Хвилювання моря є коливанням водної поверхні вгору і вниз від середнього рівня. Однак у горизонтальному напрямку при хвилюванні не рухаються. У цьому можна переконатися, спостерігаючи за поведінкою поплавця, що гойдається на хвилях.

Хвилі характеризуються такими елементами: найнижча частина хвилі називається підошвою, а найвища – гребенем. Крутизною схилів називається кут між її схилом і горизонтальною площиною. Відстань по вертикалі між підошвою та гребенем є висота хвилі. Вона може сягати 14-25 метрів. Відстань між двома підошвами чи двома гребенями називається довжиною хвилі. Найбільша довжина близько 250 м, дуже рідко трапляються хвилі до 500 м. Швидкість просування хвиль характеризується їх швидкістю, тобто. відстанню, що пробігається гребенем зазвичай за секунду.

Головною причиною хвилеутворення є. При малих його швидкостях виникає бриж - система дрібних рівномірних хвиль. Вони з'являються з кожним поривом вітру та миттєво згасають. При дуже сильному вітрі, що переходить у шторм, хвилі можуть деформуватися, при цьому підвітряний схил виявляється крутішим за навітряний, а при дуже сильних вітрах гребені хвилі зриваються і утворюють білу піну - «баранчики». Коли шторм закінчується, морем ще довго ходять високі хвиліале вже без гострих гребенів. Довгі та пологі хвилі після припинення вітру називаються брижами. Великий зиб з малою крутістю і довжиною хвилі до 300-400 метрів за повної відсутності вітру називають вітровим брилом.

Перетворення хвиль відбувається також при наближенні до берега. При підході до пологого берега нижня частина хвилі, що набігає, гальмується об грунт; довжина зменшується, а висота збільшується. Верхня частина хвилі рухається швидше за нижню. Хвиля перекидається, і гребінь її, падаючи, розсипається на дрібні, насичені повітрям пінисті бризки. Хвилі, руйнуючись біля берега, утворюють прибій. Він завжди паралельний березі. Вода, виплеснута хвилею на берег, пляжем повільно стікає назад.

Коли хвиля підходить до стрімкого берега, вона з усією силою вдаряється об скелі. В цьому випадку хвиля кидається вгору у вигляді гарного, пінистого валу, що досягає висоти 30-60 метрів. Залежно від форми скель та напрямки хвиль вал розбивається на частини. Сила удару хвиль сягає 30 тонн на 1 м2. Але необхідно відзначити, що головну роль відіграють не механічні удари мас води об скелі, а повітряні бульбашки, що утворюються, і перепади гідравлічного, які в основному і руйнують, складові скелі (див. Абразія).

Хвилі активно руйнують прибережну сушу, обгортають і стирають уламковий матеріал, а потім розподіляють його по підводному схилу. Біля глибин берегів сила удару хвиль дуже велика. Іноді на деякій відстані від берега знаходиться мілину у вигляді підводної коси. У цьому випадку перекидання хвиль відбувається на мілини, і утворюється бурун.

Форма хвилі постійно змінюється, справляючи враження біжить. Це відбувається внаслідок того, що кожна водна частка рівномірним рухом описує кола близько рівня рівноваги. Усі ці частинки рухаються в один бік. Кожного моменту частки перебувають у різних точках кола; це і є система хвиль.

Найбільші вітрові хвилі спостерігалися в Південній півкулі, де океан найбільший і де західні вітри найбільш постійні і сильні. Тут хвилі досягають 25 метрів заввишки і 400 метрів завдовжки. Швидкість пересування близько 20 м/с. У морях хвилі менші - навіть у великому вони досягають лише 5 м.

Для оцінки ступеня хвилювання моря застосовується 9-бальна шкала. Її можна використовувати щодо будь-якої водойми.

9-бальна шкала оцінки ступеня хвилювання моря

Бали	Ознаки ступеня хвилювання
0	Гладка поверхня
1	Горобина і невеликі хвилі
2	Невеликі гребені хвиль починають перекидатися, але білої піни ще немає
3	Місцями на гребенях хвиль з'являються «баранчики»
4	«Баранці» утворюються всюди
5	З'являються гребені великої висоти, і вітер починає зривати з них білу піну
6	Гребені утворюють вали штормових хвиль. Піна починає витягуватися повністю
7	Довгі смуги піни покривають схили хвиль і місцями досягають їх підошви.
8	Піна суцільно покриває схили хвиль, поверхня стає білою.
9	Вся поверхня хвилі покрита шаром піни, повітря наповнене водяним пилом та бризками, видимість зменшується

Для захисту від хвиль портових споруд, причалів, берегових ділянок моря з каменю та бетонних брил будують хвилеломи, що гасять енергію хвиль.

Найбільше і мальовниче курортне селище Великого Сочі - Лазаревське - це російські субтропіки. Тут на вулицях ростуть пальми, найтепліше море Чорноморського узбережжя, лагідне сонце світить 224 дні на рік і практично не буває зим (сніг лежить не більше 3-5 днів). Погода в Лазаревському завжди тепла та привітна.Лазаревське з одного боку межує з морем, а з іншого оточений найкрасивішими Кавказькими горамиякі надійно захищають курортне селище від сильних вітрів. Середньодобова річна температура повітряу цьому районі – +14 градусів С. У літній період температура повітря становить від +23 до +30 градусів С. Курортний сезон офіційно відкривається у травні. У цей час температура повітря прогрівається до +20 - +23 С, а вода в морі до 15-18 градусів. Найтепліше море в серпні - +25 С. У літній період Середня температураводи в морі на всьому узбережжі Лазаревського +23 С. У зимовий період вода в морі +8 - +9 градусів С. Погода у Лазаревському радує навіть у жовтні – листопаді.Коли в цей період у Росії йде холодний дощ та сніг, у Лазаревському ще можна купатися та засмагати. Тому курортний сезонможе затриматись навіть до середини листопада. Взимку середня температура повітря +9 – +11 градусів С. Не рідко, у курортному селищі погода в зимовий період стає настільки теплою (+18 – +22 С), що можна сміливо йти загоряти до моря. Такі характерні для цієї території зимові потепління можуть тривати два-три тижні. Клімат, погода, природа та привітна атмосфера курортного селища Лазаревське сприяють відпочинку та лікуванню протягом усього року. Тому більшість санаторіїв та готелів у Лазаревському працюють цілий рік. На нашому сайті представлені точні дані прогнозу погоди у Лазаревському, які оновлюються кожні 6 годин. А представлена карта Хвиль Лазаревськогодозволить знати висоту та напрямок переважних хвиль Чорного моря на цьому узбережжі. Стрілками зазначено напрямок поширення хвиль. Карта хвиль Чорного моря показує висоту переважних хвиль в даний моментза метри. Під картою вказано шкалу за метри. Виводиться прогноз висоти та напрямки хвиль Чорного моря на узбережжі Лазаревського на кожні 12 годин по ВСВ (всесвітньо скоординований час) сьогодення.

Морські вітрові хвилі

Вивчення закономірностей вітрового хвилювання цікаво не лише з позицій фундаментальної науки, але й з позицій практичних запитів, таких, як мореплавання, будівництво гідроспоруд, портових комплексів, розрахунок технічного оснащення нафто- і газопромислів на шельфі. Близько 80% розвіданих запасів нафти і газу зосереджено дні океанів і морів, і спорудження морських платформ і морське буріння вимагають надійних даних про режимі вітрового хвилювання. Знання граничних розмірів хвиль у різних акваторіях Світового океану необхідне для забезпечення безпеки судноплавства в цих місцях.

Вітрові хвилі - явище, яке проявляється на поверхні будь-якої водойми. Масштаб цього явища для різних водойм буде різним. Леонардо да Вінчі у свій час писав: «... хвиля біжить від місця свого виникнення, а вода не рухається з місця. На кшталт хвиль, що утворюються в травні на нивах течією вітрів, хвилі здаються біжать полем, тим часом ниви зі свого місця не сходять». Ця особливість вітрових хвиль

194_______________________ Г л 10 Хвилі в океані_________________________

має колосальне практичне значення: якби разом із формою, тобто хвилею, переміщалася ще й маса, тобто вода, то жоден корабель не міг би рухатися проти хвилювання. Вітрове хвилюваннязазвичай поділяють на три типи:

Вітрові хвилі, що знаходяться під безпосереднім
дією вітру;

Хвилі зиби, які спостерігаються після припинення вет
ра або після виходу хвиль із зони дії вітру;

Змішане хвилювання, коли вітрові хвилі накладаються на хвилі хиби

Оскільки вітри над океанами і морями, особливо в помірних широтах, мінливі за швидкістю та напрямом, вітрове хвилювання просторово неоднорідне та суттєво мінливе у часі. При цьому хвильові поля ще неоднорідніші, ніж вітрові, так як хвилі можуть прийти в той чи інший район одночасно з різних (різно розташованих) зон зародження.

