Лекция 5

ЛЕКЦИЯ 5

Наблюдения за волнением.

Весь комплекс современных наблюдений за волнением по средствам их выполнения можно разделить на три основных типа: визуальные, полуинструментальные и инструментальные наблюдения. Волнение наблюдается как непосредственно с берега - на прибрежных ГМС и постах, так и в открытом море - на судах разного типа.

5.1 Визуальные наблюдения

Визуальные наблюдения состоят в глазомерной оценке элементов волнения: степени волнения, состояния поверхности моря, типа и формы волнения, высоты, длины, периода, направления и скорости распространения волн.

Береговые наблюдения за волнением ведутся с постоянного пункта, который должен удовлетворять таким требованиям:

1. Быть достаточно открытым, чтобы наблюдатель мог наблюдать возможно больший сектор поверхности моря;

2. Глубины моря должны быть самыми большими для данного участка и располагаться возможно ближе к берегу (однако следует избегать крутых и приглубых берегов, от которых происходит отражение волн);

3. Береговая линия в районе наблюдений не должна быть сильно извилистой, что способствует искажению волнения;

4. В районе наблюдения должны отсутствовать банки, рифы, острова и другие препятствия, которые искажают волнение;

5. Необходимая высота волномерного пункта определяется по формуле Н= 0.1L, где Н -высота пункта в метрах, L - расстояние в метрах от пункта до установленных в море вех или буев;

6. Волномерный пункт не должен быть отдален от гидрометстанции на значительное расстояние и должен быть доступен для наблюдателя в любую погоду.

Сроки проведения наблюдений на береговых станциях - 0, 6, 12, 18 ч по Гринвичу.

При производстве наблюдений с судна пунктом наблюдений служит обычно верхний мостик, однако высота волн должна определяться с палубы судна. Судовые наблюдения над волнением ведутся в сроки: 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 ч по Гринвичу.

Степень волнения выражается в баллах, а критерием для ее оценки есть высота наиболее заметных значительных ветровых волн, зыби и прибойных волн. Определение высоты ведется с округлением: до 0.25 м - при высотах волн до 1.5 м; 0.5 м - при высотах волн от 1.5 до 4 м; до 1 м при высотах волн свыше 4 м. Наибольшая высота волн определяется по оценке пяти наиболее заметных значительных волн, прошедших перед глазами наблюдателя в течение 5 мин. Перевод высоты волны в степень волнения ведется с помощью шкалы степени волнения от 0 до 9 баллов.

Высота волн, м		Балл степени волнения	Словесная характеристика волнения
От	До
-	-	0	Волнение отсутствует
0	0,25	I	Слабое
0,25	0,75	II	Умеренное
0,75	1,25	III	Значительное
1,25	2,0	IV
2,0	3,5	V	Сильное
3,5	6,0	VI
6,0	8,5	VII	Очень сильное
8,5	11,0	VIII
11,0 и более		IX	Исключительное

Состояние поверхности моря определяется в баллах, а критерием для его оценки является вид поверхности моря под влиянием на нее ветра. При этом необходимо обращать внимание на вид гребней волн и появление пены на их поверхности. Количество баллов состояния поверхности моря определяется по шкале от 0 до 9 баллов. Характеристика состояния поверхности моря не отражает степени ее взволнованности, а показывает только эффект влияния ветра на морскую поверхность, независимо от размеров волн. Определение состояния поверхности моря ведется только при ветре. При штиле оно всегда равняется нулю.

Шкала состояния поверхности моря
Характеристика состояния поверхности моря, баллы	Признаки для определения состояния поверхности моря
0	Зеркально-гладкая поверхность
1	Рябь, появляются небольшие гребни волн
2	Небольшие гребни волн начинают опрокидываться, но пена, не белая, а стекловидная
3	Хорошо заметны небольшие волны, гребни некоторых из них опрокидываются, образуя местами белую клубящуюся пену — «барашки»
4	Волны принимают хорошо выраженную форму, повсюду об­разуются «барашки»
5	Появляются гребни большой высоты, их пенящиеся вершины: занимают большие площади, ветер начинает срывать пену с гребней волн
6	Гребни очерчивают длинные валы ветровых волн, пена, сры­ваемая с гребней ветром, начинает вытягиваться полосами, по склонам волн
7	Длинные полосы пены, срываемой ветром, покрывают склоны: волн и местами, сливаясь, достигают подошв
8	Пена широкими, плотными сливающимися полосами покры­вает склоны волн, отчего поверхность становится белой,, только местами во впадинах волн видны свободные от пены участки
9	Вся поверхность покрыта плотным слоем пены, воздух на­полнен водяной пылью и брызгами, видимость значительно' уменьшена

