17.1: Хвилі

Last updated

Oct 26, 2022
Save as PDF
- 17: Берегові лінії
- 17.2: Форми рельєфу та прибережна ерозія

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Хвилі утворюються на океані і на озерах, тому що енергія від вітру передається воді. Чим сильніше вітер, тим довше він дме, і чим більша площа води, над якою він дме (вибивка), тим більші хвилі, ймовірно, будуть.

Важливими параметрами хвилі є довжина хвилі (горизонтальна відстань між двома гребенями або двома жолобами), амплітуда (вертикальна відстань між жолобом і гребенем) і швидкість хвилі (швидкість, з якою гребені хвиль рухаються по воді ) (Малюнок $\PageIndex{1}$ ).

$\PageIndex{1}$ Малюнок Параметри водних хвиль.

Типові розміри і швидкості хвиль в ситуаціях, коли вони мали достатньо довго розвиватися повністю, зведені в таблиці 17.1. У ситуації, коли винос короткий (скажімо, 19 км на озері) і вітер лише помірний (19 км/год), хвилі розвиватимуться повністю протягом 2 годин, але вони залишаться досить невеликими (середня амплітуда близько 27 см, довжина хвилі 8,5 м). На великому водоймі (океан або дуже велике озеро) з протяжністю 139 км і вітрами 37 км/год хвилі розвиватимуться повністю за 10 годин; середня амплітуда становитиме близько 1,5 м, а середня довжина хвилі близько 34 м У відкритому океані, при сильних вітрах (92 км/год), які дмуть не менше 69 годин, хвилі буде в середньому майже 15 м висотою і їх довжини хвиль буде більше 200 м Малі хвилі (амплітуди під метром), як правило, мають відносно неглибокі схили (амплітуда становить від 3% до 4% довжини хвилі), тоді як більші хвилі (амплітуди понад 10 м) мають набагато крутіші схили (амплітуда становить від 6% до 7% довжини хвилі). Іншими словами, великі хвилі не тільки більші за малі, вони також, як правило, більш ніж вдвічі крутіші, а отже, у багато разів більш вражаючі - і потенційно небезпечні. Однак важливо визнати, що амплітуди зменшуються з відстанню від області, де були створені хвилі. Хвилі на нашому узбережжі, які генеруються штормом поблизу Японії, матимуть подібні довжини хвиль, але нижчі амплітуди, ніж ті, що генеруються порівнянним штормом лише на шельфі.

Таблиця 17.1 Параметри вітрових хвиль в ситуаціях, коли вітер дме приблизно в одному напрямку досить довго, щоб хвилі розвивалися повноцінно. Перераховані терміни тривалості є мінімальним, необхідним для повного розвитку хвиль. ^[1]
Швидкість вітру (кілометри на годину)	Фетч (кілометри)	Тривалість (годин)	Амплітуда (метри)	Довжина хвилі (метри)	Період хвиль (секунди)	Швидкість хвилі (метри в секунду)	Швидкість хвилі (кілометри на годину)
19	19	2	0,27	8.5	3.0	2.8	10.2
37	139	10	1.5	33.8	5.7	5.9	19.5
56	518	23	4.1	76.5	8.6	8.9	32.0
74	1 313	42	8.5	136	11.4	11.9	42.9
92	2 627	69	14.8	212	14.3	14.8	53.4

Вправа 17.1 Висота хвилі проти довжини

У цій таблиці наведені типові амплітуди і довжини хвиль хвиль, що генеруються в різних умовах вітру. Крутизна хвилі може бути визначена за цими числами і пов'язана зі співвідношенням: амплітуда/довжина хвилі.

Обчисліть ці співвідношення для показаних хвиль. Перший з них зроблений за вас.
Як змінилися б ці співвідношення зі збільшенням відстані від вітру, який виробляв хвилі?

Обчисліть хвильові коефіцієнти.
Амплітуда (метри)	Довжина хвилі (метри)	Співвідношення (амплітуда, розділена на довжину хвилі)
0,27	8.5	0,03
1.5	33.8
4.1	76.5
8.5	136
14.8	212

Див Додаток 3 для вправ 17.1 відповіді.