Якщо уважно дивитися на морську схвильовану поверхню, можна дійти невтішного висновку, що хвилі змінюють одне одного без будь-якої видимої закономірності - за великою хвилею може прийти ще більша, а може й зовсім маленька хвиля; іноді приходять кілька великих хвиль поспіль, а часом між хвилями розташована ділянка майже спокійної поверхні. Велика мінливість зміни схвильованої поверхні моря, особливо у разі змішаного хвилювання (а це найбільш поширена ситуація) дала привід відомому англійському фізику лорду Томсону заявити, що «... основний закон вітрового хвилювання - це відсутність будь-якого закону». І, дійсно, до теперішнього часу ми не можемо з усією визначеністю передбачити послідовність чергування індивідуальних хвиль навіть за якоюсь однією з характеристик, наприклад, за висотою, не кажучи вже про інші характеристики, такі як форма гребенів і улоговин та ін.

При додаванні двох гармонійних коливань, частоти яких досить близькі, виникає негармонійне коливання, зване биттям, яке характеризується періодичною зміною інтенсивності з частотою, що дорівнює різниці взаємодіючих коливань (рис. 10 2). Щось аналогічне спостерігається і у вітрових хвилях. Оскільки хвилі приходять в будь-яку область з різних зонта частоти їх можуть бути

Гол. 10. Хвилі в океані 197

Популярність має південно-східний район узбережжя Африки - тут сильні вітри, що розганяють великі хвилі, зиб, що приходить з півдня, і Північна течія - все це створює надзвичайно важкі умови для плавання. Бартоломео Діаш, про експедицію якого вже згадувалося, у цьому районі океану два тижні протистояв сильному хвилюванню і щоб пройти це місце, за легендою, продав душу дияволу. На той раз це допомогло.Діаш пройшов це місце, назвав його мисом Бур, але за два роки загинув там же. Португальський король Жоан II перейменував мис Бур у мис Доброї Надії, тому що за ним відкривалася надія дійти до Індії морським шляхом. Саме з цим мисом пов'язане виникнення легенди про «Летючого голландця». Саме тут спостерігаються одиночні хвилі-вбивці, що утворюються в результаті взаємодії хвиль та течій. Ці хвилі являють собою круте спучування води, мають дуже крутий передній схил і досить пологу улоговину. Висота їх може перевищувати 15-20 м, причому вони виникають часто при відносно спокійному морі. Хвилі цього району становлять серйозну небезпеку і для сучасних судів. Велику небезпеку становлять хвилі в тропічних ураганах і тайфунах.

Наука про хвилі виникла і розвивалася як один із розділів класичної гідродинаміки та до 50-х років XX ст. практично не починала опис такого складного хвилювання, яким є вітрові хвилі на поверхні водойм. Ступінь хвилювання оцінювалась головним чином за шкалою Бофорта на вічко (табл. 10.3).

На початку XX ст. з переходом від вітрильного флоту до парового кількість аварій та загибелі кораблів дещо зменшилася (було 250-300 суден на рік, стало ~150), і з'явилася недооцінка природних сил щодо безпеки мореплавання. Серед суднобудівників на початку XX ст. існувала думка, що «сили стихії здаються перед новими міцними кораблями». Ця думка коштувала життя багатьом морякам. Морські хвилі - досить грізне явище природи, а природа не терпить зневажливого ставлення себе і найчастіше мстить людям, ініціюючи цим прагнення людей краще і глибше зрозуміти її закони.

У табл. 10.4 наведено кількість суден, що загинули через шторми та інші несприятливі гідрометеорологічні умови, головним чином, пов'язані з сильним хвилюванням, за період з 1975 по 1979 р. Ця вибірка відноситься лише до торгових суден щодо великого розміру (понад 500 регістрових тонн). Кількість аварій на дрібніших судах за цей же період визначається чотиризначним числом. Стало ясно, що

Гол. 10. Хвилі в океані 199

Для вимірювання хвиль зазвичай використовуються акселерометричні буйкові хвилеграфи, засновані на принципі акустичного ехолота, і хвилеграфи гідростатичного типу. Волнографи зазвичай вимірюють середню та максимальну висоту хвиль, середній період та довжину хвилі, частотний спектр хвилювання.

В акселерометричному хвилеграфі елементи хвилювання визначаються шляхом подвійного інтегрування сигналу, що отримується від акселерометричного датчика. Найбільш поширені закордонні хвилеграфи влаштовані саме за таким принципом. Принцип дії гідростатичних хвилеграфів ґрунтується на зв'язку гідростатичних коливань на певній глибині з характеристиками коливань хвильової поверхні.

Ехолокація використовується при зондуванні миттєвих значень висоти підвищення водної поверхні з вільноплаваючого або заякореного буя (прямий ехолот). Волнографи, принцип дії яких ґрунтується на зворотній ехолокації, здійснюють зондування межі розділу вода-повітря з-під води.

Радіолокатори із синтезованою апертурою, альтиметри, встановлені на супутниках, дозволяють вимірювати основні характеристики вітрових хвиль. Дистанційні методи дають змогу отримувати характеристики вітрових хвиль на значних територіях. На основі таких вимірів створюються сучасні атласи вітрового хвилювання. Уявлення про хвильові дані можна отримати на сервері http://www.waveclimate.com.

Як показала історія розвитку наших фундаментальних знань про хвилювання, необхідний тісний зв'язок теоретичних, експериментальних та натурних досліджень.

Вітер є найсуттєвішим параметром, від якого залежать геометричні характеристики хвилювання. Однак при стійкому і тривалому вітрі середні характеристики хвиль збільшуються шляхом їх поширення, поки вони знаходяться під дією вітру. Цей шлях називається довжиною розгону вітру, або просто розгоном. Проблеми спостережень морських хвиль та його реєстрації у природних умовах змусили вчених звернутися до лабораторного моделювання вітрового хвилювання. На зорі вивчення морського хвилювання лабораторне моделювання було майже єдиним джерелом кількісних характеристик хвиль. Однак це джерело виявилося дуже обмеженим – і ось чому. Основна складність при лабораторному моделюванні хвилювання – забезпечити досить великий розгін хвиль, тобто потрібно мати довгі лотки. Середні параметри хвиль зазвичай змінюються в часі та в

208_______________________ Гол. 10. Хвилі в океані_________________________

при цьому кожна спектральна складова досягає максимуму, потім зменшується до мінімуму, і нарешті виходить на рівноважне значення. Цей ефект називається ефектом перевищення. Він був виявлений за вимірами у натурних та лабораторних умовах. Передня ділянка спектру формується внаслідок експоненційного розвитку його складових та механізму нелінійного перерозподілу енергії між спектральними складовими. Рівняння балансу вітрової енергії докладно розглянуто у монографіях.

Найбільш відомим та вивченим видом довгих хвиль є припливи. Припливи викликаються гравітаційними силами Місяця і Сонця. В океанах і морях припливи проявляються у вигляді періодичних коливань рівня водної поверхні та течій. Припливні рухи існують і в атмосфері, а припливні деформації - у твердій Землі, проте тут вони виявляються менш вираженими, ніж в океані.

У прибережних зонах величина коливань рівня досягає 5-10 м. Максимальні значення коливань рівня досягаються в затоці Фанді (Канада) – 18 м. Біля берегів Росії найвищий приплив спостерігається у Пенжинській губі – 12,9 м. приливних течійу прибережній зоні сягає 15 км/год. У відкритому океаніколивання рівня та швидкості течій набагато менше.

Приливоутворююча сила Місяця приблизно вдвічі більша за припливоутворюючу силу Сонця. Вертикальні складові припливоутворюючої сили набагато менше сили тяжіння, тому їхній ефект мізерний. Але горизонтальна складова припливоутворюючої сили викликає значні переміщення частинок води, які і виявляються у формі припливів.

