10.2: Хвилі на морі
- Page ID
- 36948
Більшість океанських хвиль породжуються вітром. Вітер, що дме по поверхні води, створює невеликі порушення, звані капілярними хвилями, або брижі, які починаються від ніжного бризу (рис.\(\PageIndex{1}\)). Капілярні хвилі мають округлий гребінь з V-подібним жолобом, а довжини хвиль менше 1,7 см. Ці невеликі брижі дають вітру щось «схопити», щоб генерувати більші хвилі, коли енергія вітру збільшується, і як тільки довжина хвилі перевищує 1,7 см, хвиля переходить від капілярної хвилі до вітрової хвилі. У міру вироблення хвиль їм протистоїть відновлююча сила, яка намагається повернути воду в її спокійний, рівноважний стан. Відновлювальною силою малих капілярних хвиль є поверхневий натяг, але для більших вітрових хвиль гравітація стає відновлювальною силою.
Зі збільшенням енергії вітру збільшується і розмір, довжина і швидкість одержуваних хвиль. Існує три важливі фактори, що визначають, скільки енергії передається від вітру до хвиль, і, отже, наскільки великі хвилі отримають:
- Швидкість вітру.
- Тривалість вітру, або як довго вітер безперервно дме над водою.
- Відстань, на якій вітер дме по воді в тому ж напрямку, також відоме як вибірка.
Збільшення будь-якого з цих факторів збільшує енергію вітрових хвиль, а значить і їх розмір і швидкість. Але є верхня межа того, наскільки великі хвилі, породжені вітром, можуть отримати. Зі збільшенням енергії вітру хвилі отримують більше енергії, і вони стають як більшими, так і крутішими (нагадаємо з розділу 10.1, що крутизна хвилі = висота/довжина хвилі). Коли висота хвилі перевищує 1/7 довжини хвилі, хвиля стає нестійкою і руйнується, утворюючи білі капелюшки. В умовах сильного вітру поверхня океану стає нерегулярною сумішшю хитких, білих вітрових хвиль. Термін морський стан описує розмір і протяжність хвиль, що генеруються вітром, в певній місцевості. Коли хвилі мають максимальний розмір для існуючої швидкості вітру, тривалості та вильоту, це називається повністю розвиненим морем. Морський стан часто повідомляється за шкалою Бофорта, починаючи від 0-12, де 0 означає спокійні, безвітряні та безхвильові умови, тоді як Бофорт 12 - ураган (див. вікно нижче).
Шкала Бофорта
Шкала Бофорта використовується для опису умов вітру та стану моря на океані. Це спостережна шкала, заснована на судженні спостерігача, а не одна, продиктована точними вимірами висоти хвилі. Beaufort 0 представляє спокійні, рівнинні умови, тоді як Beaufort 12 представляє ураган.
(Зображення Національної служби погоди Сполучених Штатів Америки (http://www.crh.noaa.gov/mkx/marinefcst.php) [Громадське надбання], через Вікісховище).
Повністю розвинене море часто виникає в бурхливих умовах, де сильні вітри створюють хаотичний, випадковий малюнок хвиль і білих шапок різного розміру. Хвилі будуть поширюватися назовні від центру шторму, живиться від сильних вітрів. Однак, коли шторм стихає, а вітри слабшають, ці нерегулярні моря розберуться за більш впорядкованими моделями. Нагадаємо, що хвилі відкритого океану зазвичай будуть глибоководними хвилями, і їх швидкість буде залежати від їх довжини хвилі (розділ 10.1). Коли хвилі віддаляються від штормового центру, вони розбираються на основі швидкості, причому хвилі довшої хвилі рухаються швидше, ніж хвилі коротшої довжини хвилі. Це означає, що в кінцевому підсумку всі хвилі в певній області будуть подорожувати з однаковою довжиною хвилі, створюючи регулярні довготривалі хвилі, які називаються набряком (рис.\(\PageIndex{2}\)). Ми відчуваємо набряк як повільний вгору і вниз або гойдалки руху ми відчуваємо на човні, або з регулярним приходом хвиль на берег. Набряки можуть подорожувати дуже великі відстані, не втрачаючи багато енергії, тому ми можемо спостерігати великі набухання, що прибувають на берег, навіть там, де немає місцевого вітру; хвилі були вироблені штормом далеко від берега, і були відсортовані на набряк, коли вони подорожували до узбережжя.
