Морские волны

     Такие спектры как функции от частоты  ц строятся для различных значений скорости ветра, продолжительности его действия и длины разгона.

     Между кумулятивным спектром, определяемым величиной Е, и высотой волны определенной обеспеченности существует определенная связь. Так, например, средняя высота волны h связана с кумулятивным спектром соотношением

     

     Для установившегося волнения найдена  связь между величиной Е и скоростью ветра w (в узлах), которая имеет вид:

     

     Для определения среднего периода установившихся волн используется эмпирическое соотношение

     

     а для средней длины волны соотношение

     

=3,41

     Для расчетов элементов неустановившихся волн вводится ряд вспомогательных  коэффициентов и графиков.

     Переход от средних элементов волн к элементам  волн любой обеспеченности осуществляется с помощью графиков.

     Точность  расчета элементов волн по спектральным методам пока остается ниже точности расчета энергетическим методом.

     Повышение точности, как отмечено выше, может  быть достигнуто на основе разумного сочетания всех методов и прежде всего энергетического и спектрального. 

     Корабельные волны. Волны землетрясений. Внутренние волны

     Корабельные волны. Корабельными волнами называется сложная система волн, возникающих  при движении корабля, состоящая из косых или расходящихся и из поперечных волн. Фронт косых воли образует с направлением движения корабля некоторый угол, зависящий от отношения скорости судна к глубине моря и в среднем равный 18- 20°. Фронт поперечных волн перпендикулярен направлению движения корабля

     С образованием корабельных волн связан расход мощности машин и, следовательно, потеря скорости хода. Потеря скорости возрастает с увеличением хода корабля, причем оказывается, что потеря мощности на образование волн превышает потерю на трение о воду. Особенно значительным может быть уменьшение скорости при движении корабля в переслоенной воде, когда поверхностный тонкий слой распреснен или прогрет, а нижележащие слои остаются более плотными. Такое явление («мертвая вода») характерно для северных районов, где в летнее время в результате таяния льда поверхностный слой часто оказывается сильно распресненным. При движении корабля в переслоенной воде мощность машин расходуется на образование не только поверхностных волн, но и так называемых внутренних, возникающих на поверхности раздела воды разной плотности.

     Исследования  показывают, что наибольшая потеря мощности происходит, когда скорость хода судна близка к скорости образующихся внутренних волн. Если толщина верхнего слоя небольшая, то скорость внутренних волн оказывается также небольшой (2—3 узла при толщине верхнего слоя 1,5—3 м). Поэтому внутренние корабельные волны оказывают особенно сильное влияние на тихоходные суда. При больших скоростях хода «мертвая вода» не наблюдается.

     Волны землетрясений (цунами). Волны землетрясений, или цунами, могут достигать огромных размеров и зачастую причиняют большой ущерб и приводят к человеческим жертвам. Поэтому их называют также разрушительными волнами. Возникают эти волны при резких вертикальных и горизонтальных движениях дна, связанных с землетрясениями, а также при подводных извержениях.

     При резких подъемах дна, связанных с  землетрясениями, создается холм воды па поверхности, соответствующий возвышению дна. Вследствие кратковременности импульса поверхность воды не в состоянии сразу приспособиться к новому рельефу дна и занять соответствующее положение. Поэтому холм избыточной воды быстро перемещается от места своего образования в виде уединенной волны. Горизонтальные размеры такого холма могут достигать десятков километров, и при относительно небольшой высоте (несколько метров) он практически не может быть замечен мореплавателем вдали от берега. Скорость распространения уединенной волны соответствует скорости распространения длинных волн.

     Примером  уединенной волны является волна, возникшая 1 сентября 1923 г. в бухте Сагами (Япония) в результате подъема дна. Высота волны в отдельных пунктах Японии достигала 10 м. Интересно отметить, что, используя результаты промера бухты Сагами до и после поднятия дна, Шулейкин произвел расчеты для этой уединенной волны. По расчетам, средняя высота волны 7,1 м, что хорошо согласуется с наблюденными данными.

     Помимо  уединенных волн, подводные землетрясения  могут вызывать и ритмические колебания уровня моря, порожденные подобными же колебаниями пластов дна. Период колебаний составляет от 15 до 60 мин.

     Так, например, в 1946 г. в северной части  Тихого океана возникла серия сейсмических волн — цунами, которые прошли расстояние 3700 км при скорости около 75 км/час и, достигнув Гавайских островов, имели высоту 16,8 м.

     Значительно реже наблюдаются волны, которые возникают в океане под действием извержения вулканов Так возникли, например, волны во время извержения вулкана Кракатау на острове того же названия, лежащем посреди Зондского пролива. 26 августа 1883 г. возник первый сильный взрыв. На другой день в 5 час. 30 мин. утра последовал второй взрыв, а в 10 час. вечера — третий, самый сильный. После каждого взрыва возникала волна, заливавшая берега пролива. Во время последнего, самого сильного взрыва, были затоплены о-ва Сёбуку и Сёбёси, причем с них была смыта вся почва, а число жертв составило около 36000 человек. Высота волны местами доходила до 25—35 м.

     При подводных извержениях дополнительную опасность создают газы, вырывающиеся из-под воды.

     Следует также отметить, что всякое подводное землетрясение порождает в самой воде продольные упругие волны, аналогичные звуковым. Эти волны при встрече с кораблем создают впечатление настоящего удара, подобного тому, какое испытывает корабль при посадке на мель.

     Поэтому не удивительно, что в вахтенных журналах имеются записи об ударах о грунт в таких районах океанов, где глубины составляют несколько тысяч метров. 

     Внутренние  волны

       Толща воды океана не является  однородной и плотность ее не растет равномерно с глубиной. В ней, в силу различных причин может возникать более или менее резко выраженная слоистость.