Спільна дія Місяця та Сонця призводить до формування складних форм коливань рівня. Вирізняють такі основні види припливів: напівдобовий, добовий, змішаний, аномальний. У напівдобовому припливі період коливань водної поверхні дорівнює половині місячної доби. Амплітуда напівдобового припливу змінюється у відповідність до фаз Місяця. Напівдобовий приплив найбільш поширений у Світовому океані. Період коливань рівня в добовому припливі дорівнює місячній добі. Амплітуда добового припливу залежить від відмінювання Місяця. Змішані припливи поділяються на неправильні напівдобові та неправильні добові. Аномальні припливи

Гол. 10. Хвилі в океані 209

Мають кілька різновидів, але вони досить рідкісні у Світовому океані.

Для морської практики велике значення має прогноз (або передрахування) припливних рівнів. Передрахування припливів засноване на гармонійному аналізі даних спостережень за коливаннями рівня. Виділивши за даними спостережень основні гармонійні складові, розраховують рівень у майбутньому. Найбільш повне гармонійне розкладання припливно-утворювального потенціалу, виконане А. Дудсоном, містить понад 750 складових. Методи передрахування припливів докладно розглянуті в .

Перша теорія припливів була розроблена І. Ньютоном і називається статичною. У статичній теорії океан вважається таким, що покриває всю Землю, яка розглядається як недеформована, вода вважається нев'язкою і безінерційною. При океані, що покриває всю Землю, статичний приплив з точністю до постійного розмножувача описується приливним потенціалом. Водна поверхня океану описується так званим «приливним еліпсоїдом», велика вісь якого спрямована на світило, що обурює (Місяць, Сонце) і слідує за ним. Земля обертається навколо своєї осі і всередині цього «приливного еліпсоїда». Статична теорія, попри слабкість основних припущень, правильно описує основні властивості припливів.

Більш досконала динамічна теорія припливів, у якій розглядається рух хвиль у океані, було побудовано Лапласом. У динамічній теорії рівняння руху та рівняння нерозривності записуються у формі приливних рівнянь Лапласа. Припливні рівняння Лапласа є рівняннями у приватних похідних, записаними у сферичній системі координат, тому їх аналітичне рішення може бути отримане лише для ідеальних випадків, наприклад, вузький глибокий канал, що оперізує всю Землю (так звана каналова теорія припливів). Для невеликих акваторій приливні рівняння Лапласа можуть бути записані в декартовій системі координат. Результати розрахунків припливів у Світовому океані представляються у формі спеціальних карт, на яких наноситься положення гребеня приливної хвилі у різні моменти часу (зазвичай місячного). Сучасні картиприпливів будують на основі чисельних методів з урахуванням даних спостережень.

210 Гол. 10 Хвилі в океані

Теорія довгих хвиль виходить із припущення, що глибина рідини Нмала порівняно з довжиною хвилі А, тобто. А^> н.В рамках теорії довгих хвиль описуються приливні явища, хвилі цунамі, а також вітрові хвилі та брили, що поширюються на мілководді. До довгих хвиль належать також хвилі паводку та бір, що спостерігаються на водосховищах та річках.

плітка довгих хвиль анабагато менше їх довжини А го можна проводити опис, використовуючи лінійну теорію. Якщо ж ці умови не виконуються, то необхідно враховувати нелінійні ефекти.

Цунамі в дослівному перекладі з японської - велика хвиляу гавані». Під цунамі прийнято розуміти гравітаційні хвилі, що виникають у морі внаслідок великомасштабних, нетривалих обурень (підводні землетруси, виверження підводних вулканів, підводні зсуви, падіння у воду метеоритів, уламків скель, вибухи у воді, різка зміна метеорологічних умов).

Характерна часова тривалість хвилі цунамі становить 10-100 хв; довжина – 10-1000 км; швидкість поширення L™Am,m ..^^ч^ тт^г,л,„„ ть на основі довгохвильового наближе-

прискорення сили тяжіння, Я - глибина а висота при накаті на берег може досягати десятків метрів. Ці хвилі дуже довгі, у першому наближенні до них застосовується теорія «дрібної води».

За кількістю загиблих на рік у результаті стихійного лиха на Землі цунамі займає 5-те місце після повеней, тайфунів, землетрусів, посухи. Розподіл цунамі по регіонах характеризується сильною неоднорідністю, переважна більшість цунамі відбувається у морях моря.

Розподіл цунамі в океанах та морях характеризується таким чином:

Тихий океан (його периферія) 75%

iАтлантичний океан 9%

Індійський океан 3%

Середземне море 12%

решта моря 1%

Для того щоб отримати уявлення про цунамі, наведемо характеристики найбільших цунамі за сторічний інтервал (1880-1980) в табл. 10 6.

Для класифікації цунамі академік С.Л.Соловйов запропонував напівкількісну шкалу (з урахуванням аналізу історичних цунамі), основу якої лежить висота підйому рівня.

Катастрофічні цунамі(інтенсивність 4). Середній підйом рівня на ділянці берега завдовжки 400 км (і більше) досягає 8 м. Хвилі подекуди мають висоту 20-30 м. Відбувається руйнація всіх споруд на березі. Такі цунамі відбуваються по всьому узбережжю моря.

Дуже сильні цунамі(інтенсивність 3). На березі довжиною 200-400 км вода піднімається на 4-8 м, місцями до 11 м. Такі цунамі спостерігаються на більшій частині Світового океану.

Сильні цунамі(інтенсивність 2). На березі завдовжки 80-200 км. середній підйом рівня води становить 2-4 м, місцями 3-6 м.

Помірні цунамі(Інтенсивність 1). На ділянці 70–80 км вода піднімається на 1–2 м.

Слабкі цунамі(інтенсивність 0). Підйом рівня менше 1 м.

212 Гол. 10 Хвилі в океані

Інші цунамі мають інтенсивність від -1 до -5.

Що сильніше цунамі, то рідше вони відбуваються. Цунами інтенсивністю 4 відбуваються 1 раз на 10 років, причому в Тихому океані; інтенсивністю 3 – один раз на 3 роки; інтенсивністю 2 - 1 раз на 2 роки; інтенсивністю 1 – 1 раз на рік; інтенсивністю 0 – 4 рази на рік.

Основні причини цунамі: землетруси, вибухи вулканічних островів та виверження підводних вулканів, обвали та зсуви. Розглянемо коротко зазначені причини окремо.

Близько 85% цунамі викликається підводними землетрусами. Це зумовлено сейсмічності багатьох океанічних районів. У середньому щорічно відбувається 100 000 землетрусів, їх 100 мають катастрофічний характер. У середньому 1 раз на 10 років землетрус спричиняє в Тихому океані цунамі висотою (середньою) до 8 м (в окремих пунктах до 20-30 м) (інтенсивність 4). Цунамі заввишки 4-8 м (сейсмічного походження) виникає раз на 3 роки, заввишки 2-4 м - щорічно.

на Далекому Сході(РФ) за 10 років відбувається 3-4 цунамі заввишки більше 2 м. Найтрагічніше цунамі в Росії сталося 4 листопада 1952 в Північно-Курильську. Місто було практично повністю зруйноване. Вночі почався землетрус приблизно через 40 хвилин після його закінчення на місто обрушився водяний вал, який відступив через кілька хвилин. Морське дно оголилося на кілька сотень метрів, але приблизно через 20 хвилин на місто обрушилася хвиля висотою понад 10 м, яка знищила практично все на своєму шляху. Після відбиття від сопок, що оточують місто, хвиля скотилася в низину, де раніше був центр міста, і довершила руйнування. Цунами застали мешканців міста зненацька.

На Землі виділяються дві зони вогнищ землетрусів. Одна розташована у меридіональному напрямку і проходить вздовж східного та західного берегів Тихого океану. Ця зона дає основну масу цунамі (до 80%). Друга зона вогнищ землетрусів займає широтне становище – Апенніни, Альпи, Карпати, Кавказ, Тянь-Шань. У межах цієї зони цунамі відбуваються на берегах Середземного, Адріатичного, Аравійського, Чорного морів, у північній частині Індійського океану. У межах цієї зони відбувається менше 20% усіх цунамі.

Механізм генерації цунамі при землетрусах наступний. Основна причина – швидка зміна рельєфу морського дна

Гол. 10 Хвилі в океані 213

(Рух), що викликає відхилення поверхні океану від рівноважного положення. З огляду на малу стисливість води відбувається швидке опускання або підйом значної маси води в області переміщення. Обурення, що утворилися, поширюються у вигляді довгих гравітаційних хвиль.

