что такое ветровые волны

Ветровые волны

Ветровые волны создаются вследствие воздействия ветра (передвижение воздушных масс) на поверхность воды, то есть нагнетания. Причина колебательных движений волн становится легко понятна, если заметить воздействие того же ветра на поверхность пшеничного поля. Хорошо заметна непостоянность ветровых потоков, которые и создают волны.

В силу того что вода является веществом более плотным, чем воздух (примерно в 800 раз) — реакция воды на воздействие ветра несколько «запаздывает», и рябь переходит в волны лишь через некоторое расстояние и время при условии постоянного воздействия ветра. Если учесть такие параметры, как постоянность потока ветра, его направление, скорость, площадь воздействия, а также предыдущее состояние колебания поверхности водной глади, то мы получаем направление волны, высоту волны, частоту волны, наложение нескольких колебаний-направлений на один и тот же участок поверхности воды. Следует отметить, что направление волны не всегда совпадает с направлением ветра. Это особо заметно при изменении направления ветра, смешивании разных воздушных потоков, изменении условий среды воздействия (открытое море, гавань, суша, залив или любое другое достаточно большое тело, способное внести изменение в тенденцию воздействия и образования волн)- это означает, что иногда ветер гасит волны.

Содержание

Вертикальное движение волн

В отличие от постоянных потоков в реках, что идут в практически одном и том же направлении, энергия волн содержится в их вертикальном колебании и частично горизонтальном при малой глубине. Высота волны, а точнее, её распределение, расценивается как 2/3 над среднестатистической поверхностью воды и всего лишь на 1/3 в глубь. Примерно такое же соотношение отмечается и в скорости движения волны вверх и вниз. Вероятно, эта разница вызвана разной природой сил воздействия на движение волны: при подъёме водной массы действует в основном давление (волну буквально выдавливает из моря повышенное давление воды на данном участке и сравнительно низкое сопротивление-давление воздуха). При движении волны вниз в основном действуют сила гравитации, вязкость жидкости, давление ветра на поверхность. Противодействуют этому процессу: инерция предыдущего движения воды, внутреннее давление моря (вода медленно уступает место опускающейся волне — перемещая давление в близлежащие районы воды), плотность воды, вероятные восходящие потоки воздуха (пузыри), возникающие при опрокидывании гребня волны, и т. д.

Волны как возобновляемый источник энергии

Особенно важно отметить тот факт, что ветровые волны являются сконцентрированной энергией ветра. Волны передаются на большие расстояния и сохраняют в себе потенциал энергии на долгое время. Так, часто можно наблюдать волнение моря после бури или шторма, когда ветер давно стих, или волнение моря при штиле. Это даёт волнам большое преимущество как возобновляемому источнику энергии в ввиду его сравнительного постоянства и возможности прогнозирования, поскольку волны возникают практически с небольшой задержкой после возникновения ветра и продолжают существовать долго после него, перемещаясь на далёкие расстояния, что делает получение электроэнергии от волн более рентабельным по сравнению с ветрогенераторами. Сюда следует добавить постоянство морского волнения вне зависимости от времени суток или облачности, что делает волновые генераторы более рентабельными по сравнению с солнечными батареями, так как солнечные батареи вырабатывают электричество только днём и желательно при ясной летней погоде — зимой же процент производительности ниспадает до 5 % от предполагаемой мощности батареи.

Колебания водной поверхности являются результатом воздействия солнечной активности. Солнце нагревает поверхность планеты (причём неравномерно — суша нагревается быстрее, чем море), повышение температуры поверхности приводит к повышению температуры воздуха — а это, в свою очередь, приводит к расширению воздуха, что означает повышение давления. Как известно, воздух с избыточным давлением перетекает в область с менее высоким давлением — то есть создаётся ветер. А ветер нагнетает волны. Надо отметить, что этот феномен также хорошо действует и в обратном направлении, когда поверхность планеты неравномерно остывает.

Сложность воплощения волновых генераторов в реальность заключается в самой водной среде и её непостоянстве. Известны случаи высоты волн в 30 и более метров. Сильны волнения или высокая энергоконцентрация волн в районах ближе к полюсам (в среднем 60-70 кВ/кв.м.). Этот факт ставит перед изобретателями, работающими в северных широтах, задачу обеспечить должную надежность устройства, чем уровень КПД. И наоборот — в Средиземном море и Чёрном море, где энергоёмкость волн составляет в среднем около 10 кВч/квадратный метр, конструкторы, кроме живучести установки в неблагоприятных условиях, вынуждены искать способы повышения эффективности установки (КПД), что неизменно приведёт последних к созданию более рентабельных установок. Примером может послужить Австралийский проект Oceanlinx.