Тип волнения всегда можно определить по следующим признакам:

• ветровое волнение (вв) - волны имеют подветренный склон более крутой, чем наветренный, верхушки гребней волн обычно заваливаются, создавая пену, направление ветровых волн и ветра приблизительно совпадают ( ±45°);

• зыбь (з) - волны имеют правильную форму, они пологие и имеют длинные гребни, направления волн зыби и ветра могут не совпадать;

• мертвая зыбь (мз) – волны зыби, которые распространяются при штиле;

• смешанное волнение - одновременное присутствие на поверхности моря ветрового волнения и зыби, причем направление распространения этих типов волн могут не совпадать. Запись в журнал наблюдений производится в виде дроби, например " вв/з ", причем в числителе ставится преобладающий тип;

• толчея (т) - волнение, образованное двумя или несколькими системами волн, которые распространяются в противоположных направлениях. При толчее волны очень крутые, с короткими гребнями, потерявшие видимое направление распространения и как бы танцующие на месте.

Форма волнения определяется по расположению на поверхности моря гребней и ложбин волн. Волны зыби и хорошо развитые ветровые волны являются примером правильного (или регулярного) волнения. При этом хорошо заметны на поверхности моря сравнительно длинные гребни, которые распространяются в виде параллельных валов друг за другом. При неправильном (нерегулярном) волнении гребни волн разорваны на отдельные части неодинаковой высоты и длины по фронту следования, расстояние между двумя соседними гребнями больше, чем длина этих гребней по фронту следования.

Направление распространения волн может быть определено путем непосредственного пеленгования по компасу и фиксируется по восьми румбам: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ. Причем необходимо учитывать, что направление указывается в соответствие с тем, откуда идут волны. Если наблюдается смешанное волнение, то направление определяется для каждого типа, а запись ведется в виде дроби.

Длина волны определяется путем сравнения с длиной судна, при длине волны больше длины судна с кормы вытравливается буй на такое расстояние, чтобы он находился на гребне волны, когда второй гребень находится под наблюдателем.

Период волнения определяется путем засечки времени прохождения через определенную, четко зафиксированную на поверхности моря точку, одиннадцати последовательно следующих друг за другом гребней волн. Потом это полученное время делят на десять и получают период волнения.

Скорость распространения волн может быть получена как частное от деления длины волны на ее период.

5.2 Полуинструментальные средства наблюдения

Полуинструментальные средства наблюдения за волнением состоят в использовании специальных измерительных приспособлений разного типа. Несмотря на их примитивность, при тщательном выполнении они дают отличные результаты. Одними из первых подобных приспособлений, которые не потеряли своего значение до сих пор, являются волномерные рейки и вехи, которые предназначены для определения высоты и периода волн.

Волномерные рейки используются на небольших глубинах и представляют собой обычно шест круглого диаметра с целью наименьшего сопротивления их ударам волн, с яркими делениями через 10 см. Длина реек выбирается с расчетом возможности измерения наиболее высокой волны при наивысшем уровне. Рейки или забиваются непосредственно в дно, или крепятся к сваям.

Волномерные вехи используются в более глубоких местах, где нельзя ставить рейки. Они состоят из собственно рейки с поплавком, на которой нанесены деления, жестко закрепленную на якоре или даже на трех якорях. В открытом море применяются плавучие волномерные вехи. Стабилизация их в вертикальном положении достигается с помощью груза, укрепленного на нижнем конце рейки. Ниже груза (на глубине свыше двукратной высоты волны) закреплена специальная демпфирующая площадка, которая представляет собой горизонтально расположенную раму, покрытую брезентом.

Береговой волномер-перспектометр ВБ-49 конструкции Иванова предназначен для измерения следующих элементов волн: высоты, длины, периода, скорости и направления распространения, а также дня измерения расстояний до предметов на море.

Работа прибора основана на принципе оптического измерения размеров элементов волн в море с помощью зрительной трубы со встроенной специально разграфленной отсчетной сеткой, которая состоит из системы линий в перспективной проекции.

Основной частью прибора является монокуляр (или бинокуляр) от бинокля с шестикратным увеличением, укрепленный на площадке с двумя установочными винтами, с помощью которых труба может перемещаться в вертикальной плоскости. Площадка имеет горизонтальный лимб с делениями в градусах и алидаду с микрометрическим винтом, которая служит дня точной наводки. Алидада может вращаться относительно лимба, который в свою очередь может вращаться относительно вертикальной оси на 360° и закрепляться в нужном положении стопорным винтом.

