8.4: Пляжі
- Page ID
- 36950
мілководні хвилі
Спочатку поверніться до глави 1 та перегляньте матеріал на поверхневих гравітаційних хвиль. Тепер настав час подумати про те, що відбувається з поїздом хвиль, що поширюється від глибокого океану до берегової лінії. Хвилі починаються як глибоководні хвилі, але коли вони мілководні починають «відчувати дно», в тому сенсі, що вони змушують воду рухатися на дні. Це нижнє тертя спричиняє деяку втрату енергії хвилі. Також, якщо орбітальна швидкість води на дні стає досить великою для переміщення піску, розвиваються коливальні брижі (різновид коливально-потокової конфігурації шару) (рис. 8-25).
Одним з найважливіших ефектів, пов'язаних з мілководними хвилями, є те, що вони сповільнюються. Виходить, що для мілководних хвиль швидкість хвилі c пропорційна квадратному кореню глибини води. Оскільки сам хвильовий період не змінюється (хвилі продовжують надходити з офшору в той же період), за співвідношенням L = cT довжина хвилі зменшується. Висота хвилі H також збільшується, з причин, пов'язаних зі збереженням енергії хвилі, які занадто складні для обговорення тут, а комбінований ефект призводить до збільшення крутизни хвилі. Це не може тривати нескінченно довго (гранична крутизна H /L виявляється одна сьома), тому з часом хвилі падають на себе, або іншими словами вони ламаються.
Форма, прийнята розривними хвилями, залежить від швидкості зміни крутизни у міру мілини хвиль. Загальновизнані три типи вимикачів (але майте на увазі, що серед них є градація):
розливаючи вимикачі: хвиля повільно піднімається вгору, гребінь стає нестійким і проливається вниз по передній поверхні хвилі, а висота хвилі повільно зменшується (рис. 6-26А). Вони, як правило, трапляються з пологим нижнім схилом і спочатку крутими хвилями.
занурювальні вимикачі: хвиля швидко піднімається вгору, і гребінь стає тонкою вертикальною стінкою, яка згортається вперед, а потім занурюється вперед і вниз, викликаючи катастрофічне зменшення висоти хвилі (рис. 6-26B). Вони, як правило, трапляються з крутим ухилом дна та спочатку хвилями середньої крутизни.
бурхливі вимикачі: хвилі піки як би занурюються, потім підстава хвилі сплеск вгору по пляжному обличчю, а гребінь руйнується і зникає (рис. 8-26С). Вони, як правило, трапляються з дуже крутими пляжами та спочатку хвилями з низькою крутизною.
Після того, як хвиля зламалася, вода спрямовується вгору по пляжу як рухома маса, яку можна розглядати як хвилю перекладу (на відміну від колишньої природи хвилі, де вода не мала чистого перекладу). Це називається розгойдуванням. Вода перенесена вгору по пляжу, коли гойдалка повертається під вниз схилом тяги тяжіння як зворотна промивка.
Ще одним ефектом уповільнення хвиль, коли вони мілилися, є заломлення. Можливо, ви помітили, що хвилі, що рухаються до берега, як правило, криві навколо так, щоб бути більш майже паралельними березі (рис. 8-27). Це неминучий наслідок уповільнення хвиль, коли вони рухаються в більш дрібну воду. Ось легко зрозуміла аналогія. Сержант навчання виставляє загін маршових осіб за допомогою своїх навчань. В один момент він/вона каже людям зліва робити дитячі кроки, а людям праворуч - зробити гігантські кроки. Можна легко уявити, що буде відбуватися: напрямок руху загону буде вигинатися вліво. Це точно такий же заломлюючий ефект, який робить мілководні хвилі коливатися навколо, щоб бути більш майже паралельно берегової лінії.
Пляжні профілі
Визначити пляж нескладно. Пляж - це маса незв'язного осаду вздовж берегової лінії, яка формується хвильовою дією. Розмір осаду пляжів коливається від найтоншого піску до крупного гравію. Найкращий спосіб наблизитися до динаміки пляжів - подивитися на вертикальний перетин, нормальний до берегової лінії; такий перетин називається пляжним профілем.
Щоб встановити деяку термінологію, малюнок 8-28 являє собою ескіз представницького пляжного профілю. Я хочу підкреслити, що профілі пляжу сильно різняться за своєю геометрією та видами функцій, які вони демонструють - як від пляжу до пляжу, так і на одному пляжі в залежності від часу. Ескіз на малюнку 8-28 - типовий знімок, але він не є репрезентативним для всіх пляжів.
(Морська межа пляжу - це питання визначення; залежно від того, хто робить визначення, він може варіюватися від середнього відливу до морської межі розриву хвиль, яка може бути набагато далі від берега.)
