Тема: Морські хвилі та припливи

Лекція №8

1. Морські хвилі та їх елементи

Хвилі - це коливальні рухи рідини в певному шарі морської води, в якому частинки води здійснюють періодичні коливання біля поло­ження своєї рівноваги.

До основних геометричних елементів хвиль належать:

• хвильовий профіль - переріз послідовних хвиль вертикальною площиною вздовж напрямку поширення хвиль;

• середня хвильова лінія - горизонтальна лінія, яка перетинає хви­льовий профіль так, що сумарні площі фігур, обмежених хвильовим профілем і розташованих нижче і вище цієї лінії, рівні між собою;

• вершина хвилі - найвища точка хвильового профілю;

• підошва хвилі - найнижча точка хвильового профілю;

• гребінь хвилі - частина хвилі, розташована вище середньої хвильової лінії;

• улоговина хвилі - частина хвилі, розташована нижче середньої хвильової лінії;

• фронт хвилі - лінія, яка проходить уздовж гребеня хвилі перпендикулярно напрямку поширення хвилі;

• висота хвилі (h) - перевищення вершини хвилі над підошвою;

• довжина хвилі (λ) - відстань між сусідніми вершинами або підошвами хвиль;

• крутизна хвилі - відношення висоти хвилі до її довжини.
Кінематичними елементами хвиль є:

• період хвилі (t) - проміжок часу між проходженням через одну і ту ж точку простору двох суміжних гребенів (чи підошов), протягом яко­го частинки води повністю проходять свою орбіту;

• швидкість хвилі (с) - відстань, яку пробігає гребінь (чи інший елемент хвилі) за одиницю часу в напрямку поширення хвилі.

Існує цілий ряд класифікацій хвиль за різними характеристиками і ознаками. Найбільш загальною є генетична класифікація, згідно з якою хвилі поділяють за причинами, що їх викликають, на:

1) вітрові (фрикційні чи хвилі тертя), які утворюються під дією вітру;

2) припливні, причиною яких є припливи;

3) анемобаричні - зумовлені змінами атмосферного тиску;

4) сейсмічні (цунамі) - викликаються підводними землетрусами;

5) корабельні - утворюються при русі суден.
Хвилі також поділяють:

• за наявністю видимого переміщення форми хвилі на поступальні і стоячі;

• за співвідношенням довжини хвилі λ і глибини моря Н на короткі (λ <Н) і довгі (λ > Н);

• за глибиною поширення на поверхневі і внутрішні;

• за періодом - короткоперіодичні і довгоперіодичні;

• за формою - двомірні, тримірні та відокремлені;

• за дією хвилетворних факторів - вимушені, які існують під впливом тієї сили, що їх викликала, і вільні, які існують після припинення дії основного чинника;

• за ступенем розвитку хвильового профілю - несталі, які перебувають на стадії розвитку або затухання, і сталі, які перебувають на стадії стабілізації;

• за силами, які повертають частинки води в положення рівноваги - капілярні, у яких такою силою є сила поверхневого натягу (наприклад, вітрові хвилі-брижі), та гравітаційні, в яких переважає сила тяжіння.

Найбільше поширені у Світовому океані вітрові хвилі. Вони належать до категорії поверхневих поступальних короткоперіодичних хвиль.

Розміри вітрових хвиль тим більші, чим сильніший і триваліший ві­тер, чим більший його розгін, тобто відстань, яку він пробігає над во­дою. Найбільші хвилі спостерігаються в районах із частими і тривали­ми штормами. Величезні площі сильного хвилювання розташовані в помірних широтах, які навіть отримали назву "ревучі сорокові". Великі хвилювання часті в океанічному кільці південної півкулі, в районах квазістаціонарних атмосферних фронтів. Найвищі хвилі (34 м) спосте­рігаються посередині північної частини Тихого океану, найдовші (бли­зько 800 м) - біля південних берегів Британських островів і в екваторі­альній частині Атлантичного океану. Великі хвилі спостерігаються та­кож біля південних берегів Африки, де вони стали причиною катаст­роф багатьох кораблів. Це так звані хвилі-вбивці, одиночні хвилі за­ввишки понад 20 м. Але переважна більшість вітрових хвиль не дося­гає у висоту і 4 м.