На площадке есть круглый уровень, а под площадкой три подъемных винта, с помощью которых волномер приводится в горизонтальное положение. Зрительная труба с площадкой закреплена на деревянной треноге.

Расположенная в фокальной плоскости монокуляра перспективная сетка имеет две шкалы: шкалу дальности и шкалу высот волн. Шкала дальности, расположенная в середине поля зрения трубы, при правильной установке волномера-перспектометра дает возможность определить горизонтальное расстояние от прибора до некоторой точки на поверхности моря. Цена деления шкалы: от 100 до 300 м - 10 м; от 300 м до 1 км - 50 м и от 1 до 2 км - 500 м.

Шкала высот волн на сетке расположена с правой стороны шкалы дальности. Цена деления шкалы указывается в верхней части сетки.

Наклонные линии сетки предназначены для измерения горизонтальных расстояний на поверхности моря, перпендикулярных лучу зрения. Они соответствуют параллельным линиям на поверхности моря, проведенным на расстоянии 5 м друг от друга.

Перспективная сетка рассчитывается для двух высот расположения прибора над уровнем моря: 10м (цена деления шкалы высот 0.5 м) и 40 м (цена деления 1 м). Если прибор установлен на другой высоте, то все результаты измерений должны быть умножены на переходной множитель К.

К = Нф/Н, где Нф - фактическая высота установки; Н - высота, для которой рассчитанная сетка. Установку рекомендуется делать таким образом, чтобы переходной множитель был не больше 2 и не меньше 0.5.

При измерения длины волны прибор ориентируется таким образом, чтобы волны шли на наблюдателя. В таком случае шкала дальности расположенная по нормали к гребням, и непосредственно по ней можно сделать отсчет длины волны.

Без изменения ориентации прибора может быть определен период волн. При прохождении гребня через одну из горизонтальных линий шкалы дальности включается секундомер, и при прохождении 11-го гребня секундомер выключается. Период волн т определяют как т = Т/10 , где Т - отсчет по секундомеру.

Скорость распространения волны V определяется по промежутку времени Т, за который гребень волны проходит расстояние 100 м по шкале дальности. V = 100/Т

Измерение высоты ведется по наблюдениям за случайно плавающими в море предметами или с помощью специально установленного буя. Прибор ориентируется так, чтобы буй или плавающий предмет оказались совмещенными со шкалой высот. Число делений, которое помещаются между вершиной и подошвой волны умножают на цену деления и получают высоту волны.

Отсчет направления распространения волн снимается по лимбу в градусах при ориентации прибора по нормали к гребням.

Установка волномера состоит в следующем:

1. Открепляют стопорный винт и устанавливают лимб по компасу или буссоли с учетом магнитного склонения так, чтобы его линия 0- 180° была расположена в плоскости меридиана, причем деление 0° должно быть направлено на юг, а деление 180° - на север. После этого стопорный винт закрепляют. Для облегчения проверки ориентирования можно пользоваться каким-то предметом на местности, азимут которого известен заранее;

2. С помощью подъемных винтов и круглого уровня ось вращения прибора устанавливается в строго вертикальном положении;

3. Вращением установочных винтов изменяют положение зрительной трубы в вертикальной плоскости так, чтобы верхняя горизонтальная линия сетки соединилась с линией видимого горизонта. Вращая монокуляр с помощью микрометрического винта вокруг вертикальной оси, проверяют совпадение горизонтальной линии сетки с линией горизонта в секторе обзора. Высота установки прибора должна быть заранее известна.

5.3 Инструментальные измерения

Инструментальные измерения параметров морских волн выполняются с помощью специальных приборов - мареографов. В данное время применяются различные методы, при которых могут использоваться датчики разных типов.

1.Электродные волнографы включают приборы, первичным преобразователем которых являются 1 или 2 электрода погруженных в воду.

В электроконтактных волнографах датчиком является жесткая рейка с укрепленными на ней на определенных расстояниях контактными пластинами. Рейка крепится к неподвижному основанию. Между контактами рейки включены постоянные резисторы. При прохождении волны морская вода замыкает часть контактов рейки, пропорциональную уровню, тем самым меняя суммарное сопротивление цепочки резисторов. С помощью кабеля рейка связана с регистратором, который реагирует на смену сопротивления. Запись ведется в виде ступенек.