В Российской Федерации эта ниша производства электроэнергии пока не заполнена, несмотря на практически неограниченные водные просторы разной энергоёмкости, начиная с Байкала, Каспийского, Чёрного морей и кончая Тихим Океаном и другими северными водными просторами (на период незамерзания).

Кроме того, в местах преобразования волн в электроэнергию морская жизнь становится более богатой ввиду того, что дно не подвергается деструктивным воздействиям во время шторма.

Источник

Хотя волны обычно рассматриваются в водных морях Земли, углеводородные моря Титана также могут иметь ветровые волны.

СОДЕРЖАНИЕ

Формирование

Все эти факторы работают вместе, чтобы определить размер водных волн и структуру потока внутри них.

Основные параметры, связанные с волнами:

Волнообразование на изначально плоской водной поверхности ветром начинается случайным распределением нормального давления турбулентного ветрового потока над водой. Это колебание давления вызывает нормальные и касательные напряжения в поверхностных водах, которые создают волны. Предполагается, что:

Второй механизм связан с силами сдвига ветра на поверхности воды. Джон У. Майлз предложил механизм генерации поверхностных волн, который инициируется турбулентными сдвиговыми потоками ветра на основе невязкого уравнения Орра-Зоммерфельда в 1957 году. Он обнаружил, что передача энергии от ветра к поверхности воды пропорциональна кривизне профиля скорости движения воды. ветер в точке, где средняя скорость ветра равна скорости волны. Поскольку профиль скорости ветра логарифмичен по отношению к поверхности воды, кривизна в этой точке имеет отрицательный знак. Это соотношение показывает, как ветровой поток передает свою кинетическую энергию поверхности воды на их границе раздела.

Обычно эти механизмы формирования волн возникают вместе на поверхности воды и в конечном итоге создают полностью развитые волны.

Например, если мы предположим, что поверхность моря плоская (состояние 0 по шкале Бофорта), и внезапный поток ветра постоянно дует через поверхность моря, процесс генерации физических волн следует последовательности:

Со временем развиваются три разных типа ветровых волн:

Спектр

Океанские волны можно классифицировать на основе: возмущающей силы, которая их создает; степень, в которой возмущающая сила продолжает влиять на них после формирования; степень, до которой восстанавливающая сила ослабляет или сглаживает их; и их длина волны или период. Сейсмические морские волны имеют период около 20 минут и скорость 760 км / ч (470 миль в час). Ветровые волны (глубоководные волны) имеют период около 20 секунд.

Скорость глубоководной волны также можно приблизительно определить следующим образом:

C знак равно 1,251 L <\ displaystyle C = 1,251 <\ sqrt >>

Скорость волн на мелководье описывается другим уравнением, которое можно записать как:

C знак равно грамм d знак равно 3.1 d <\ displaystyle C = <\ sqrt > = 3,1 <\ sqrt >>

Обмеление и преломление

Нарушение

Некоторые волны претерпевают явление под названием «нарушение». Нарушение волны одна база которого больше не может поддерживать свою вершину, заставляя его разрушиться. Волна разбивается, когда она выходит на мелководье или когда две волновые системы противостоят и объединяют силы. Когда наклон или крутизна волны слишком велика, разбивка неизбежна.

На мелководье основание волны замедляется за счет сопротивления морскому дну. В результате верхние части будут двигаться с большей скоростью, чем основание, и передняя поверхность гребня станет более крутой, а задняя поверхность более плоской. Это может быть преувеличено до такой степени, что передняя поверхность образует профиль ствола с гребнем, падающим вперед и вниз, когда он простирается по воздуху перед волной.

Когда береговая линия близка к вертикали, волны не разбиваются, а отражаются. Большая часть энергии сохраняется в волне, когда она возвращается к морю. Интерференционные картины вызваны наложением падающих и отраженных волн, и это наложение может вызвать локализованную нестабильность при пересечении пиков, и эти пики могут сломаться из-за нестабильности. (см. также клапотические волны )

Физика волн

С другой стороны, для очень коротких длин волн поверхностное натяжение играет важную роль, и фазовая скорость этих гравитационно-капиллярных волн может (на глубокой воде) быть аппроксимирована выражением

c гравитационно-капиллярный знак равно грамм λ 2 π + 2 π S ρ λ <\ displaystyle c _ <\ text > = <\ sqrt <<\ frac <2 \ pi>> + <\ frac <2 \ pi S><\ rho \ lambda>>> >>

Модели

Ветровую волну можно спрогнозировать на основе двух параметров: скорости ветра на высоте 10 м над уровнем моря и продолжительности ветра, который должен дуть в течение длительных периодов времени, чтобы считаться полностью развитым. Затем можно спрогнозировать значительную высоту волны и пиковую частоту для определенной длины выборки.