Деякі загальні моменти щодо цього профілю:
• Як обговорювалося в розділі про мілководні хвилі вище, сила і характер донно-водних рухів, пов'язаних з розривом хвиль, сильно і систематично варіюються від глибокої води до суші.
• Профіль пляжу завжди змінюється з часом, намагаючись не відставати від постійно мінливого стану хвилі. Ми природно припускаємо, що для кожного заданого стану хвилі та пляжного осаду існує профіль рівноваги, в тому сенсі, що незалежно від початкової геометрії пляжу, остаточна геометрія рівноваги, досягнута пляжем після тривалого впливу цього хвильового стану, однакова. Але оскільки в реальному світі хвильовий стан весь час змінюється, пляж завжди пристосовується до нової рівноваги.
• Характер руху осаду на пляжі змінюється не тільки від хвиль, але і від розміру осаду, який сам по собі комплексно залежить від довготривалого середньохвильового стану і від характеру подачі осаду на пляж.
Оншор-офшорний транспорт
Головною особливістю руху осаду на пляжі є рух піску вперед-назад у відповідь на розгойдування і зворотне змивання хвиль. Пісок переноситься на пляж як навантаження на ліжко, так і підвішене навантаження відносно глибоким і сильно турбулентним розгойдуванням, і він переноситься назад вниз по пляжу в основному як навантаження на ліжко тоншою і менш турбулентною зворотною промивкою.
Для даного пляжного піску вертикальний профіль пляжу дуже чутливий до хвильових умов. У будь-який момент часу існує майже баланс між піском, переміщеним вгору по пляжу, а пісок рухався вниз по пляжу зворотним промиванням. Обсяг зворотного промивання завжди менше обсягу змивання, тому що вода просочується в пористий пляжний пісок. Щоб підтримувати рівновагу в русі піску вгору і вниз по схилу, пляж приймає на певному схилі, так що сила тяжіння перешкоджає транспортуванню вгору по схилу розгойдування, але допомагає транспортуванню вниз по схилу зворотним промиванням.
Тому важливим у регулюванні нахилу верхньої частини пляжу є співвідношення обсягу зворотного промивання до об'єму гойдання. Зі збільшенням висоти хвилі об'єм води, що рухається вгору і вниз по пляжу, збільшується, але оскільки обсяг, втрачений від проціджування, не дуже сильно збільшується, відсоток зворотного промивання порівняно з розмахом більший, ніж для хвиль з низькою крутизною. Так більше матеріалу переміщається вниз по пляжу, а ухил на верхній частині пляжу зменшується. Пісок, таким чином, розмивається з верхньої частини пляжу, припаркований далі на березі, хоча все ще в межах пляжної системи. У періоди гарної погоди, з меншими хвилями, співвідношення обсягу зворотного промивання до обсягу розгойдування зменшується, а нахил верхньої частини пляжу знову збільшується, оскільки пісок подається з морських берегів. На малюнку 6-29 зображено два профілю пляжу, один для малих хвиль і один для великих хвиль.
Зазвичай пісок, який припаркований на шельфі в періоди сильних хвиль, не втрачається для пляжної системи, і він переміщується назад на верхню частину пляжу - частину, яку ми бачимо, лежить і граємо на ній - у періоди слабших хвиль. Тільки під час надзвичайно великих штормів іноді може відбуватися мобілізація великих мас піску і транспортування далі в море.
За тією ж лінією міркувань, нахил пляжу залежить безпосередньо від розміру піску: більш грубі пляжі допускають більшу просочування, тому для даного стану хвилі пляж повинен бути крутішим, щоб досягти балансу між вгору і вниз по схилу осаду руху. Пляжі з дрібним піском мають дуже пологі схили, іноді всього в кілька градусів. Такі пляжі можуть бути в сотні метрів завширшки. З іншого боку, пляжі, утворені з грубого гравію в районах, що піддаються дуже сильним хвилям, можуть бути такими ж крутими, як кут упокоєння гравію, набагато більше 30°. (Кут спокою - це кут нахилу, який передбачається палою пухкого осаду, який утворюється шляхом заливки осаду з точки над палею.) На таких пляжах немає зворотного змиву: вода гойдалки так швидко просочується в пляж, що немає нікого, щоб текти назад по пляжу, як зворотна промивка! Тоді тяга тяжіння вниз по схилу - єдине, що протидіє висхідному транспорту розгойдуванням.
Портовий транспорт
Поки я говорив лише про рух осаду в onshore— офшорному напрямку. Пісок також переміщається по пляжу, різними способами. Такий рух називається довгобереговим транспортом, або літоральним дрейфом, або довгобереговим дрейфом.
Як спостерігається береговий транспорт? Як відомо, важко проводити прямі вимірювання швидкості транспортування осаду, особливо в складних ситуаціях, таких як пляжі, де різні види водних рухів накладаються один на одного, але два рядки непрямих доказів повинні бути легко зрозумілими:
• накопичення піску перед пахами і причалами і виснаження за ними (рис. 8-30);
• будівництво піщаних косів на мисах (рис. 8-31).
