Элементы волн

Каждая волна характеризуется определенными элементами, такими как:

-гребеньволны – часть волны, расположенная выше спокойного уровня.

-вершина волны – наивысшая точка гребня волны.

-ложбина волны – часть волны, расположенная ниже спокойного уровня. (рис.1):

- подошва - наинизшая точка ложбины волны;

- высота h - расстояние по вертикали от подошвы до вершины волны;

Рисунок 12- Элементы волн

гребней;

- крутизна – отношение высоты волны к ее длине ( ); (28)

- период τ– промежуток времени, между прохождением двух смежных вершин через одну и ту же фиксированную точку;

- фронт – линия, проходящая вдоль гребня данной волны; линия, перпендикулярная фронту волны, называется волновым лучом;

- скорость распространения c - расстояние, проходимое определенной точкой волны в единицу времени;

- направление распространения - угол, отсчитываемый от норда в сторону движения волн (или истинный румб, откуда движутся волны).

На основании гидродинамической теории волн получены формулы, связывающие отдельные элементы волн на глубокой воде (когда глубина моря > );

с = 1,56 τ, (29)

λ = 0,64 с², (30)

τ = 0,64 с, (31)

Высота волны измеряется непосредственно или определяется приближенно с помощью специальной номограммы.

Факторы, влияющие на изменение параметров волн в открытом море. Согласно уравнения баланса волновой энергии получено, что изменение элементов волн зависит от скорости и продолжительности действия ветра и длины разгона ветра над морем.

1. Скорость ветра. Наиболее характерным показателем интенсивности передачи энергии волнам и одновременно роста волн под действием ветра является возраст волн. Размеры волны интенсивно растут, когда β не превышает 0,4-0,5. При больших значениях β рост волн замедляется, а при β = 0,8 практически прекращается. В море наблюдаются три стадии ветрового волнения: развивающееся, установившееся и затухающее. При развивающемся волнении высота и длина волны растут с усилением ветра. Однако рост высоты волны вначале происходит весьма интенсивно, а затем постепенно замедляется, что связано с уменьшением крутизны волны по мере развития ветрового волнения. В начальный период развития ветрового волнения волны имеют крутизну волны ε = 1/7, а затем крутизна непрерывно уменьшается и при развитом волнении имеет значение 1/23.

При установившемся волнении размеры волн достигают своих предельных значений при определенной скорости и продолжительности действия ветра и длине его разгона над морем.

При затухающем волнении с ослаблением скорости ветра происходит уменьшение элементов волн за счет сокращения количества энергии, получаемой от ветра в единицу времени.

При неустановившемся волнении со снижением скорости ветра высота волн начинает заметно уменьшаться.

Установившееся волнение начинает заметно уменьшать свои размеры через несколько часов после ослабления ветра, что обусловлено большим количеством энергии, занесенной волной от ветра.

2. Продолжительность действия ветра. Поскольку энергия от ветра волнам передается за определенный промежуток времени. В течение этого промежутка времени на волны действует ветер постоянной или переменной скорости. Выявлено, что с увеличением времени действия ветра высоты волн заметно возрастают, особенно при значительных скоростях ветра. Рост элементов волн по времени продолжается, пока при данной скорости ветра они не достигнут предельно возможных размеров (установившееся волнение).

3. Изменение направления ветра. Из научных наблюдений выявлено, что волнение меняет свое направление медленнее, чем ветер, и совпадает с ним примерно через 12 часов.

4. Длина разгона. На рост элементов волн влияет длина разгона – расстояние Х, на котором ветер постоянный по скорости (+ 2 м/с) и направлению (+ 25°) воздействует на волны.

Разгон Х измеряется в направлении против ветра от расчетной точки до подветренного берега или до подветренной границы ветрового поля.

Длина разгона имеет большое значение в прибрежной зоне, если ветер дует с берега. В этом случае по мере удаления от берега даже при одной и той же скорости ветра параметры волн заметно растут.

Длина разгона играет заметную роль в росте волн, если в каком-нибудь районе океана развивается шторм в резко ограниченных размерах. При этом, если длина разгона не превышает 1/4 - 1/2 линейного размера области шторма, то на концах разгона высоты волн могут значительно отличаться друг от друга.

Если размеры бассейна достаточно велики, а ветер дует значительное время, то на некотором разгоне, зависящем от скорости ветра, наступает состояние насыщения волн энергией и волнение достигает предела развития.

5. Зыбь. Зыбью называется волнение, которое существует за счет накопленной энергии волны (Е), когда передача энергии ветра к волнам прекращается (Е_и = 0).

В океанах и морях встречаются следующие случаи формирования зыби.

1. Возникновение зыби непосредственно в зоне шторма при некоторых колебаниях в скорости дующего ветра. Так как среди совокупности ветровых волн наблюдаются волны в различной стадии своего развития, то достаточно скорости ветра немного уменьшиться, чтобы скорость некоторого числа волн превысила скорость ветра и они превратились бы в зыбь. При новом усилении ветра некоторые из них могут опять перейти в ветровые волны, однако в общем случае с увеличением скорости и продолжительности действия ветра все большее число волн начинает переходить в зыбь.

2. Если в данном районе перемещается циклон, в котором скорость ветра достигает значительных значений, то при этом волны, выходя из области шторма, превращаются в зыбь.