     Из  теории волн и наблюдений следует, что  па поверхности раздела между  слоями воды разной плотности возникают волны, аналогичные волнам на поверхности моря, которую можно рассматривать как поверхность раздела слоев воды и воздуха. Поэтому выводы, относящиеся к поверхностным волнам, можно применить и к внутренним. Различие будет состоять лишь в том, что при рассмотрении волн па поверхности раздела слоев воды необходимо учитывать плотность и нижнего и верхнего слоев. Для поверхностных волн плотность воздуха не учитывается, так как она мала по сравнению с плотностью воды.

     Внутренние  волны возникают под действием  тех же сил, которые вызывают и поверхностные волны. В зависимости от отношения длины внутренней волны к толщине слоев различают короткие волны, у которых это отношение мало, и длинные волны, у которых длина волны превышает толщину слоев.

     Наблюдения  показывают, что высота внутренних волн может достигать 20—30 м. Отмечались случаи, когда поплавок, уравновешенный в слое скачка на глубине 30—35 м, появлялся на поверхности моря при распространении внутренних волн. Соответственно высоте внутренних волн изменяется и глубина слоя скачка, в котором он» образуются. С этим необходимо считаться, так как с положением слоя скачка, связаны глубина залегания «жидкого грунта», условия распространения звука и прозрачность воды.

     Внутренние  волны, возникающие в слое скачка плотности, являются не единственными  представителями внутренних волн. Теоретические исследования и наблюдения показали, что в толще воды возникают внутренние волны и при постоянном градиенте плотности воды, т. е. при плавном возрастании плотности с глубиной и отсутствии слоя скачка плотности.

     Наиболее  полные теоретические исследования таких внутренних волн были произведены Фиельдстадтом. Его исследования основаны на решении дифференциального уравнения, описывающего систему длинных внутренних волн.

     Это уравнение дает бесчисленное множество  решений, составляющих бесконечный спектр внутренних волн, однако только сравнительно небольшое число волн имеет практическое значение. Наибольшее значение имеют волны первых порядков, которые характеризуются наибольшими значениями амплитуд. С увеличением порядка волн их амплитуда уменьшается. Порядок волны определяется числом максимумов амплитуд, наблюдаемых на различных глубинах. Волна первого порядка имеет один максимум, второго — два и т.д. Приливная волна, не имеющая максимума, так как ее амплитуды на всех глубинах одинаковы, относится к волне нулевого порядка.

     Сложение  волн различного порядка дает весьма сложную картину изменения с  глубиной амплитуд и горизонтальных скоростей. Интересно отметить тот факт, что максимальные амплитуды внутренних длинных волн, описываемых уравнением Фиельдстадта, при равномерном увеличении плотности с глубиной отмечаются в слоях с наименьшим вертикальным градиентом плотности воды. При наличии слоев скачка максимум амплитуд располагается в зоне скачка, однако максимальные амплитуды отмечаются не в самом слое скачка, а па его нижней границе.

     Теория  Фиельдстадта относится, как отмечено выше, к свободным длинным волнам. Однако ее можно использовать и при изучении внутренних приливных волн, так как величина возмущающей силы мала по сравнению с величинами, входящими в уравнение Фиельдстадта.

           Внутренние волны  возникают на границах раздела (т.к.  слои воды стратифицированы). Над вершиной внутренней волны располагается подошва внешней, это следует из условий гидростатического давления.

     

 

     с – скорость внутренней волны, - плотность нижерасположенного слоя, - плотность вышерасположенного слоя.

     Высоту  внутренней волны можно рассчитать, если известно высота поверхностной волны

     

     Высота  внутренней волны больше высоты поверхностной  волны как правило в 3 – 5 раза. По И.Н.Филатовой в Ладожском озере  высоты внутренней волны достигает 5 – 7 м, а высота поверхностной волны  меньше или равно 2 м.

     Можно рассчитать работу, которая необходима для подъема 1 м³ на 1 м

     

     g – ускорение свободного падения.

     

(т.к.  ) 

     Сейши в водоемах

     Иногда  в озеровидных водоемах, морях  и заливах под воздействием быстрой смены атмосферного давления возникают сейши – однообразные колебания уровня. По данным Н.Н.Зубова статическая реакция водоема на изменение атмосферного давления такова: при понижении атмосферного давления на 1 мб, уровень повышается на 1 см и наоборот. При быстрой смене атмосферного давления меняется поле ветра и динамика направления ветра , - изменение уровня.

     Впервые термин «сейши» ввел Форель, он наблюдал их на Женевском озере.

     Сейши могут быть одноузловыми и многоузловыми. Колебания сейшов достигает до 1 м, на Байкале сейши достигают до 0,12 – 0,15 м, оз. Эринга – 2,5 м.

     

- одноузловой сейш

      - период сейша одноузлового, z – глубина, g – ускорение, L – длина водоема.

     

- многоузловой сейш

     n – число узлов

     

, м/с

     v – скорость сейша, h_с – высота сейша.

     Сейши – стоячие волны. Сейши способствуют вентиляции глубин, создают благоприятные условия для гидробионтов, перемешивают различные глубинные воды. 

     МОРСКИЕ ТЕЧЕНИЯ

     Классификация течений

     Течения характеризуются направлением и  скоростью. Вертикальные движения масс воды при исследовании морских течений обычно не учитываются. Это обусловлено тем, что вертикальные движения невелики и что введение вертикальной составляющей движения настолько усложняет исходные уравнения, что решить их в большинстве случаев не удается.

     Морские течения можно классифицировать по следующим признакам:

     1)   по факторам или силам, их вызывающим;

     2)   по устойчивости;