Ще однією хорошою лінією доказів, менш очевидною для випадкового спостерігача, є наявність характерного осаду уздовж пляжу, що спускається з гирла річки (рис. 8-32).
Нарешті, ви можете уявити маркування або позначити невеликий обсяг осаду, фарбою або навіть з радіоактивним покриттям, а потім шукати його в напрямку вниз через деякий проміжок часу. Це відмінний спосіб отримання якісної інформації на прибережному транспорті. Але отримати реальні темпи руху, з точки зору маси піску, переміщеного за одиницю часу, набагато складніше, багато в чому через проблеми, пов'язані з перемішуванням зазначеного піску вниз в підстилаючий пісок.
Довгобережний транспорт складний, тому що йому сприяють кілька різних механізмів. Один вид берегового транспорту, який називається пляжний дрейф, легко зрозуміти: це відбувається тому, що хвилі наближаються до пляжу навскоси, а не прямо. (Зазвичай це так, що хвилі не наближаються до пляжу прямо.)
Незважаючи на тенденцію до заломлення хвиль робити хвилі більш майже паралельними берегу, хвилі все ще мають тенденцію бути трохи косими до берега, коли вони ламаються (рис. 8-27). Так що розмах (хвиля перекладу, вироблена розривом) проходить не прямо вгору по пляжу, а по діагоналі, рухаючись з ним пісок по діагоналі. Оскільки розмах втрачає свій імпульс і тягнеться назад вниз по пляжу гравітацією, він тече більш майже прямо вниз по пляжу, знову несучи трохи піску з ним. Чистий вплив на пісок повинен бути зміщений трохи вниз по пляжу пилкоподібним чином, у напрямку хвильового наближення до берега (рис. 8-33).
Іншою важливою причиною прибережних перевезень є наявність, безпосередньо прилеглого до берегової лінії, стійкої течії, що протікає паралельно пляжу. Така течія називається довгим береговим течією. Причини прибережних течій різноманітні. Ось три можливості:
• пилкоподібний рух розгойдування і зворотного промивання косо наближаються хвилями, описані вище;
• струми, викликані складними процесами, пов'язаними з косим наближенням самих хвиль;
• течії, присутні в прибережній зоні, але не викликані хвилевим мілководством.
Незалежно від їх походження, прибережні течії можуть транспортувати пісок так само, як течії в річці. Насправді здатність прибережних течій транспортувати пісок посилюється суспензією піску шляхом розриву хвиль у зоні розриву: може бути помітний прибережний транспорт прибережними течіями, навіть якщо течії недостатньо сильні, щоб переміщати пісок самі по собі.
Пляжна ерозія багато в новині, особливо на півдні Нової Англії та на Лонг-Айленді. Найкращий спосіб подумати про ерозію пляжу - це бюджет піску, який бере участь у перевезенні на довгій березі, тому що ми вже бачили, що мало піску втрачається на пляжі прямим морським рухом. У цій точці зору пляжна ерозія в одній місцевості компенсується пляжним відкладенням десь в іншому місці. У районах, де з вище за течією подається менше піску, ніж транспортується вниз за течією, є пляжна ерозія, а положення пляжу рухається по суші; в районах, де більше піску подається зверху за течією, ніж транспортується вниз за течією, є пляжне осадження, і положення пляжу рухається в бік моря.
У контексті Кейп-Кода або Лонг-Айленда, ви повинні мати на увазі, що це в основному просто гігантські купи грубого осаду, які були припарковані там, в той час як кінцева частина останнього континентального крижаного покриву довгий час перебувала приблизно в одному і тому ж місці на висоті просування льодового покриву, а після моря. Рівень піднявся приблизно до свого теперішнього положення, ці купи осаду були піддані хвильової дії та берегового транспорту без будь-якого нового джерела піску, як від основної річкової системи. Так що єдине джерело піску для неминучого довгоберегового транспорту надходить з самого пляжу, а осадові скелі за пляжем. З іншого боку, багато нового пляжу будується довгим транспортом до «нижчих кінців» пляжів - Провінстаун і Мономой, у випадку з Кейп-Кодом.
Малюнок 8-34 являє собою ескіз зовнішнього Кейп-Коду, що показує напрямок наближення домінуючих піщано-рухомих хвиль і мережі прибережних напрямків транспорту. На південь від точки приблизно посередині обличчя зовнішнього мису, чистий довгобереговий транспорт знаходиться на південь, а на північ від цієї точки чистий довгобереговий транспорт знаходиться на північ. Точка ділення називається нульовою точкою. На велику відстань на північ і південь від нульової точки є чиста ерозія пляжу. Але на північ і південь від цієї зони чистої ерозії відбувається чисте осадження, оскільки коси поширюються все далі.