Для кількісного опису землетрусів використовуються інтенсивність та магнітуда. Інтенсивність оцінюється в балах (12-бальна шкала MSK-64). (У Японії діє 7-бальна шкала). Бал - одиниця виміру струсу ґрунту, ґрунту. Головна характеристика, що визначає бальність, – реакція ґрунтів на сейсмічні хвилі. Енергія землетрусу визначається магнітудою М.

Найважливіше завдання у прогнозі цунамі сейсмічного походження – встановлення ознак цунамігенності землетрусів. Зараз вважають, що якщо магнітуда землетрусу перевищує деяке граничне значення М п, вогнище розташоване під дном моря, то землетрус буде цунамінним.

Для Японії запропоновано емпіричні формули, що пов'язують магнітуду цунамінних землетрусів та глибину вогнища. Н(В кілометрах):

В енергію цунамі перетворюється трохи більше 0,1 енергії, що виділилася під час землетрусу.

В результаті аналізу натурних даних встановлені такі властивості вогнища цунамінних землетрусів. Енергія поширюється, переважно, по нормалі до головної осі вогнища. Ступінь спрямованості залежить від витягнутості вогнища. Вогнища великих цунамі, як правило, сильно витягнуті. Їхні осі орієнтовані паралельно найближчому березі, западині або острівній дузі, тому основне джерело енергії спрямоване у бік моря. Відношення амплітуди хвилі вздовж розлому та амплітуди хвилі в напрямку, перпендикулярному до розлому, приблизно дорівнює 1/10-1/15. Окремі виміри підтверджують це, наприклад, цунамі, спричинене Аляскінським землетрусом 1964 р., хвилі якого були зареєстровані на кількох сейсмічних станціях Тихого океану. Це дозволило побудувати докладну діаграму спрямованості цунамі.

Підводні землетруси викликають не тільки хвилі цунамі, вони здатні викликати сильні обурення водного шару в епіцентральній ділянці, що може виявлятися у вигляді різкого збільшення вертикального обміну в океані. Вертикальний

214 Гол 10 Хвилі в океані

Обмін призводить до трансформації полів температури, солоності та кольоровості океану. Вихід глибинних вод на поверхню спричинить утворення великої аномалії температури поверхні океану. Винесення біогенів у звичайно збіднений цими речовинами поверхневий шар призводить до збільшення концентрації фітопланктону. Так як фітопланктон є первинною ланкою в трофічному ланцюзі і визначає біопродуктивність вод, можливі явища типу міграції риби, морських тварин і т.п. амплітудою до 10 м. Серед моряків це явище відоме як моретрус. В результаті аналізу супутникових даних температури поверхні океану та сейсмічних даних було виявлено зниження температури поверхні океану та збільшення концентрації хлорофілу «а», які відбулися за серією сильних підводних землетрусів в районі острова Сулавесі (Індонезія, 2000). Серія лабораторних експериментів дозволила встановити, що коливання дна басейну можуть призводити до генерації вертикальних потоків, здатних зруйнувати стійку стратифікацію і привести до виходу холодних і насичених біогенами глибинних вод на поверхню, що призведе до утворення аномалії температури поверхні океану і концентрації хлорофілу.

На землі близько 520 діючих вулканів, дві третини яких знаходиться на берегах та островах Тихого океану. Їхні виверження часто призводять до виникнення цунамі. Наведемо деякі приклади.

Під час вибуху вулкана Кракатау 26 серпня 1883 р. в Індонезії висота хвилі цунамі досягла 45 м, загинуло 36000 людей. Хвилі цунамі обіжали весь світ. Енергія цієї катастрофи еквівалентна енергії вибуху 250-500 тис. атомних бомбтипу хіросимської.

Вибух вулканічного острова Тир в Егейському морі 35 століть тому (вулкан і острів називали раніше Санторін) став причиною загибелі Мінойської цивілізації. Ця подія, ймовірно, стала прообразом Атлантиди. Співробітники Союзморнії-проекту С.Стрекалов та Б.Дугінов так описують загибель Мінойської цивілізації.

«Велика Мінойська цивілізація відрізнялася неперевершеними витворами мистецтва та художнього ремесла, величними палацами. У XV в. до зв. е.. на Кріт обрушилася катастрофа. Майже всі палаци були зруйновані,

Г л 10. Хвилі в океані 215

Поселення покинули їхні жителі. Існують дві гіпотези загибелі. За однією її зруйнували варвари - греки-ахейці, за іншою, причиною став природний катаклізм. Приблизно 3,5 тис років тому в Егейському морі стався вибух вулканічного острова Санторін. Внаслідок катастрофи утворилися гігантські хвилі, які обрушилися на острів Кріт і поширилися до Єгипту, затопивши дельту Нілу. Чи це так було? Чи могла вона стати справжньою причиною загибелі цивілізації? Ці питання визначили постановку нижченаведеного гідродинамічного завдання: «Катастрофічне цунамі на узбережжі Криту та в Єгипті XV-XIV ст. до н.е."

У прибережній зоні Криту під водою на глибинах від 8 до 30 м виявлено керамічні вироби, а на глибинах 30-35 м - будівельні блоки, що належать до античного часу. Виходячи з того, що відливна хвиля дорівнює приливній, перша також мала висоту 30-35 м. У пошуку аналогів подібної хвилі в приблизно відповідному підводному та надводному рельєфі місцевості ми звернулися до найпотужнішої природної катастрофи останніх століть - вибуху вулкана Кракатау (у наприкінці XIXв.). Там хвиля цунамі, за даними, досягла в осередку висоти 40 м. Виходячи з аналога, ми припустили, що в районі острова Санторін на глибині близько 300 м стався землетрус силою 8,5 бала. Далі напрям осі вогнища ми прийняли збігаються з напрямком ізобат в районі острова Санторін і паралельним поздовжньому острова Крит. Потім, в результаті розрахунків, виконаних за оригінальною методикою, розробленою в Союзморніїпроекті, встановили, що відповідно до вихідних даних, повинна була виникнути одиночна хвиля цунамі типу солітону заввишки 44 м і завдовжки близько 100 км; при цьому довжина поздовжньої осі осередку дорівнює 220 км, яке ширина - 50 км. Поширення подібної хвилі дає можливість припустити наступне.

На південь вогнища хвиля зменшується, і біля північного узбережжя Криту її висота становить 31 м. З проходженням в затоки острова висота хвилі зростає до 50 м, а після її відображення від стрімких берегів і материкового схилу окремі заплески можуть досягати висоти 60-100 м. Середземне море хвиля проходить через протоки, слабшаючи за рахунок екранування островами. Після виходу з протоки Касос біля південного узбережжя Крита висота хвилі становить 9,3 м. Після перетину Середземного моря та взаємодії хвилі з материковим схилом і шельфом в районі дельти Нілу її висота дорівнює 4 м. По дельті Нілу, що має малий ухил поверхні

216 Гол 10. Хвилі в океані.

(порядку 5,5 10~ 5), хвиля поширюється на відстань 73 км до гирлової частини на корінному березі, тобто практично вся мориста частина дельти піддається затопленню. У дельті Нілу протягом історичного періоду часу на кілька тисяч років швидкість відкладення алювію була практично постійною і дорівнює 0,9-1,3 мм на рік. Виняток становить друге тисячоліття до н.е., коли помітних відкладень алювію з не цілком зрозумілих причин виявити не вдалося. Можна припустити, що хвиля цунамі, що затопила в цей час дельту, змила і забрала в море весь поверхневий алювіальний шар.

Катастрофа, що сталася на острові Санторін, поряд з екологічними, мала, ймовірно, серйозні соціальні наслідки. Величезні хвилі, висотою 30-50 м були цілком в змозі знищити Мінойську цивілізацію, що існувала на Криті. Затоплення дельти Нілу в період кінця XVIII-початку XIX династії фараонів мало насамперед наслідком різке погіршення екологічної обстановки, пов'язане зі зникненням родючого шару ґрунту, засолення та утворенням боліт. Соціальні наслідки через кризу землеробства в дельті, зрештою, могли сприяти початку занепаду Єгипетського царства.

Нещодавно (8.01.1933) вулканічний вибух на острові Харимкатан призвів до утворення цунамі, при цьому хвилі досягали 9 м (Курильська гряда).