Зыбь, существующая при полном отсутствии ветра, называется мертвой зыбью. Она характерна двухмерными однородными по элементам волнами с малой крутизной.

В результате взаимодействия ветровых волн и зыби в океане возникает смешанное волнение, которое в простейшем случае состоит из двух систем волн – ветрового волнения и зыби.

10. Наблюдения за волнениемпроизводятся как на гидрометеорологических станциях и постах, так и на судах в открытом море.

В навигации для правильного учета влияния волнения на мореплавание важно уметь быстро определять элементы и другие характеристики волн, знать зависимость между ними и ветром, ориентироваться в условиях состояния ветрового волнения на пути следования судна. Это позволяет судоводителю выбрать оптимальный курс и скорость судна, уменьшить потерю скорости, заливаемость палуб, чрезмерную качку, обезопасить судно и грузы от опасного воздействия на них волн.

Существуют визуальные и инструментальные наблюдения за волнением.

Визуальныенаблюдения состоят в визуальной оценке параметров волнения по существующим девятибальным шкалам (от 0 до 9), шкале состояния поверхности моря и шкале степени волнения, а также в определении типа и формы волнения и направления распространения волн.

Шкала состояния поверхности моря разработана для оценки силы ветра по видимому состоянию поверхности моря (рябь, гребни, небольшие волны, «барашки» и т.д.), при ветрах различной силы независимо от высоты волн.

Балл степени волнения определяют в зависимости от высоты волн и обозначают римскими цифрами (табл.2).

Таблица 2 Шкала степени волнения

Результаты определения типа и формы волнения записывают в журнале наблюдений следующими обозначениями:

- ветровое волнение - « вв »,

- зыбь -« з »,

- мертвая зыбь - « мз »

- правильное волнение «пв»,

- неправильное волнение «нв»,

- толчея - «т».

Направление распространения волн определяют по восьми румбам:

N, NO, O^st, SO, SW, W, NW откуда идут волны.

Направление распространения волнения определяется путем непосредственного пеленгования по судовому компасу. Отсчет исправляют поправкой компаса и относят к одному ближайшему румбу.

Высоту волны определяют по последовательным отметкам гребня и подошвы на борту судна путем сравнения с известными масштабами борта, надстроек, мачты. Для наблюдений выбирают 3-5 наибольших волн и отмечают высоту самой большой из них.

Длину волны определяют измерением расстояния вдоль борта между соседними гребнями. Если длина волны больше длины корпуса судна, с кормы выпускают на лине буек на такое расстояние, чтобы он находился на гребне волны, когда второй гребень проходит под наблюдателем. Длина вытянутого втугую линя дает длину волны. Если волна движется под углом q_в к диаметральной плоскости судна то результат измерений умножают на cosq_в.

λ = ι cosq_в. (32)

Период волнопределяют двумя способами.

1. Наблюдатель устанавливает визир пеленгатора перпендикулярно направлению распространения волн (параллельно гребням волн). Выбрав наиболее крупную волну, наблюдатель определяет по секундомеру промежуток времени (с точностью до десятой доли секунды), за который через визир пеленгатора проходят два последующих гребня. Этот промежуток будет кажущимся периодом волны, если судно на ходу, и истинным, если судно стоит на якоре или находится в дрейфе. Необходимо определить не менее 5 периодов и вывести средний период наиболее крупных волн.

Для получения истинного периода волны τ на ходу судна необходимо учитывать скорость судна и курсовой угол по формуле

, (33)

где τ_к – кажущийся период волны,

V_c - скорость судна, м/с,

q_в - курсовой угол волнения.

2. Выбросить за борт какой либо плавающий предмет и определить по секундомеру промежуток времени между нахождениями этого поплавка на двух соседних гребнях. При этом способе получаются значения истинного периода волны независимо от того, стоит судно или движется.

Скорость распространения волн определяют следующим образом.

Если судно на якоре, необходимо заметить время прохождения одного и того же гребня волны между двумя точками борта судна, расстояние между которыми известно.

, (34)

Если судно на ходу, то

V_c , (35)

При курсе судна не параллельном распространению волн

V_c ) cosq_в (36)

Наблюдения над волнением с помощью РЛС. С помощью РЛС можно определить характер и силу волнения, а также длину, период и скорость волн. Изображения эхо-сигналов от волнения имеют вид мерцающих точек вблизи центра экрана. При этом при волнении 5-6 баллов радиус зоны эхо-сигналов не превышает 2 миль, а при сильном волнении может достигать 3-4 миль.

Ряды валов зыби дают очень четкие эхо-сигналы, которые позволяют уловить общее направление распространения зыби.

В океанах наблюдаемые максимальные высоты волн значительно больше, чем в морях. При сильном ветре в океанах высота волн часто достигает 7-8 м, а при штормовом ветре – 20-25 м. В Азовском и Балтийском морях высота волн достигает 3-5 м, а в Черном, Японском, Восточно-Китайском и Охотском морях – 6-8 м.

Особенностью волнения в мелководных морях, например в Азовском ,является то, что волны быстро (менее чем через 1ч) достигают максимальных размеров, значительной крутизны и быстро затухают с прекращением ветра.