого іншого типу. Це не означає, що одна вітрова хвиля, з якою ми можемо пограти на пляжі, має найбільший запас енергії. Ні, це означає, що в кожен момент часу в незліченних вітрових хвилях, що обурюють всю величезну поверхню океанів, запасли більше енергії, ніж в будь-якому іншому типі хвиль, включаючи припливи. Тепер ми розглянемо різні типи хвиль більш докладно.

капілярні хвилі

Найкоротші хвилі, які спостерігаються на поверхні моря, порушуються тертям між двома текучими середовищами - повітрям і водою. Ці хвилі є те найперше зміна форми поверхні, яке виникає, коли починає дути вітер. Стоячи рано вранці на високому березі над спокійним озером, ми можемо бачити, як перший слабкий вітерець змінює затишність і на поверхні води раптово з'являються і зникають плями легкої ряби, які іноді називають «котячими лапками». Це і є ділянки розвитку капілярних хвиль з довжиною хвилі всього лише 2-5 см. Тертя об повітря морщить водну гладь в низку дрібних хвиль, а поверхневий натяг води весь час прагне повернути поверхні її первісну гладкість, що характеризується мінімальною енергією. Ось так і втрачають капілярні хвилі свою енергію руху, що переходить завдяки молекулярної в'язкості води безпосередньо в тепло.

У море капілярні хвилі часто не помітні на тлі інших хвиль довжиною в сотні метрів. Але вони завжди виникають, як тільки швидкість вітру перевищить кілька метрів в секунду. А оскільки вітри в море дмуть майже весь час, побачити «дзеркальну гладь» океанської поверхні вдається надзвичайно рідко. Я бачив такий океан тільки раз і можу засвідчити, що це жахлива картина: довгі важкі хвилі изгибали дзеркально гладку поверхню, але ніякої ряби не було.

Тертя вітру - не єдина причина капілярних хвиль. Дуже уважний спостерігач помітить в море раптова поява капілярних хвиль прямо перед гребенями дуже коротких гравітаційних хвиль, коли їх крутизна наростає і вони стають майже нестійкими. Але замість того щоб критикувати вперед, як це роблять великі вітрові хвилі, рідина у гребеня як би «сповзає» вперед, утворюючи ряд зморшок. Це теж капілярні хвилі; вони являють собою важливий проміжний етап у дисипації енергії великих хвиль (їх енергія перетворюється прямо в тепло завдяки в'язкості) і тому діють як «коротке замикання» при безперервному накопиченні енергії «великих хвиль», що буде описано в наступному розділі.

На цій вельми змістовною фотографії можна бачити хвилі найрізноманітніших типів. Найменші капілярні хвилі створюють крихітні відблиски відбитого сонячного світла. Наступні за розміром - дуже короткі гравітаційні хвилі, які надають поверхні «зморшкуватий» вид. Ще більш довгі хвилі - звичайні вітрові.

Дуже короткі гравітаційні хвилі

Коли довжина поверхневої хвилі збільшується до 5 - 30 см, сила тяжіння починає надавати все більший вплив на її форму і рух, залишаючи силі поверхневого натягу важливу роль тільки в круто викривленою частини хвиль поблизу гребеня. Маючи період 1 с, ці хвилі поширюються дуже повільно - набагато повільніше типових поверхневих хвиль. Відповідно такі хвилі спостерігаються на схилах і гребенях більш швидких вітрових хвиль і брижах. Саме в цей час дуже короткі хвилі стають найбільш крутими і втрачають свою енергію, причому на поверхні моря розвиваються тільки що описані капілярні хвилі.

При штормі різке піднімання хвиль в поєднанні з сильними поривами вітру викликає часте обвалення хвиль, створюючи білі гребінці на море - так звані баранці. Енергія не може розсіюватися через короткі і капілярні хвилі настільки швидко, щоб знизити гострі гребені великих морських хвиль і запобігти їх обвалення. У давнину моряки знали це з досвіду. У бурхливому морі рульової направляв свій корабель в тому ж напрямку, куди котилися хвилі, завдяки чому вони набігали на корму судна. Щоб хвилі не перехльостували через корму, команда підвішувала за кормою парусинові мішки з промасленим ганчір'ям. Жир зменшував поверхневий натяг, перешкоджаючи утворенню повільних коротких і капілярних хвиль і тим самим знижуючи силу гальмування великих хвиль. В результаті велика хвиля проходила під кораблем без обвалення. З цього досвіду і народилося старовинне правило: «задобрити потривожені води»; сьогодні, піклуючись про навколишнє середовище, ми вже не можемо діяти таким чином.

вітрові хвилі

Як зазначалося раніше, в вітрових хвилях міститься більше енергії, ніж в океанських хвилях будь-якого іншого типу; на малюнку 17.2 цьому відповідає високий і широкий пік енергії між періодами 5 і 30 с. Найбільша частина енергії, накопиченої в вітрових хвилях на безмежних просторах океану, в кінці кінців досягає того чи іншого узбережжя і розсіюється в процесі турбулентності в прибійних зонах. У розділі Дослідження в прибережній області океанів ми дізнаємося, що концентрація енергії в хвилі зростає як квадрат її висоти (Н2). Величина цієї енергії вражаюча: хвиля з періодом 10 с і висотою 2 м несе в кожному погонному метрі гребеня стільки енергії, що її досить для харчування 250 електричних лампочок по 100 Вт кожна. Така енергія, однак, розподіляється по Світовому океану нерівномірно. Збудником цих поверхневих хвиль служать вітри; тому можна очікувати, що хвилі з найбільшим запасом енергії виникають в тих же поясах, де дмуть приповерхневих західні і східні вітри. Найбільш показовий приклад (рисунок 17.3) - приуроченість найбільших вітрових хвиль, що виникають в поясі між 40 і 50 ° пд.ш., до зони західних вітрів в цьому регіоні Південного океану, іноді званому «буремні сорокові і шалені п'ятдесяті». Тут, з огляду на те що вітер дме неослабно навколо всієї земної кулі, виникають найдовші з усіх поверхневих хвиль: довжина деяких з них перевищує 500 м, а швидкість - 25 м / с. Не дивно, що «обігнути мис Горн», т. Е. Проплисти навколо краю Південної Америки (у 54 ° пд.ш.), було серйозним іспитом для перших мореплавців і отримало світову популярність як випробування сили і мужності моряків, а також надійності корабля.

Малюнок 17.3. Карта Світового океану з ізолініями середньої висоти поверхневих вітрових хвиль для зимового сезону Південної півкулі 1978 по альтиметричні даними з супутника «Сісат». Ясно видно, що в Південному океані концентрується найбільша частина енергії хвиль, порушуваних вітрами «ревуть сорокових і шалених п'ятдесятих» (широтний пояс західних вітрів). Шкала різної густоти зафарбовування в нижній частині малюнка відповідає різним градаціях висоти хвиль.