Найбільш вражаючий приклад утворення хвилі цунамі при обвалі мав місце 10 липня 1958 р. Схід лавини з породою об'ємом 300 млн м 3 зі схилів гори Фейруезер (Аляска) в бухту Литуя створив цунамі висотою 60 м з максимальним заплеском води 524 м щодо незбуреного рівня при накаті хвилі на берег).

Цунами заввишки до 15 м виникли від падіння з висоти 200 м уламки скелі (острів Мадейра, 1930). У Норвегії 1934 р. цунамі висотою 37 м виникли від падіння скелі масою 3 млн т з висоти 500 м.

Зсуви на схилі океанічної западини (Пуерто-Ріко) у грудні 1951 р. викликали хвилю цунамі. Зсуви, мутні потоки часто спостерігаються на материковому схилі океану, при цьому роль індикаторів утворення і проходження зсувів або мутних потоків грають розриви кабелів, трубопроводів.

6 жовтня 1979 р. цунамі заввишки 3 м обрушилися на Лазурний Берег у районі Ніцци. Ретельний сейсмічний аналіз

Гол. 10. Хвилі в океані 217

Обстановки, метеоумов дозволив зробити висновок, що причиною цунамі стали підводні зсуви. Інженерні роботи на шельфі можуть спровокувати утворення зсувів і, як наслідок, виникнення цунамі.

Вибухи у воді атомних та водневих бомб здатні викликати хвилю типу цунамі. Наприклад, на атоле Бікіні вибух "Бей-кер" створив хвилі заввишки близько 28 м на відстані 300 м від епіцентру. Військовими розглядалося питання про штучне створення цунамі. Але оскільки при утворенні цунамі на хвильову енергію перетворюється лише невелика частина енергії вибуху, і спрямованість хвилі цунамі низька, енергетичні витрати на створення штучного цунамі (потужного хвильового накату у певній частині узбережжя) дуже великі.

У розвитку цунамі зазвичай виділяють 3 стадії: 1) формування хвиль та їх поширення поблизу вогнища; 2) поширення хвиль у відкритому океані великої глибини; 3) трансформація, відображення та руйнування хвиль на шельфі, набігання їх на берег, резонансні явища в бухтах та на шельфі. Дослідженість цих стадій істотно різна.

Для вирішення гідродинамічної задачі розрахунку хвиль необхідно задати початкові умови - поля зміщень та швидкостей у вогнищі. Ці дані можна отримати прямим виміром цунамі в океані або опосередковано, шляхом аналізу характеристик процесів, що породжують цунамі. Перші реєстрації цунамі у відкритому океані проведені С.Л.Соловйовим та ін. 1980 р. біля Південно-Курильських островів. Існує важлива можливість визначення параметрів в осередку з урахуванням рішення зворотної завдання - з урахуванням нечисленних проявів цунамі березі визначити його параметри в осередку. Однак натурних даних для коректного вирішення такої зворотної задачі, як правило, дуже мало.

Для передбачення прояву цунамі у прибережній зоні та вирішення інших інженерних завдань потрібно знати зміну висоти, періоду, напряму фронту хвилі внаслідок рефракції. Цій меті служать рефракційні діаграми, на яких вказують положення гребенів хвиль (фронтів) на різних відстанях в той самий момент часу, або положення гребеня однієї і тієї ж хвилі в різні моменти часу. Промені (ортогональні положення фронтів) проводяться на цій же карті. Вважаючи, що потік енергії між двома ортогоналями зберігається, можна оцінити зміну висоти хвилі. Перетин променів призводить до необмеженого зростання висоти хвилі. Потужність, що переноситься

220 Г л 10. Хвилі в океані

Бурун, що здіймається - хвиля накочується без обвалення на крутих укосах.

Хвиля(Wave, surge, sea) - утворюється завдяки зчепленню частинок рідини та повітря; ковзаючи по гладкій поверхні води, спочатку повітря створює бриж, а вже потім, діє на її похилі поверхні, поступово розвиває хвилювання водної маси. Досвід показав, що водяні частки немає поступального руху; переміщується лише вертикально. Морськими хвилями називають рух води на морській поверхні, що виникає через певні проміжки часу.

Вища точка хвилі називається гребенемабо вершиною хвилі, а нижча точка - підошвою. Висотоюхвилі називається відстань від гребеня до її підошви, а довжинаце відстань між двома гребенями чи підошвами. Час між двома гребенями чи підошвами називається періодомхвилі.

Основні причини виникнення

У середньому висота хвилі під час шторму в океані досягає 7-8 метрів, зазвичай може розтягнутися завдовжки - до 150 метрів і до 250 метрів під час шторму.

Найчастіше морські хвилі утворюються ветром.Сила і розміри таких хвиль залежить від сили вітру, і навіть його тривалості і «розгону» - довжини шляху, у якому вітер діє водну поверхню. Іноді хвилі, що обрушуються на узбережжя, можуть зароджуватись за тисячі кілометрів від берега. Але є ще багато інших факторів виникнення морських хвиль: це припливоутворюючі сили Місяця, Сонця, коливання атмосферного тиску, виверження підводних вулканів, підводних землетрусів, рух морських суден.

Хвилі, які спостерігаються і в інших водних просторах, можуть бути двох пологів:

1) Вітрові, створені вітром, що приймають після припинення дії вітру характер, що встановився і звані хвилями, що встановилися, або хибою; Вітрові хвилі створюються внаслідок дії вітру (пересування повітряних мас) на поверхню води, тобто нагнітання. Причина коливальних рухів хвиль стає легко зрозумілою, якщо помітити вплив того ж вітру на поверхню пшеничного поля. Добре помітна непостійність вітрових потоків, які створюють хвилі.

2) Хвилі переміщення, або стоячі хвилі, утворюються в результаті сильних поштовхів на дні при землетрусах або збуджені, наприклад, різкою зміною тиску атмосфери. Дані хвилі звуться також одиночних хвиль.

На відміну від припливів, відливів і течій хвилі не переміщують маси води. Хвилі йдуть, але вода залишається на місці. Човен, який гойдається на хвилях, не спливає разом із хвилею. Вона зможе трохи переміститися похилою, тільки завдяки силі земної гравітації. Частинки води у хвилі рухаються кільцями. Чим далі ці кільця від поверхні, тим менше вони стають і зникають зовсім. Перебуваючи в субмарині на глибині 70-80 метрів, ви не відчуєте дію морських хвиль навіть за найсильнішого шторму на поверхні.

Види морських хвиль

Хвилі можуть проходити величезні відстані, не змінюючи форми і практично не втрачаючи енергії, довго після того, як вітер, що їх викликав, вщухне. Розбиваючись об берег, морські хвилі вивільняють величезну енергію, накопичену під час подорожі. Сила хвиль, що безперервно розбиваються, по-різному змінює форму берега. Хвилі, що розливаються і накочуються, намивають берег і тому називаються конструктивними. Хвилі, що обрушуються на берег, поступово руйнують його і змивають пляжі, що захищають його. Тому вони називаються деструктивними.

Низькі, широкі, закруглені хвилі далеко від берега називаються брижами. Хвилі змушують частинки води описувати кружки, кільця. Розмір кілець зменшується із глибиною. Принаймні наближення хвилі до похилим березі частки води у ній описують дедалі більше сплющені овали. Наближаючись до берега, морські хвилі не можуть замкнути свої овали, і хвиля розбивається. На мілководді частинки води більше не можуть замкнути свої овали, і хвиля розбивається. Миси утворені з твердішої породи і руйнуються повільніше, ніж сусідні ділянки берега. Круті, високі морські хвилі підточують скелясті скелі біля основи, утворюючи ніші. Скелі часом обрушуються. Згладжена хвилями тераса – це все, що залишається від зруйнованих морем скель. Іноді вода піднімається вертикальними тріщинами в скелі до вершини і виривається на поверхню, утворюючи воронку. Руйнівна сила хвиль розширює тріщини у скелі, утворюючи печери. Коли хвилі підточують скелю з двох сторін, доки не з'єднаються в проломі, утворюються арки. Коли верх арки падає у море, залишаються кам'яні стовпи. Їхні підстави підточуються, і стовпи обрушуються, утворюючи валуни. Галька та пісок на пляжі – це результат ерозії.