Сейсмические сигналы

Волны океанской воды генерируют наземные сейсмические волны, которые распространяются на сотни километров вглубь суши. Эти сейсмические сигналы обычно имеют период 6 ± 2 секунды. О таких записях впервые сообщили примерно в 1900 году.

Есть два типа сейсмических «океанских волн». Первичные волны генерируются на мелководье в результате прямого взаимодействия водной волны с сушей и имеют тот же период, что и водные волны (от 10 до 16 секунд). Более мощные вторичные волны генерируются суперпозицией океанских волн равного периода, движущихся в противоположных направлениях, что приводит к возникновению стоячих гравитационных волн с соответствующими колебаниями давления на половине периода, которые не уменьшаются с глубиной. Теория генерации микросейсм стоячими волнами была предложена Майклом Лонге-Хиггинсом в 1950 году, после того как в 1941 году Пьер Бернар предложил эту связь со стоячими волнами на основе наблюдений.

Источник

Ветровые волны

Ветровые волны возникают под действием ветра, и их называют поступательными волнами. После прекращения действия ветра волны в силу инерции еще продолжаются, и такие волны получили название зыби (на рисунке).

Рис. Профиль волны и ее элементы (Судольский, 1991):

Крутизна волны (ϵ) определяется делением высоты волны (h) на ее длину (λ).

ϵ = h/λ

Скорость волны равна

с = λ/Т

Соотношения между элементами трохоидальной волны приведены в таблице ниже. Причем длина волны (λ), период волны (Т) и скорость волны (с) взаимозависимы, и их можно определить по формулам. Высота волны (h) не входит в указанные зависимости, и она определяется наблюдением или другими методами, например, по номограмме А. П. Браславского (1952).

Таблица. Соотношение между элементами трохоидальных волн

Для вычисления высоты и длины волны часто используют формулы В. Г Андриянова (1957):

h=0,0208 W 5/4 D 1/3 и λ = 0,304 W D 1/2

и H. А. Лабзовского (1976):

h= 0,073 W √E D и λ = 0,073 W √D/E,

Высоту волны можно рассчитать по простейшим формулам Стивенсона в крупных озерах (L>60 км):

h = 0,33 √L

и малых озерах (L 4 √L

Но в озерах с L менее 1 км формула дает не всегда реальный показатель высоты волны.

В формулах Е. А. Дьяковой и Н. Д. Шитова помимо длины разгона (D) и скорости ветра (W) учтена глубина водоема (Н, м):

h = 0,0186 W 0,71 D 0,24 H 0,54

h = 0,151 H 0,34 W D 0,33

λ = 0,104 H 0,57 W D 0,33

Для быстрой оценки элементов волн (высота, длина, период и скорость распространения) в зависимости от длины разгона и скорости ветра можно использовать таблицу Н. А. Лабзовского (1952).

Характеристики волнения и состояния водоемов оценивают по шкале степени ветрового волнения и шкале состояния поверхности озера и водохранилища под влиянием ветра (см. таблицу).

Вода придонных компенсационных течений на повышенных участках дна или в узких мелководных заливах поднимается вверх. Это выражается в аномально низких температурах по сравнению с температурами на соседних глубоких участках.

Источник

Ветровые волны, структура и характеристики

Волны – это неотъемлемая часть морской жизни яхтсмена, именно поэтому матерые мореманы всегда уделяют данному вопросу достаточно много времени. А вот почему, узнаем далее.

Все очень просто: волны в значительной мере определяют тот самый уровень комфортности нахождения в море. Большие и быстрые волны способны создать опасную ситуацию для судна и пассажиров на его борту, а маленькие и относительно безобидные волны вы можете даже и не заметить.

В данной статье мы хотели бы уделить внимание именно ветровым волнам, то есть тем, которые образуются под действием ветровых потоков (бывают еще волны, возникающие из-за повышенной сейсмической активности – цунами, влияние луны – приливы, отливы). Любая волна начинается с мелкой ряби на поверхности воды, из которой постепенно развиваются гравитационные волны, увеличивая свою длину и высоту.

Структура волны:

Ветровая волна всегда состоит из переднего и заднего склона, основное отличие их друг от друга заключается в том, что передний склон – это фронт направления волны и он всегда более крутой, а задний – наветренный и пологий. Водная масса в волне двигается практически по круговой траектории. Когда сила ветра стихает волна преобразуется в зыбь. На практике чаще всего наблюдается смешанное волнение: зыбь и ветровые волны одновременно.

Основные характеристики волн:

Чаще всего под определением высота волны подразумевают именно значительную высоту ее волнения. Что это означает? Значительная высота определяется, как третья часть от самой наивысшей волны. В реальности наивысших волн будет мало, большинство волн будет иметь высоту ниже.

Данная величина может быть выражена простой формулой: отношение высоты волны к половине ее длины. Соответственно, чем выше волна, тем она круче.