2. Уявлення про теорію хвилювання

Поступальний рух вітрових хвиль - уявний рух. Це - рух тільки фор­ми хвилі, а не самих водних мас. Переконатися в цьому можна, якщо кинути на хвильову поверхню моря поплавок. Він буде залишатися на місці, піднімаючись і опускаючись разом із хвилею. Коли до поплавка підходить гребінь хвилі, він піднімається і трохи посувається в бік ру­ху хвилі, коли наближається підошва - опускається і змішується у зворотний бік. Можливий і такий випадок, коли поплавок буде дрей­фувати, але це пояснюється дією вітру, а не хвилювання.

Існують спеціальні формули, які дозволяють визначати елементи хвиль (довжину, швидкість, період). Висота хвиль не вираховується, а вимірюється безпосередньо.

Критерії мілководності.Умови утворення хвиль суттєво змінюють­ся залежно від співвідношення між глибиною моря на певній ділянці його акваторії і довжиною хвилі. У гідравліці широко застосовується так званий гідродинамічний критерій мілководності (Н = λ/2). Якщо глибина моря більша за половину довжини хвилі (Н > λ/2), то море (чи його ділянка) називається глибоким морем, (глибоководдям). У цьому випадку хвилі розвиваються не взаємодіючи з дном, їх параметри не залежать від глибини моря.

Навпаки, коли глибина моря менша за половину довжини хвилі (Н < λ/2), то таке море (чи його ділянка) називається мілким морем (мілко­воддям). На мілководді дається взнаки тертя об дно, яке суттєво впли­ває на кінематичні та геометричні характеристики хвиль. Орбіти час­тинок води набувають еліптичної форми (рис. 7.3).

У випадку глибокого моря швидкість поширення хвилі можна ви­значати за формулою:

,(1)

де g - прискорення сили тяжіння.

Такі хвилі називаються короткими. До них можна віднести вітрові хвилі на деякому віддаленні від берега, коли починає виконуватися умова Н > λ/2.

При Н < λ/2 швидкість поширення хвилі залежить не лише від її довжини, а і від глибини моря. Для дуже мілкого моря швидкість хвиль залежить лише від глибини моря і виражається формулою

c = (2)

Формулою (2) можна користуватися для обчислення швидкості довгих хвиль типу припливних або цунамі, а в ряді випадків - і віт­рових хвиль.

Гідродинамічний критерій мілководності має суттєвий недолік. При різних довжинах хвиль одне і те ж море (чи його ділянки) можуть бути мілководними або глибоководними, що робить невизначеними самі поняття глибокого чи мілкого моря.

Сучасна теорія хвиль розвивається за двома напрямами: встанов­лення фізичних законів, які управляють хвильовим процесом, і роз­робка статистичних основ вчення про морське хвилювання. Велике значення при цьому надається механізмові передачі енергії вітру морським хвилям.

3. Деформація хвиль на мілководді та їх вплив на берег

При наближенні до берега хвилі починають деформуватися, особ­ливо якщо берег відмілий. Довжина хвиль збільшується. Гребені ста­ють більш крутими, підошви - похилими. При підході до берега під кутом фронт хвилі намагається зайняти положення, паралельне до берегової лінії. Пояснюється це тим, що частина хвилі, яка розташо­вана ближче до берега і на менших глибинах, уповільнюється у своє­му русі, а мориста частина хвилі випереджає її, у результаті чого вся система хвиль загинається до берега. Поворот фронту хвиль паралель­но до лінії берега називається рефракцією хвиль на мілководді.

Через тертя об дно частинок води, які лежать біля підошви, вони по­чинають повільніше рухатися. А частинки води гребеня на певній від­далі від берега починають доганяти підошву хвилі, яка рухається попе­реду. Відбувається перекидання гребенів та їх руйнування. Глибина, на якій це відбувається, залежить від багатьох факторів: крутизни схилу дна, сили і напрямку вітру, довжини і крутизни хвиль, течій тощо.

Якщо перекидання гребенів хвиль та їх руйнування відбувається біля самого берега, то утворюється прибій і захлюпування. Якщо ж хвилі перекидаються на деякій віддалі від берега над смугою відмілин чи підводних рифів, то це явище називається буруном.

Біля обривистого берега в момент підходу хвилі відбувається сплеск, висота якого приблизно дорівнює подвоєній висоті хвилі. Біля приглибих берегів висота сплесків досягає 60 м і більше. При цьому енергія хвилі переходить в енергію удару, що при штормах призводить до значного руйнування берегових споруд.