Деструктивні хвилі поступово розмивають берег і забирають пісок і гальку з морських пляжів. Обрушуючи весь тягар своєї води та змитого матеріалу на схили та обриви, хвилі руйнують їхню поверхню. Вони втискають воду та повітря в кожну тріщину, кожну ущелину, часто з енергією вибуху, поступово поділяючи та послаблюючи скелі. Уламки скель, що відкололися, використовуються для подальшого руйнування. Навіть найтвердіші скелі поступово знищуються, і суходіл на березі змінюється під дією хвиль. Хвилі можуть руйнувати морський берег із разючою швидкістю. У графстві Лінкольншир, в Англії, ерозія (руйнування) насувається зі швидкістю 2 м на рік. З 1870, коли був побудований найбільший в США маяк на мисі Гаттерас, море змило пляжі на 426 м в глибину узбережжя.

Цунамі

Цунамі- Це хвилі величезної руйнівної сили. Вони викликаються підводними землетрусами чи виверженнями вулканів і можуть перетинати океани швидше, ніж реактивний літак: 1000 км/год. У глибоких водах вони можуть бути нижче одного метра, але наближаючись до берега, сповільнюють свій біг і виростають до 30-50 метрів, перш ніж обрушитися, затоплюючи берег і змітаючи все на своєму шляху. 90% усіх зареєстрованих цунамі зазначено у Тихому океані.

Найбільш поширені причини.

Близько 80% випадків зародження цунамі є підводні землетруси. Під час землетрусу під водою відбувається взаємне зміщення дна по вертикалі: частина дна опускається, а частина піднімається. На поверхні води відбуваються коливальні рухи по вертикалі, прагнучи повернутися до вихідного рівня - середнього рівня моря - і породжує серію хвиль. Не кожен підводний землетрус супроводжується цунамі. Цунамігенним (тобто цунамі, що породжує хвилю) зазвичай є землетрус з неглибоко розташованим вогнищем. Проблема розпізнавання цунамігенності землетрусу досі вирішена, і служби попередження орієнтуються на магнітуду землетрусу. Найбільш сильні цунамі генеруються у зонах субдукції. Також, щоб підводний поштовх увійшов у резонанс з хвильовими коливаннями.

Зсуви. Цунами такого типу виникають частіше, ніж це оцінювали у ХХ столітті (близько 7 % усіх цунамі). Найчастіше землетрус викликає зсув і він генерує хвилю. 9 липня 1958 року внаслідок землетрусу на Алясці в бухті Литуйя виник зсув. Маса льоду і земних порід обрушилася з висоти 1100 м. Утворилася хвиля, що досягла на протилежному березі бухти висоти понад 524 м. Подібні випадки досить рідкісні і не розглядаються як зразок. Але набагато частіше відбуваються підводні зсуви у дельтах річок, які не менш небезпечні. Землетрус може бути причиною зсуву і, наприклад, в Індонезії, де дуже велике шельфове осадонакопичення, зсувні цунамі особливо небезпечні, оскільки трапляються регулярно, викликаючи локальні хвилі заввишки більше 20 метрів.

Вулканічні виверженнястановлять приблизно 5% всіх випадків цунамі. Великі підводні виверження мають такий самий ефект, як і землетруси. При сильних вулканічних вибухах утворюються як хвилі від вибуху, але вода також заповнює порожнини від вивергнутого матеріалу чи навіть кальдеру, у результаті виникає довга хвиля. Класичний приклад – цунамі, що утворилося після виверження Кракатау у 1883 році. Величезні цунамі від вулкана Кракатау спостерігалися в гаванях усього світу і знищили понад 5000 кораблів, загинуло близько 36 000 людей.

Ознаки появи цунамі.

• Раптовий швидкийвідхід води від берега на значну відстань та осушення дна. Що далі відступило море, то вище можуть бути хвилі цунамі. Люди, які знаходяться на березі і не знають про небезпеки, можуть залишитися з цікавості або для збирання риби та черепашок. В даному випадку необхідно якнайшвидше покинути берег і відійти від нього на максимальну відстань - таким правилом слід керуватися, перебуваючи, наприклад, в Японії, на узбережжі Індоокеанському Індонезії, Камчатці. У випадку телецунамі хвиля зазвичай підходить без відступу води.
• Землетрус. Епіцентр землетрусу знаходиться, як правило, в океані. На березі землетрус зазвичай набагато слабший, а часто його немає взагалі. У цунамонебезпечних регіонах є правило, що якщо відчувається землетрус, то краще піти далі від берега і при цьому забратися на пагорб, таким чином заздалегідь підготуватися до хвилі.
• Незвичайний дрейфльоду та інших плаваючих предметів, утворення тріщин у припаї.
• Величезні викидиу кромок нерухомого льоду та рифів, утворення товчки, течій.

Хвилі-вбивці

Хвилі-вбивці(Блукаючі хвилі, хвилі-монстри, freak wave - аномальна хвиля) - гігантські хвилі, що виникають в океані, заввишки більше 30 метрів, мають невластиву для морських хвиль поведінку.

Ще якихось 10-15 років тому вчені вважали історії моряків про велетенські хвилі-вбивці, які виникають з нізвідки і топлять кораблі, лише морським фольклором. Довгий час блукаючі хвилівважалися вигадкою, тому що вони не вкладалися в жодну існуючу на той час математичні моделі розрахунків виникнення та їх поведінки, тому що хвилі заввишки більше 21 метра в океанах планети Земля не можуть існувати.

Один із перших описів хвилі-монстра відноситься до 1826 року. Її висота була понад 25 метрів і помітили її в Атлантичному океанінедалеко від Біскайської затоки. Цьому повідомленню ніхто не повірив. А в 1840 році мореплавець Дюмон д'Юрвіль ризикнув з'явитися на засідання Французького географічного товариства і заявити, що на власні очі бачив 35-метрову хвилю. Присутні підняли його на сміх. штормі, і своєю крутістю схожі на стрімкі стіни води, ставало все більше.

Історичні свідчення "хвиль-вбивць"

Так, 1933 року корабель ВМС США "Рамапо" потрапив у шторм у Тихому океані. Сім діб корабель кидало хвилями. А вранці 7 лютого позаду раптово підкрався неймовірної висоти вал. Спочатку судно шпурнуло в глибоку прірву, а потім підняло майже вертикально на гору пінистої води. Екіпаж, якому пощастило вижити, зафіксував висоту хвилі – 34 метри. Рухалася вона із швидкістю 23 м/сек, або 85 км/год. Поки що це вважається найвищою колись виміряною хвилею-вбивцею.

Під час Другої світової війни, в 1942 році, лайнер "Королева Марія" віз 16 тис. американських військових з Нью-Йорка до Великобританії (між іншим, рекорд за кількістю людей, що перевозяться на одному судні). Зненацька виникла 28-метрова хвиля. "Верхня палуба була на звичайній висоті, і раптом - раз! - Вона різко пішла вниз", - згадував доктор Норвал Картер, що знаходився на борту злощасного корабля. Корабель нахилився під кутом 53 градуси - якби кут становив хоча б на три градуси більше, загибель була б неминучою. Історія "Королеви Марії" лягла в основу голлівудського фільму "Посейдон".

Однак 1 січня 1995 року на нафтовій платформі «Дропнер» у Північному морі біля узбережжя Норвегії була вперше приладово зафіксована хвиля заввишки 25,6 метра, названа хвилею Дропнера. Проект "Максимальна хвиля" дозволив по-новому переглянути причини загибелі суховантажних суден, які перевозили контейнери та інші важливі вантажі. Подальші дослідження зафіксували за три тижні по всьому земній куліпонад 10 одиночних гігантських хвиль, висота яких перевищувала 20 метрів. Новий проект отримав назву Wave Atlas (Атлас хвиль), в якому передбачається складання всесвітньої карти хвиль-монстрів, що спостерігалися, і її подальшу обробку і доповнення.

Причини виникнення

Існує кілька гіпотез щодо причин виникнення екстремальних хвиль. Багато хто з них позбавлений здорового глузду. Найбільш прості пояснення побудовані на аналізі простої суперпозиції хвиль різної довжини. Оцінки, однак, показують, що ймовірність екстремальних хвиль у такій схемі виявляється замалою. Інша заслуговує на увагу гіпотеза передбачає можливість фокусування хвильової енергії в деяких структурах поверхневих течій. Ці структури, проте, занадто специфічні у тому, щоб механізм фокусування енергії міг пояснити систематичне виникнення екстремальних хвиль. Найбільш достовірне пояснення виникнення екстремальних хвиль має ґрунтуватися на внутрішніх механізмах нелінійних поверхневих хвиль без залучення зовнішніх факторів.