Кроме высоты и крутизны волны опытных яхтсменов также интересует такая величина, как скорость волны. Рассчитать ее можно по формуле длина волны / период волны. Отсюда вывод – чем длиннее волна, тем больше ее скорость.

Источник

Ветровые волны и цунами

Издавна все подвижное и изменчивое на Земле сравнивают с водой, ведь эта стихия очень редко пребывает в покое. Стоит подуть легкому ветерку, и даже на поверхности небольшого пруда возникнет рябь. Если же ветер усилится, то рябь превратится в волны. В морях и океанах, над поверхностью которых есть где разгуляться ветрам, волны вырастают до 5–7 м.

Чем сильнее и дольше дует ветер, тем больше высота волн и их длина. Но рано или поздно ветер, породивший волны, сам же их и разрушает, срывая с волн гребни и превращая их в пенные барашки. Когда на море возникает шторм, ветер часто меняет свое направление. Его порывы то усиливаются, то затихают. Поэтому ветровые волны становятся то длиннее, то короче, то выше, то ниже. Волны «гасят» друг друга или складываются в одну большую волну. Рассказы моряков о «девятом вале» — огромной и опасной штормовой волне — связаны именно с этим явлением. Но в действительности считать волны бесполезно: самая большая волна может быть любой по порядку.

В Японии появление вблизи берегов глубоководных рыб служит точным сигналом близкого землетрясения.

На земном шаре есть места, где бывалые моряки встречались с чудовищными волнами высотой в целых 18 м. Такие волны регистрировали в Бискайском заливе и у мыса Горн. Однако их порождает не только ветер, но и завихрения морских течений.

Когда мы наблюдаем за бегущими по морю волнами, нам кажется, что вода перемещается вместе с волной. Но это не так: волнообразно изгибается лишь поверхность моря, а сама вода никуда не перемещается. В этом легко убедиться, бросив в волны бутылку — она будет просто качаться на волнах, но никуда не уплывет.

У берега размеренный бег волн нарушается. Трение о дно тормозит нижнюю часть волны, а ее гребень продолжает двигаться вперед, увлекая за собой остальную воду. При встрече с препятствием, будь то скалы на берегу или борт корабля, волна «встает на дыбы» и обрушивает на него тонны воды.

Огромные разрушительные волны возникают в результате подводных землетрясений и извержений подводных вулканов. Эти волны называются сейсмическими, но во всем мире они известны под названием «цунами», что по-японски означает «гигантская волна в бухте». Сила и скорость распространения этих волн просто колоссальны: со скоростью 800 км/ч такая волна может обогнуть земной шар, не растеряв при этом своей силы. В открытом море такие волны очень пологи, но, достигая берега, они взмывают на высоту пятиэтажного дома, затапливая побережье, разрушая постройки и выбрасывая далеко на сушу стоящие у причалов суда.

Самые страшные цунами

Одна из самых разрушительных волн обрушилась на Командорские острова в 1737 году. Высота водяной стены составляла примерно 60 метров. Учёные смогли выяснить это благодаря тому, что нашли останки китов и многих других обитателей океана за много километров от берега. Ничто другое, кроме цунами, не могло бы их забросить так далеко.

Землетрясение залива Моро (Филиппины) в 1976 году, сила толчков составила 7,9 балла по шкале Рихтера: более 400 миль береговой линии были разрушены в мгновение ока, 5000 человек погибли, более 2200 пропали без вести, почти 10 000 были ранены, 90 000 остались без крова.

В декабре 2004 года в Индийском океане произошло мощнейшее в истории подводное землетрясение, которое вызвало страшное цунами. Берега Индонезии, Таиланда, Шри-Ланки, юга Индии накрыли огромнейшие волны — их высота превышала 15 метров! В результате этого стихийного бедствия было уничтожено несколько тысяч населённых пунктов, более 220 тысяч человек погибли и пропали без вести.

11 марта 2011 года в регионе Тохоку произошло сильнейшее землетрясение в истории Японии. Эпицентр находился восточнее острова Хонсю и сила подземных толчков составила 9,1 баллов по шкале Рихтера.

В результате удара стихии, была сильно повреждена АЭС в городе Фукусима и разрушены энергоблоки на реакторах 1, 2, и 3. Многие районы стали непригодными для жизни в результате радиоактивного излучения. После подводных толчков, огромная волна цунами накрыла побережье и уничтожила тысячи административных и жилых зданий. Погибло более 16.000 человек, 2.500 до сих пор считаются пропавшими без вести.

Не все подводные землетрясения заканчиваются так трагически. Большинство землетрясений и извержений подводных вулканов проходят незамеченными, потому что они происходят далеко в море и волны успевают успокоиться раньше того, как достигнут земли.

Источник