При зустрічі хвиль з перешкодою відбувається ще одне явище, яке називається інтерференцією хвиль. Воно виникає в результаті накла­дання падаючих і відбитих від берега хвиль і призводить до утворен­ня стоячих хвиль.

Хвилі, з одного боку, руйнують морські береги, а з іншого - беруть участь у формуванні морських узбережь, розподіляючи продукти руй­нування вздовж і поперек берега. Руйнівна дія хвилювання проявля­ється як шляхом безпосереднього удару хвиль чи каміння, яке несе хвиля, об берег, так і шляхом розмивання менш твердих порід берега з наступним утворенням зсувів.

4. Внутрішні і корабельні хвилі

Внутрішні хвилі - це хвилі, які виникають на межі двох шарів во­ди різної густини в товщі вод Світового океану. Їх причиною є ті ж сили, які викликають і поверхневі хвилі, хоча енергія внутрішніх хвиль значно менша від енергії поверхневих. На поверхні океану вну­трішні хвилі невидимі. Щоб їх виявити необхідні безперервні спосте­реження за вертикальним розподілом океанологічних характеристик.

Бувають короткі і довгі внутрішні хвилі. Короткими називають такі внутрішні хвилі, відношення довжини яких до товщини верхнього і нижнього шарів води різної густини невелике. У довгих хвиль це від­ношення значне.

Висота внутрішніх хвиль може досягати 20-35 м і більше. Зафіксо­ваний випадок, коли зрівноважений на глибині 35 м у шарі стрибка густини поплавок з'явився на поверхні моря, піднятий гребенем вну­трішньої хвилі.

Корабельні хвилі виникають під час руху корабля. Одночасно утво­рюються поперечні і косі хвилі. Фронт поперечних хвиль перпендикуля­рний до напрямку руху судна, фронт косих становить з ним певний кут, величина якого залежить від відношення швидкості судна до глибини моря (у середньому він дорівнює 18-20°).

5. Цунамі

Цунамі - це довгі хвилі, які виникають у результаті підводних зем­летрусів, виверження підводних, а інколи і надводних прибережних вулканів. Здебільшого цунамі викликаються тектонічними землетру­сами, пов'язаними з миттєвими переміщеннями великих мас земної кори. За статистикою, із загальної кількості сильних землетрусів у Ти­хому океані лише один із ста супроводжується цунамі.

Окрім власне сили землетрусу, висота цунамі залежить від рельєфу моря і конфігурації берега. Як правило, вона не перевищує 10 м (у середньому 5-6 м). Надзвичайно рідко зустрічаються хвилі завви­шки 15-20 м (у вузьких бухтах і затоках).

Найчастіше до узбережжя приходить група цунамі, причому висо­та їх послідовно зростає до третьої - п'ятої хвилі.

Довжина хвиль цунамі вимірюється сотнями кілометрів (200-300 км). Тому вони надзвичайно похилі і непомітні для суден у відкритому морі.

Швидкість поширення цих хвиль дуже велика (400-800 км/год). Залежно від відстані епіцентру землетрусу цунамі приходять до узбережжя за десятки хвилин, а то й годин. Поштовхи від землетрусу, які фіксують сейсмографи, передаються по земній корі в кілька разів швидше. Ця обставина дозволяє організувати службу попередження населення про можливості появи цунамі. При цьому треба мати на увазі, що частина попереджень може бути невиправданою, оскільки не кожний сильний землетрус супроводжується цунамі.

Цунамі спостерігаються в багатьох місцях земної кулі, але переваж­но в західній частині Тихого океану. Багато з них супроводжувалися руйнуванням прибережних населених пунктів і людськими жертвами. Найчастіше цунамі бувають біля берегів Японії, Чилі, Перу, Алеутських і Гаванських островів. Приуроченість цунамі до Тихого океану поясню­ється його сейсмічною і вулканічною активністю. Із 400 діючих вулка­нів земної кулі 330 розташовані в Тихому океані. Більшість сильних землетрусів (близько 80%) теж відбувається в зоні Тихого океану.