Відносно невеликі хвилі рухаються зі швидкістю приблизно до 10 км/год і прибувають на берег приблизно раз в 3 секунди. Дуже великі хвилі рухаються приблизно в п'ять разів швидше (понад 50 км/год), але оскільки їх довжини хвиль набагато довші, вони надходять рідше - приблизно раз на 14 секунд.

Коли хвиля рухається по поверхні води, сама вода в основному просто рухається вгору і вниз і рухається лише невелика кількість у напрямку руху хвилі. Як це відбувається, точка на водній поверхні описує коло діаметром, який дорівнює амплітуді хвилі (рис. $\PageIndex{2}$ ). Цей рух також передається воді під водою, і вода порушується хвилею на глибину приблизно в половину довжини хвилі. Хвильовий рух досить чітко проілюстровано на сайті Вікіпедії «Вітрова хвиля». Якщо ви уважно подивитеся на цю анімацію і зосередитеся на маленьких білих крапках у воді, ви зможете побачити, як кількість, яку вони рухаються, зменшується з глибиною.

$\PageIndex{2}$ Малюнок Орбітальний рух ділянки води (чорна точка) як хвиля рухається по всій поверхні.

Половина довжини хвилі глибина порушення води під хвилею відома як хвильова база. Оскільки океанські хвилі рідко мають довжини хвиль більше 200 м, а відкритий океан глибиною кілька тисяч метрів, хвильова база нормально не взаємодіє з дном океану. Однак, коли хвилі наближаються до набагато більш дрібної води біля берега, вони починають «відчувати» дно, і на них впливає така взаємодія (рис. $\PageIndex{3}$ ). Хвиля «орбіти» як сплющені, так і уповільнені перетягуванням, і наслідки полягають в тому, що амплітуда (висота) хвилі збільшується, а довжина хвилі зменшується (хвилі стають набагато крутішими). Кінцевим результатом цього є те, що хвилі нахиляються вперед, і в підсумку ламаються (рис. $\PageIndex{4}$ ).

$\PageIndex{3}$ Малюнок Ефект хвиль наближаються до піщаного берега.

Малюнок $\PageIndex{4}$ Хвилі розриваються на березі в Greensand Beach, Гаваї (пісок зелений, тому що він складається в основному з мінерального олівіну, розмитого з довколишніх вулканічних порід).

Малюнок $\PageIndex{5}$ Хвилі наближається до берега Лонг-Біч в Тихоокеанському національному парку. Коли хвилі (зображені білими лініями) наближаються до берега, вони заломлюються, щоб стати більш паралельними пляжу, і їх довжина хвилі зменшується.

Хвилі зазвичай наближаються до берега під кутом, а це означає, що одна частина хвилі відчуває дно раніше, ніж інша його частина, тому спочатку сповільнюється частина, яка відчуває дно. Цей процес проілюстрований на малюнку $\PageIndex{5}$ , який заснований на аерофотознімку, що показує фактичні хвилі, що наближаються до Лонг-Біч на острові Ванкувер. Коли фотографія була зроблена, хвилі (гребенями, показаними білими лініями на схемі) наближалися під кутом близько 20° до пляжу. Хвилі вперше досягли берега в південному кінці («а» на зображенні). Коли вони рухалися на мілководді, вони сповільнювалися, і оскільки частини хвиль все ще знаходяться в глибокій воді («б» на зображенні) не сповільнювалися, вони змогли наздогнати, і таким чином хвилі стали більш паралельними пляжу.

$\PageIndex{6}$ Малюнок. Генерація прибережної течії хвилями, що наближаються до берега під кутом.

У відкритій воді ці хвилі мали довжину хвиль близько 100 м На мілководді ближче до берега довжини хвиль зменшилися приблизно до 50 м, а в деяких випадках і навіть менше.

Незважаючи на те, що вони згинаються і стають майже паралельними березі, більшість хвиль все ще досягають берега під невеликим кутом, і коли кожен з них прибуває, він штовхає воду вздовж берега, створюючи те, що відомо як довге узбережжя течії в зоні прибою (області, де хвилі розриваються) (Малюнок $\PageIndex{6}$ ).

Вправа 17.2 Заломлення хвиль

Серія хвиль (пунктирних ліній) наближається до узбережжя на карті, показаній тут. Розташування контуру глибини, еквівалентне 1/2 довжини хвилі, показано червоною пунктирною лінією.