Струнные волнографы предназначены для непрерывной записи профиля волн. Датчиком таких волнографов является проводник, который не окисляется в морской воде, с высоким удельным сопротивлением, натянутый на жесткую опору. При волнении часть проводника (пропорциональная уровню) замыкается и изменение ее сопротивления соответствует профилю проходящих волн. Изменение сопротивления регистрируются электронным самописцем, связанным с датчиком кабелем. Струнные волнографы имеют существенный недостаток, который заключается в том, что при продолжительной эксплуатации провод подвергается коррозии, которая приводит к изменению его характеристик.

Емкостный датчик в простейшем виде представляет собой жестко натянутый на опорной рейке изолированный провод. Нижний конец его, погружен в воду и герметически закрыт. Проводник и морская вода образуют цилиндрический конденсатор с переменной, при прохождении волн, площадью обкладок. За счет этого емкость конденсатора изменяется пропорционально профилю волны. Это изменение емкости передается на электронный потенциометр и регистрируется в виде непрерывной записи.

Волнограф с индуктивным датчиком представляет собой так называемый дифференциальный трансформатор с подвижным якорем, связанным через мембрану с небольшим поплавком, который реагирует на прохождение волны. Перемещение поплавка приводят к отклонениям якоря от положения магнитного равновесия, которое превращается в изменения амплитуды тока на входе регистратора.

2. Измерители гидростатической давления. Принцип действия приборов гидростатического типа основан на том, что волнение сильно затухает с глубиной и практически отсутствует на глубине, которая превышает половину длины волны. Если поместить ниже этого уровня элемент, чувствительный к гидростатическому давлению, то его показания будут отвечать постоянной величине, которая характеризует давление в месте наблюдения (т.е. высоте столба жидкости непосредственно над ним) и не будет зависеть от непостоянной величины, характеризующей поверхностное волнение. Жестко связывая чувствительный элемент с поплавком, который свободно плавает на взволнованной поверхности, можно получить систему, которая реагирует на изменения гидростатического давления относительно среднего положения за счет вертикального перемещения поплавка, а, следовательно, и самого датчика.

Для измерения волнения гидростатическим методом используются в основном два типа датчиков - тензометрический и вибротронный.

Тензометрический датчик давления представляет собой тонкий проволочный проводник, поперечный диаметр которого уменьшается при растяжении и увеличивается при сжатии, что вызывает изменение электрического сопротивления проводника ( R = ρl/S , где ρ - удельное сопротивление; l - длина проводника; S - площадь поперечного cечения). Связь между изменением сопротивления и деформацией

приблизительно можно оценить как d lnR/d lnl ≈ 1+2μ

, где μ –коэффициент Пуассона (0.24-0.45). Тензометр обычно жестко связан с мембраной, которая используется в качестве упруго деформирующего элемента. Мембрана расположена в устройстве таким образом, чтобы с одной стороны на нее действовало меняющееся давление, которое мы измеряем, а с другой стороны - некоторое постоянное давление. Проходящий профиль волны вызывает изменение гидростатического давления, которое в свою очередь вызывает колебание мембраны, которое уже передается жестко связанному с ней тензометру. Тензометры, деформируясь, меняют свое сопротивление, а поскольку они обычно включены в мостовую схему, это приводит к разбалансу моста. В результате меняется исходное напряжение, которое после усиления подается на регистратор.

Вибротронный датчик представляет собой датчик, в котором изменение гидростатического давления превращается в частоту колебаний туго натянутой струны. На струну, один конец которой неподвижно закреплен, а другой прикреплен к мембране, действует гидростатическое давление, меняющее натяжение струны и резонансную частоту ее вибрации, поскольку резонансная частота вибрации струны зависит от степени ее натяжения. По мере изменения гидростатического давления над датчиком ( в связи с прохождением фронта волны), начинает изгибаться мембрана, которая вызывает изменение натяжения струны.

3. Поплавковые волнографы. В качестве датчика используется плавающий поплавок. Однако использование этого метода не позволяет делать измерения в высокочастотной части спектра волнения.

4. Акселерометры. Акселерометры - это датчики вертикального ускорения. Они устанавливаются на свободно плавающий на поверхности воды буй, движение которого предполагается точно совпадающим с волновым движением. Вся измерительная аппаратура находится внутри буя и изолирована от контакта с внешней средой, что увеличивает надежность работы прибора. Такие буи имеют автономность работы вплоть до года, автоматически передавая с заданной дискретностью во времени сведения о волновых колебаниях водной поверхности. Буи могут быть дрейфующие, теряющиеся, привязные, заякоренные, с кабельной и радиосвязью.