Досить ефективним способом для встановлення небезпеки цунамі є спостереження за рівнем води з допомогою мореографа (прилад для ав­томатичного запису коливань рівня води). Значні підйоми рівня в райо­нах, близьких до зони землетрусу, свідчать про загрозу для населення прибережних районів. Певним попередженням про надходження цуна­мі може служити раптовий відступ води від берегів, що передує хвилі.

6. Припливи.

Припливно-відпливні явища у Світовому океані - це періодичні коли­вання рівня води і течії, які виникають під дією притягання Місяця і Сонця. Фази підйому і спаду рівня називають відповідно припливом, і відпливом. Найвищий рівень, який спостерігається під час припливу - це повна вода, найнижчий рівень у період відпливу - мала вода. Протягом доби можуть спостерігатися дві повні і дві малі води.

Висотою припливу називають перевищення припливного рівня в даний момент часу над нулем глибин (НГ). Під останнім розуміють умовну горизонтальну поверхню, розташовану нижче найнижчого припливного рівня.

Проміжки часу між моментами повної і наступної малої вод та, на­впаки, між моментами малої і наступної повної вод називаються від­повідно тривалістю падіння і тривалістю зростання рівня. Промі­жок часу між сусідніми повними чи малими водами називається періодом припливу. Залежно від періоду розрізняють припливи: півдо­бові, добові та змішані.

Припливно-відпливні коливання рівня зумовлені спільним впливом притягання Місяця і Сонця. Місячна припливотворна сила визначає основні риси припливних явищ на Землі. Вершина припливної хвилі слідує за Місяцем, який здійснює добовий рух навколо Землі. Повна вода наступає після проходження Місяця через меридіан даного міс­ця (цей момент називається кульмінацією Місяця).

Як відомо, Земля і Місяць утворюють систему небесних тіл, що обе­ртаються навколо спільного центру мас. Вони виконують повний оберт навколо цього центру за 27,3 доби (місячний місяць). Окрім цьо­го, Земля щодоби здійснює повний оберт навколо своєї осі. Унаслідок взаємного притягання і відцентрових сил у системі Земля - Місяць на кожну частинку води Світового океану діють сили притягання Землі і Місяця і відцентрові сили добового обертання Землі і спільного обер­тання системи Земля - Місяць.

Сили притягання й обертання Землі в кожній точці океану постійні в часі, їх рівнодійна є силою тяжіння. Тому вони не утворюють припливів. Сила притягання Місяця і відцентрова від спільного обертання сис­теми Земля - Місяць змінюються в даній точці Землі залежно від місце­знаходження Місяця. Рівнодійна цих сил і є припливотворною силою.

Класифікація припливів здійснюється за їх основними ознаками: кількістю повних і малих вод у місячну добу, характером нерівності, симетрією в наростанні та спаданні рівня. Ці ознаки можуть бути ін­тегрально охарактеризовані співвідношенням амплітуд основних півдобових і добових складових припливу, які визначаються за допомо­гою гармонічного аналізу.

Максимальна величина припливів у відкритому океані становить близь­ко 80 см. З наближенням до берегів зменшуються глибини й ускладнюється ре­льєф дна. Це може вносити великі зміни в той характер припливів, який мав місце у відкритому океані. Поблизу висунутих у море мисів і нерозчленованих берегів величина припливу не перевищує 3 м. 5-6-метрові припливи зустрічаються лише в протоках, вершинах заток і гирлах рі­чок.

Припливи супроводжуються припливними течіями, швидкості яких досягають 15-20 км/год. Це зумовлює знесення судна, відхи­лення від курсу, втрату швидкості. Для найбільш важливих районів Світового океану складаються таблиці припливних течій, в яких ука­зано час зміни напрямку течії, а також величину і час максимальних швидкостей течії.

Важливе значення мають припливні явища в річках. У такі порти, як Лондон, Ліверпуль, Роттердам, Гавр, Гамбург, судна з великою осадкою можуть заходити лише в період припливу. У гирлах річок доводиться рахуватися з можливістю появи бора - крутої припливної хвилі заввишки 2-3 м, яка рухається вверх по річці зі швидкістю 10-25 км/год. Малі судна, зненацька застигнуті бором, можуть зазнати аварії, а великі - тимчасово втратити управління.

Досить потужні припливні електростанції споруджено в Росії, Франції, Англії, США, але їх частка в загальному виробітку електрое­нергії вказаних країн порівняно незначна.