Цікаво, що такі хвилі можуть бути як гребенями, так і западинами, що підтверджується очевидцями. Подальше дослідження приваблює ефекти нелінійності у вітрових хвилях, здатні спричиняти утворення невеликих груп хвиль (пакетів) чи окремих хвиль (солітонів), здатних проходити великі відстані без значної зміни своєї структури. Подібні пакети також неодноразово спостерігалися практично. Характерними рисами таких груп хвиль, що підтверджують цю теорію, є те, що вони рухаються незалежно від іншого хвилювання і мають невелику ширину (менше 1 км), причому висоти різко спадають по краях.

Втім, повністю прояснити природу аномальних хвиль поки що не вдалося.

Хвилі, які ми звикли бачити на поверхні моря, утворюються головним чином під дією вітру. Однак хвилі можуть виникати і з інших причин, вони тоді називаються;

Припливні, що утворюються під дією припливоутворюючих сил Місяця та Сонця;

Баричні, що виникають за різких змін атмосферного тиску;

сейсмічні (цунамі), що утворюються в результаті землетрусу або виверження вулканів;

Корабельні, що виникають під час руху судна.

Вітрові хвилі є переважаючими на поверхні морів та океанів. Хвилі припливні, сейсмічні, баричні та корабельні істотного впливу на плавання суден у відкритому океані не надають, тому на їхньому описі ми зупинятися не будемо. Вітрове хвилювання - один з основних гідрометеорологічних факторів, що визначають безпеку та економічну ефективність мореплавання, оскільки хвиля, набігаючи на судно, обрушується на нього, розгойдує, б'є в борт, заливає палуби та надбудови, зменшує швидкість ходу. Качка створює небезпечні крени, ускладнює визначення місця судна і сильно виснажує команду. Крім втрати швидкості, хвилювання викликає нишпорення та ухилення судна із заданого курсу, і для утримання його потрібна постійна перекладка керма.

Вітровим хвилюванням називається процес формування, розвитку та поширення викликаних вітром хвиль на поверхні моря. Вітровому хвилюванню притаманні дві основні риси. Перша риса - нерегулярність: невпорядкованість розмірів та форм хвиль. Одна хвиля не повторює іншу, за великою може йти мала, а може і ще більша; кожна окрема хвиля постійно змінює свою форму. Гребені хвиль переміщаються у напрямі вітру, а й у інших напрямах. Така складна структура обуреної поверхні моря пояснюється вихровим турбулентним характером вітру, що утворює хвилі. Друга риса хвилювання полягає у швидкій мінливості його елементів у часі та просторі та пов'язана також з вітром. Однак розміри хвиль залежать не тільки від швидкості вітру, важливе значення має тривалість його дії, площа та конфігурація водної поверхні. З погляду практики немає необхідності знати елементи кожної окремо взятої хвилі чи кожного хвильового коливання. Тому вивчення хвилювання зводиться зрештою до виявлення статистичних закономірностей, які чисельно виражаються залежностями між елементами хвиль і їх чинниками.

3.1.1. Елементи хвиль

Кожна хвиля характеризується певними елементами,

Загальними елементами хвиль є (рис. 25):

Вершина - найвища точкагребеня хвилі;

Підошва - найнижча точкаулоговини хвилі;

Висота (h) – перевищення вершини хвилі;

Довжина (Л)-горизонтальна відстань між вершинами двох суміжних гребенів на хвильовому профілі, проведеному в генеральному напрямі поширення хвиль;

Період (т) – інтервал часу між проходженням двох суміжних вершин хвиль через фіксовану вертикаль; іншими словами, це проміжок часу, протягом якого хвиля проходить відстань, що дорівнює своїй довжині;

Крутизна (е) – відношення висоти цієї хвилі до її довжини. Крутизна хвилі у різних точках хвильового профілю різна. Середня крутість хвилі визначається ставленням:

Мал. 25. Основні елементи хвиль.

Для практики важливе значення має найбільший ухил, який приблизно дорівнює відношенню висоти хвилі h до її напівдовжини λ/2

- швидкість хвилі з - швидкість переміщення гребеня хвилі у напрямі її поширення, що визначається за короткий інтервал часу порядку періоду хвилі;

Фронт хвилі - лінія на плані схвильованої поверхні, що проходить по вершинах гребеня даної хвилі, які визначаються за безліччю хвильових профілів, проведених паралельно до генерального напрямку поширення хвиль.

Для мореплавання найбільше значення мають такі елементи хвиль, як висота, період, довжина, крутість і генеральний напрямок переміщення хвиль. Всі вони залежать від параметрів вітрового потоку (швидкості та напрямки вітру), його протяжності (розгону) над морем та тривалості його дії.

Залежно від умов утворення та поширення вітрові хвилі можна поділити на чотири типи.

Вітрові - система хвиль, що у момент спостереження під впливом вітру, яким вона викликана. Напрями поширення вітрових хвиль і вітру на глибокій воді зазвичай збігаються або ж відрізняються не більше ніж на чотири румби (45 °).

Вітрові хвилі характерні тим, що підвітряний схил їх крутіший, ніж навітряний, тому верхівки гребенів зазвичай завалюються, утворюючи піну, або навіть зриваються сильним вітром. При виході хвиль на мілководді та підході їх до берега напрями поширення хвиль та вітру можуть відрізнятися більш ніж на 45 °.

Зиб - спричинені вітром хвилі, що поширюються в області хвилеутворення після ослаблення вітру та/або зміни його напрямку, або спричинені вітром хвилі, що прийшли з області хвилеутворення в іншу область, де віє вітер з іншою швидкістю та/або іншим напрямом. Індивідуальний випадок зиби, що розповсюджується за відсутності вітру зветься мертвої хиби.

Змішані - хвилювання, що утворюється внаслідок взаємодії вітрових хвиль та зиби.

Трансформація вітрових хвиль – зміна структури вітрових хвиль за зміни глибини. У цьому випадку форма хвиль спотворюється, вони стають крутішими і коротшими і при невеликій глибині, що не перевищує висоти хвилі, гребені останніх перекидаються, і хвилі руйнуються.

За своїм зовнішнім виглядом вітрові хвилі характеризуються різними формами.

Грябина - початкова форма розвитку вітрового хвилювання, що виникає під дією слабкого вітру; гребені хвиль при брижі нагадують луску.

Тривимірне хвилювання - сукупність хвиль, середня довжина гребеня яких у кілька разів перевищує середню довжину хвилі.

Регулярне хвилювання - хвилювання, в якому форма та елементи всіх хвиль однакові.

Товча - безладне хвилювання, що виникає внаслідок взаємодії хвиль, що біжать у різних напрямках.

Хвилі, що розбиваються над банками, рифами чи камінням, звуться бурунів. Хвилі, що обрушуються у прибережній зоні, називаються прибоєм. У крутих берегіві в портових споруд прибій має форму скидання.

Хвилі на поверхні моря поділяються на вільні, коли сила, що викликала їх, припиняє діяти і хвилі вільно переміщуються, і вимушені, коли дія сили, що викликала утворення хвиль, не припиняється.

По мінливості елементів хвиль у часі їх поділяють на які встановилися, т. е, вітрове хвилювання, у якому статистичні характеристики хвиль не змінюються у часі, та що розвиваються чи згасають - які змінюють свої елементи у часі.

За формою хвилі діляться на двомірні - сукупність хвиль, середня довжина гребеня яких у багато разів більша за середню довжину хвиль, тривимірні - сукупність хвиль, середня довжина гребеня яких у кілька разів перевищує довжину хвиль, і відокремлені, що мають тільки куполоподібний гребінь без підошви.

Залежно від відношення довжини хвилі до глибини моря хвилі поділяються на короткі, довжина яких значно менша за глибину моря, і довгі, довжина яких більша за глибину моря.

За характером переміщення форми хвилі вони бувають поступальні, які мають спостерігається видиме переміщення форми хвилі, і стоячі - які мають переміщення. По тому, як розташовуються хвилі, їх поділяють на поверхневі та внутрішні. Внутрішні хвилі утворюються на тій чи іншій глибині поверхні розділу між шарами води різної щільності.

3.1.2. Методи розрахунку елементів хвиль

При вивченні морського заворушення використовуються деякі теоретичні положення, які пояснюють ті чи інші сторони цього явища. Загальні закони будови хвиль та характеру руху їх окремих частинок розглядаються триоїдальною теорією хвиль. Відповідно до цієї теорії, окремі частинки води в поверхневих хвилях рухаються замкнутими еліпсоїдними орбітами, роблячи повний оборотза час, що дорівнює періоду хвилі т.