5. Альтиметры. Объединяют всю волноизмерительную аппаратуру, с помощью которой можно определить неконтактным способом расстояние от некоторого фиксированного уровня до взволнованной водной поверхности. Расстояние определяется по помощи импульсной техники (сигнал излучается импульсами и определяется сдвиг во времени между излученным и принятым импульсом). Альтиметры разделяются на системы работающие в надир ( надводные ) и в зенит ( подводные ). В обоих случаях носитель может быть неподвижным (платформа, дно моря) или движущимся (самолет, ИСЗ, подводная лодка). Если он двигается, то необходимо обязательно учитывать вертикальные движения носителя. К приборам, которые работают в надир относятся радары, лазеры, инфракрасные альтиметры и сонары (ультразвуковые эхолоты) , а к приборам, которые работают в зенит - сонары.

6. Радиолокационный метод обеспечивает измерение колебаний морской поверхности на некоторой площади. Характеристики рассеяния радиоволн статистически связаны с элементами волн, однако этим методом нельзя получить данные о параметрах отдельных волн, а только сведения о характеристиках групп волн. Кроме того, данный метод обеспечивает измерение только ветровых волн, потому что волны зыби практически не создают радиолокационного отражения. С помощью этого метода можно определять средние высоты волн, длины волн, длины гребней волн и направление распространения.

7. Стереофотосъемка волнения. Сущность метода заключается в том, что участок взволнованной поверхности моря одновременно фотографируется двумя аппаратами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга таким образом, что оптические оси их объективов параллельны. Расстояние между аппаратами называют базисом съемки. Полученные пары фотографий при рассмотрении в стереоскопе дают объемное изображение поверхности моря. Обработка таких стереопар выполняется с помощью специального прибора - стереопланиграфа. Точность измерения волн при стереофотосъемке составляет от 5-8 до 10-15% по высоте и от 1-2 до 8-15% по длине от величины волны. Точность уменьшается с уменьшением масштабов снимков. Стереофотосъемка может производится с берега, судна, одного или двух самолетов.

Прибрежный волнограф ГМ – 61

Волнограф ГМ-61 относится к волнографам струнного типа. Датчиком, который превращает волновые колебания в электрический параметр служит неокисляемая нихромовая проволока диаметром 0.4 мм, длиной 10 м, которая подвешивается к неподвижному основанию с концевым грузом и погружается в воду на половину своей длины. Сопротивление такой проволоки является линейной функцией вертикальных волновых движений поверхности воды.

Волнограф ГМ-6І обеспечивает непрерывную регистрацию колебаний в таких диапазонах: высота волны 0.05-10 м; период 0.2-20 с.

Другие технические данные:

• начальная чувствительность > 5 см;

• нестабильность градуировочной характеристики ~ 1% за 20 дней;

• допустимые колебания напряжения от -22% до +30% от номинального 220 в;

• суммарная погрешность при измерении высот Δh = ±(0,04+0.007Н), где Н – высота волны в метрах.

Судовой волнограф ГМ-16. ГМ-16 предназначен для измерения высоты и периода волн в открытом море и записи профиля волны на ленте самописца. Прибор имеет датчик гидростатического типа. В качестве чувствительного элемента датчика служит приемник давления, который представляет собой латунный цилиндр, одной из боковых стенок которого служит мембрана из бериллиевой бронзы. Центр мембраны жестко связан с центром тензометрической пластинки, закрепленной внутри цилиндра. В местах максимальной деформации прикреплены элементы, которые меняют свое сопротивление в зависимости от величины деформации - тензометры. Вследствие того, что сопротивление зависит также и от температуры, для изготовления тензометров применяются материалы с минимальным температурным коэффициентом сопротивления. В тензометрах датчика ГМ-16 использован константановый провод диаметром 0.03 мм. Тензометры приклеены к пластинки специальным лаком ВЛ, а сверху для защиты от влаги их покрывают клеем БФ-2.

Соединенные между собой тензометры образуют равновесный четырехплечный мост постоянного тока. Питание моста и сброс информации осуществляется по кабелю. В нижней части датчика расположен компенсатор предназначенный для исключения большей части среднего давления. Это дает возможность значительно повысить чувствительность прибора и использовать мембрану без излишних статических напряжений. Компенсатор состоит из двух полусфер, в которых находится резиновый баллон. При погружении датчика воздуха из баллона постепенно выдавливается внутрь приемника давления, уравновешивая внешнее давление на мембрану.