Намалюйте в наступних кілька хвиль, показуючи, як їх візерунки будуть змінюватися в міру наближення до мілководдя і берега.
Показувати стрілками напрямок отриманого довгоберегової течії.

Див Додаток 3 для вправ 17.2 відповіді.

Частинки на пляжі рухаються зигзагоподібним малюнком від розгону і зворотного змиву води від розриву хвиль — $\PageIndex{8}$ Малюнок. Рух частинок на пляжі в результаті змивання і зворотного промивання.

Ще одним важливим ефектом хвиль, що досягають берега під кутом, є те, що коли вони вимиваються на пляж, вони роблять це під кутом, але коли ця ж хвиля вода стікає назад по пляжу, вона рухається прямо вниз по схилу пляжу (рис. $\PageIndex{8}$ ). Вода, що рухається вгору, відома як розмах, штовхає частинки осаду вздовж пляжу, тоді як вода, що рухається вниз, зворотна промивка, повертає їх прямо назад. З кожною хвилею, яка змиває вгору, а потім вниз по пляжу, частинки осаду переміщаються по пляжу зигзагоподібним малюнком.

Комбіновані ефекти транспортування осаду в зоні прибою за рахунок прибережної течії та руху осаду вздовж пляжу шляхом змивання та зворотного промивання відомий як дрейф на березі. Дрейф Longshore переміщує величезну кількість осаду вздовж узбережжя (як океанів, так і великих озер) по всьому світу, і він відповідає за створення різноманітних функцій осадження, про які ми обговоримо в розділі 17.3.

Ріп-течії забирають воду з довгих течій подалі від берегової лінії. — $\PageIndex{9}$ Малюнок Освіта рип-течій на пляжі з сильним прибоєм.

Ріп-течія - це ще один тип течії, який розвивається в прибережній зоні, і має ефект повернення води, яка була висунута до берега вхідними хвилями. Як показано на малюнку $\PageIndex{9}$ , ріп-течії витікають прямо з берега і харчуються прибережними течіями. Вони швидко вимирають прямо за межами зони прибою, але можуть бути небезпечними для плавців, які потрапляють в них. Якщо частина пляжу не має сильного односпрямованого прибережної течії, ріп-течії можуть харчуватися прибережними течіями, що йдуть в обох напрямках.

Малюнок $\PageIndex{10}$ Rip течії на пляжі Тункен в центральній Чилі.

Ріп течії видно на малюнку $\PageIndex{10}$ , пляж в Tunquen в Чилі поблизу Вальпараїсо. Як видно з фотографії, рипи відповідають набережним у пляжному профілі. Три з них позначені стрілками, але виявляється, що далі по пляжу може бути кілька інших.

Припливи пов'язані з дуже довгохвильовими, але низькоамплітудними хвилями на поверхні океану (і набагато меншою мірою на дуже великих озерах), які викликані варіаціями гравітаційних ефектів Сонця і Місяця. Амплітуда припливів у берегових районах досить різко варіюється від місця до місця. На західному узбережжі Канади приливний діапазон відносно високий, в деяких районах цілих 6 м, тоді як на більшій частині східного узбережжя діапазон нижче, як правило, близько 2 м Основним винятком є затоку Фанді між Новою Шотландією і Нью-Брансвік, де денний діапазон може бути настільки ж великим, як 16 м Аномальні припливи, як які пов'язані з формою та розмірами бухт і входів, що може значно посилити амплітуду приливного сплеску. Затока Фанді має цикл природних коливань 12,5 годин, і це відповідає частоті підйому і падіння припливів у сусідньому Атлантичному океані. Затока Унгава, на північному узбережжі Квебеку, має аналогічно високий приливний діапазон.

Коли припливи піднімаються і падають, вони штовхають і тягнуть великий обсяг води в і з бухт і входів і навколо островів. Вони не мають такого значного впливу на прибережну ерозію та осадження, як вітрові хвилі, але мають важливий вплив на формування ознак всередині міжприливної зони, як ми побачимо в наступних розділах.

Атрибуції ЗМІ

Малюнок $\PageIndex{10}$ : «Тункен Чилі» Сесілії та Ренді Ласкоді. P публічне надбання.

Таблиця Стівена Ерла з даних за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Wind_wave]