Оскільки набряки подорожують на такі великі відстані, в кінцевому підсумку набряки, що надходять з різних напрямків, будуть натикатися один на одного, і коли вони це роблять, вони створюють інтерференційні моделі. Інтерференційна картина створюється шляхом додавання особливостей хвиль разом, а тип перешкод, який створюється, залежить від того, як хвилі взаємодіють між собою (рис.\(\PageIndex{3}\)). Конструктивне втручання виникає, коли дві хвилі повністю перебувають у фазі; гребінь однієї хвилі вирівнюється точно з гребенем іншої хвилі, як і жолоби двох хвиль. Додавання двох гребенів разом створює гребінь, який вище, ніж у будь-якій з хвиль джерела, а додавання жолобів створює глибший корито, ніж у вихідних хвиль. Таким чином, результатом конструктивного втручання є створення хвиль, більших за вихідні хвилі джерела. При руйнівній інтерференції хвилі взаємодіють повністю поза фазою, де гребінь однієї хвилі вирівнюється з жолобом іншої хвилі. У цьому випадку гребінь і жолоб працюють, щоб скасувати один одного назовні, створюючи хвилю, яка менше, ніж будь-яка з хвиль джерела. Насправді рідко можна знайти досконале конструктивне або руйнівне втручання, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). Більшість втручань набухачів на морі - це змішана інтерференція, яка містить суміш як конструктивного, так і руйнівного втручання. Взаємодіючі набряки не мають однакової довжини хвилі, тому деякі точки показують конструктивні перешкоди, а деякі точки виявляють руйнівні перешкоди, в різному ступені. Це призводить до нерегулярного малюнка як малих, так і великих хвиль, що називається серфінгом.
Важливо зазначити, що ці інтерференційні схеми є лише тимчасовими порушеннями і не впливають на властивості хвиль джерела. Рухомі набряки взаємодіють і створюють перешкоди там, де вони зустрічаються, але кожна хвиля продовжується без впливу після того, як набряки проходять один одного.
Близько половини хвиль у відкритому морі заввишки менше 2 м, і лише 10-15% перевищують 6 м Але океан може виробляти деякі надзвичайно великі хвилі. Найбільша вітрова хвиля, достовірно виміряна на морі, сталася в Тихому океані в 1935 році, і вимірювалася військово-морським танкером USS Ramapo. Його екіпаж вимірював хвилю 34 м або близько 112 футів у висоту! Іноді конструктивне втручання буде виробляти хвилі, які є надзвичайно великими, навіть коли всі навколишні хвилі мають нормальну висоту. Ці випадкові, великі хвилі називаються хвилями-шахраями (рис.\(\PageIndex{4}\)). Хвиля-шахрай зазвичай визначається як хвиля, яка принаймні вдвічі перевищує значну висоту хвилі, яка є середньою висотою найвищої третини хвиль у регіоні. Нерідкі випадки, коли хвилі шахраїв досягають висоти 20 м і більше.
Хвилі шахраїв особливо поширені біля південно-східного узбережжя Південної Африки, регіону, який називають «диким узбережжям». Тут антарктичні штормові хвилі рухаються на північ у зустрічну течію Агульхаса, і хвильова енергія фокусується на вузькій ділянці, що призводить до конструктивного втручання. Ця область може бути відповідальною за потоплення більшої кількості кораблів, ніж де-небудь ще на Землі. В середньому близько 100 кораблів втрачається щороку по всьому світу, і багато з цих втрат, ймовірно, пов'язані з хвилями шахрайства.
Хвилі в Південному океані, як правило, досить великі (червоні області на малюнку\(\PageIndex{2}\)) через сильні вітри і відсутність сухопутних мас, які забезпечують вітрам дуже довгий приплив, дозволяючи їм безперешкодно дме над океаном на дуже великі відстані. Ці широти були названі «Ревучими сороковими», «Лютими п'ятдесятими» та «Кричущими шістдесятими» через сильний вітер.