Обертальний рух послідовно розташованих частинок води, зрушених на фазовий кут у початковий момент руху, створює видимість поступального руху: окремі частинки рухаються замкнутими орбітами, у той час як профіль хвилі переміщається поступально в напрямку вітру. Трохоїдальна теорія хвиль дозволила математично обґрунтувати будову окремих хвиль і зв'язати між собою їх елементи. Були отримані формули, що дозволяють розрахувати окремі елементи хвиль

де g -прискорення вільного падіння, Довжина хвилі швидкість її поширення С і період t пов'язані між собою залежністю К = Сх.

Слід зазначити, що триоїдальна теорія хвиль справедлива лише для правильних двовимірних хвиль, які спостерігаються у разі вільних вітрових хвиль – зиби. При тривимірному вітровому хвилюванні орбітальні шляхи частинок є замкнутими круговими орбітами, оскільки під впливом вітру виникає горизонтальне перенесення вод лежить на поверхні моря у напрямі поширення хвилі.

Трохоїдальна теорія морських хвиль не розкриває процесу їх розвитку та згасання, а також механізму передачі енергії від вітру до хвилі. Тим часом, вирішення саме цих питань необхідне для одержання надійних залежностей для розрахунку елементів вітрових хвиль.

Тому розвиток теорії морських хвиль пішло шляхом розробки теоретичних та емпіричних зв'язків між вітром і хвилюванням з урахуванням різноманітності реальних морських вітрових хвиль і нестаціонарності явища, тобто з урахуванням їх розвитку та згасання.

У загальному виглядіформули для розрахунку елементів вітрових хвиль можуть бути виражені у вигляді функції від кількох змінних

H, t, Л, C = f (W, D t, H),

Де W – швидкість вітру; D - розгін, t - тривалість дії вітру; Н – глибина моря.

Для мілководних районів морів для розрахунку висоти та довжини хвиль можна використовувати залежності

Коефіцієнти а та z змінні і залежать від глибини моря

А = 0,0151H 0,342; z = 0,104H 0,573.

Для відкритих районів морів елементи хвиль, забезпеченість висот яких становить 5%, та середні значення довжини хвиль розраховуються за залежністю:

H = 0,45 W 0,56 D 0,54 A,

Л = 0,3lW 0,66D 0,64A.

Коефіцієнт А обчислюється за такою формулою

Для відкритих районів океану елементи хвиль розраховуються за такими формулами:

де е – крутість хвилі при малих розгонах, D ПР – граничний розгін, км. Максимальну висоту штормових хвиль можна розрахувати за формулою

де hmax – максимальна висота хвиль, м, D – довжина розгону, милі.

У Державному океанографічному інституті на підставі спектральної статистичної теорії хвилювання були отримані графічні зв'язки між елементами хвиль та швидкістю вітру, тривалістю його дії та довжиною розгону. Ці залежності слід вважати найбільш надійними, що дають прийнятні результати, на основі яких у Гідрометцентрі СРСР (В. С. Красюк) було побудовано номограми для розрахунку висоти хвиль. Номограма (рис. 26) розділена на чотири квадранти (I-IV) і складається із серії графіків, розташованих у певній послідовності.

У квадранті I (відлік ведеться з нижнього правого кута) номограми дана градусна сітка, кожне поділ якої (по горизонталі) відповідає 1° меридіана на даній широті (від 70 до 20° пн. ш.) для карт масштабу 1:15 000000 полярної проекції. Градусна сітка необхідна для перекладу відстані між ізобарами п і радіуса кривизни ізобар R, виміряних на картах іншого масштабу, масштаб 1:15 000000. У цьому випадку ми визначаємо відстань між ізобарами п і радіус кривизни ізобар R в градусах меридіана на даній широті. Радіус кривизни ізобар R - радіус Кільця, з якою ділянка ізобари, що проходить через точку, для якої ведеться розрахунок, або поблизу неї має найбільший дотик. Визначається він за допомогою вимірювача шляхом підбору таким чином, щоб дуга, проведена із знайденого центру, збігалася з даною ділянкою ізобари. Потім на градусній сітці відкладаємо виміряні величини на даній широті, виражені в градусах меридіана, і розчином циркуля визначаємо радіус кривизни ізобар і відстань між ізобарами, що відповідає масштабу 1:15000000.

У квадранті II номограми наведені криві, що виражають залежність швидкості вітру від баричного градієнта та географічної широтимісця (кожна крива відповідає певній широті - від 70 до 20 ° пн. ш.). Для переходу від розрахованого градієнтного вітру до вітру, що дме поблизу поверхні моря (на висоті 10 м), було виведено поправку, що враховує стратифікацію приводного шару атмосфери. При розрахунках холодної частини року (стійка стратифікація t w 2°С)-коефіцієнт 0,6.

Мал. 26. Номограма для розрахунку елементів хвиль та швидкості вітру по картах приземного поля тиску, де ізобари проведені з інтервалом 5 мбар (а) та 8 мбар (б). 1 – зима, 2 – літо.

У квадранті III виробляється облік впливу кривизни ізобар на швидкість геострофічного вітру. Криві, що відповідають різним значенням радіусу кривизни (1, 2, 5 і т. д.), дано суцільними (зима) та штриховими (літо) лініями. Знак оо означає, що ізобари прямолінійні. Зазвичай при радіусі кривизни, що перевищує 15 °, обліку кривизни при розрахунках не потрібно. По осі абсцис, що розділяє кйадрант III і IV, визначається швидкість вітру W для даної точки.

У квадранті IV розташовані криві, що дозволяють за швидкістю вітру, розгону чи тривалості дії вітру визначати висоту про значних хвиль (h 3H), мають забезпеченість 12,5%.

Якщо є можливість щодо висоти хвиль використовувати як дані про швидкість вітру, а й про розгоні і тривалості дії вітру, розрахунок виконується по розгону і тривалості дії вітру (у годинах). Для цього з квадранту III номограми опускаємо перпендикуляр не до кривої розгону, а до кривої тривалості дії вітру (6 або 12 год). З отриманих результатів (по розгону та тривалості) береться менше значення висоти хвилі.

Розрахунок за допомогою запропонованої номограми можна проводити лише для районів «глибокого моря», тобто для районів, де глибина моря не менше половини довжини хвилі. При розгоні, що перевищує 500 км, або тривалості дії вітру більше 12 год використовується залежність висот хвиль від вітру, що відповідає океанським умовам (потовщена крива в квадранті IV).

Таким чином, для визначення висоти хвиль у цій точці необхідно виконати такі операції:

А) знайти радіус кривизни ізобари R, що проходить через цю точку або поблизу неї (за допомогою циркуля шляхом підбору). Радіус кривизни ізобар визначається лише у разі циклонічної кривизни (у циклонах та улоговинах) і виражається у градусах меридіана;

Б) визначити різницю тиску шляхом вимірювання відстані між сусідніми ізобарами в районі обраної точки;

В) за знайденими значеннями R і п залежно від пори року знаходимо швидкість вітру W;

Г) знаючи швидкість вітру W та розгін D або тривалість дії вітру (6 або 12 год), знаходимо висоту значних хвиль (h 3H).

Розгін знаходиться в такий спосіб. Від кожної точки, на яку ведеться розрахунок висоти хвиль, у бік проти вітру проводиться лінія струму до того часу, поки її напрям не зміниться стосовно початковому на кут 45° або досягне берега, або кромки льоду. Приблизно це буде розгін або шлях вітру, протягом якого повинні формуватися (хвилі, що приходять в дану точку).

Тривалість дії вітру визначається як час, протягом якого напрям вітру незмінний або відхиляється від початкового не більше ніж на ±22,5°.

За номограмою на рис. 26 можна визначити висоту хвилі по карті приземного поля тиску, на якій ізобари проведені через 5 мбар. Якщо ізобари проведені через 8 мбар, слід використовувати номограму, наведену на рис. 26 б.

Період і довжину хвилі можна розрахувати за даними про швидкість вітру і висоту хвилі. Наближений розрахунок періоду хвиль може бути зроблений за графіком (рис. 27), на якому представлена ​​залежність між періодами та висотою вітрових хвиль за різних швидкостей вітру (W). Довжина хвиль визначається за її періодом та глибиною моря в даній точці за графіком (рис. 28).