6.9. Ветравыя хвалі і сейшы

Галоўнай прычынай узнікненя хваляў на азёрах з’яўляецца ўздзеянне ветру на іх паверхню. Ветравыя хвалі з’яўляюцца гравітацыйнымі, так як уздзеянне ветра на водную паверхню выводзіць паверхню вады із раўнавагі, а сіла цяжару застаўляе яе вяртацца ў першапачатковы стан. Ваганні часцінак вады пры дастатковай глыбіні возера адбываецца па арбітам. Пры малых глыбінях трэнне іх аб дно ўздзейнічае на на рух вады і арбіты часцінак з глыбінёй прыймаюць форму элліпса з большай воссю, выцягнутай па напрамку руху хваляў. У дна часцінкі вады рухаюцца толькі ў гарызантальным напрамку. Сячэнне некалькіх паслядоўных хваляў вертыкальнай плоскасцю ў галоўным напрамку іх руху прадстаўляе ветравы профіль, на якім добра відаць асноўныя элементы ветравых хваляў.

Сярэдняя хвалявая лінія – гарызантальная ліні, якая перасякае хвалявы профіль так, што агульныя плошчы вышэй і ніжэй гэтай лініі роўныя. Грабень хвалі – частка хвалі, якая знаходзіцца вышэй сярэдняй хвалявай лініі, вяршыня хвалі – самая высокая кропка на грэбні. Упадзіна (лагчына) хвалі – частка хвалі, якая знаходзіцца паміж двумя суседнімі грабянямі ніжэй сярэдняй хвалявай лініі, падэшва хвалі – самая нізка кропка на лагчыне хвалі. Фронт хвалі – лінія вяршыняў грабянёў у плане. Галоўны напрамак распаўсюджвання хваляў – напрамак, перпендыкулярны фронту хвалі. Вышыня хвалі (h) – перавышэнне вяршыні хвалі над падэшвай. Даўжыня хвалі (λ) – адлегласць паміж двумя суседнімі вяршынямі ці падэшвамі. Крутасць хвалі (ε) – адносіны вышыні хвалі да яе даўжыні:

ε = h/ λ.

Перыяд хвалі (τ) – прамежак часу, на працягу якога часцінкі вады завяршаюць поўны абарот па сваім арбітам ці прамежак часу паміж праходжаннем вяршыняў двух суседніх хваляў праз фіксаваную кропку вадаёма. Узрост хвалі (В) – адносіны хуткасці хвалі (С) да хуткасці ветру (U):

В = С/ U.

Хуткасць хвалі (С) – хуткасць перамяшчэння грэбня хвалі ў галоўным напрамку яе распаўсюджвання. Звычайна хуткасць хвалі вызначаецца як хуткасць перамяшчэння грэбня хвалі на адлегласці, роўнай яе даўжыні:

С = λ/t,

дзе t – прамежак часу, за які хваля (грэбень хвалі) праходзіць адлегласць, роўную яе даўжыні.

Параметры ветравых хваляў залежаць ад хуткасці ветру (U), працягласці яго дзеяння (Т), разгону хвалі (D) – шляху, які праходзіць хваля з моманту ўзнікнення, глыбіні возера (Н) (калі яна не перавышае палову даўжыні хвалі).

Пры павялічэнні хуткасці ветру і даўжыні разгону ветравых хваляў, параметры хваляў ( h і λ) павялічваюцца. Аднак, для кожнай хвалі існуе адпаведны разгон (дзейны разгон), на якім хуткасць руху хваляў становіцца практычна роўнай хуткасці ветру, пасля якой вышыня хвалі не расце. Такое ветравое хваляване паверхні возера назваецца устойлівым (сфарміраваным) хваляваннем.

З глыбінёй хваляване у выніку трэння паміж часцінкамі вады затухае, г.зн. вышыня хвалі памяншаецца пры нязменнай яе даўжыні і перыяду. На глыбіні возера, роўнай даўжыні хвалі, хваляванне практычна не назіраецца. Вышыня хвалі памяншаецца прыкладана у 500 раз.

У выніку розніцы цічску ветру на наветраныя і падветраныя схілы хвалі, яна прыймае несіметрычную форму нават на глыбокай вадзе. Яшчэ больш значныя змяненні хваляў адбываюцца пры падыхдзе хваляў да мелкаводдзяў, дзе пачынае уплываць трэнне іх аб дно. Гэтае трэнне пачынае шплываць з глыбіні, меншай паловы даўжыні хвалі (Н < λ /2). Ніжняя частка хвалі падвяргаецца большаму тармажэнню ў сувязі з трэннем аб дно, чым грэбень хвалі. Пярэдні схіл хвалі становіцца больш стромкім, чым тыльны. Пры дальнейшым памяншэнні глыбіні да крытычнай (Н_кр = 2 h) хваля разбураецца (апракідваецца). Разбурэнне хваляў у берага называецца прыбоем, а на мелкаводдзях у адкрытай акваторыі – буруном. Ад адвеснага ці стромкага берага (з вуглом нахілу больш 45^о), глыбіні у якога больш крытычнай, хвалі адбіваюцца. У выніку налажэння (інтерферэнцыі) падыходзячых да берага і адбітых (вярнуўшыхся) ад берага хваляў утвараюцца стаячыя хвалі. Вышыня стаячых хваляў значна большая, чым падыходзячых да берага. Калі у стромкага берага глыбіня менш крытычнай, разбурэнне хваляў адбываецца з выкідваннем масы вады апракінутага грабяня на значную вышыню. Такі выкід валодае значнай энэргіяй і сілай. На палогіх прыбярэжных водмелях буйныя хвалі разбураюцца далёка ад берага. Водмель, такім чынам, абараняе бераг ад дальнейшага размыву. Пад уздзеяннем прыбярэжных водмеляў адбываецца рэфракцыя хваляў – змяненне напрамку іх руху.

З’ява налажэння адной на другую некалькіх хваляў называецца інтерференцыяй. Прыватны выпадак – стаячая хваля – налажэнне прамой і адбітай хвалі з аднолькавым перыядам. Пры сустрэчы сістэмы хваляў розных напрамкаў утвараецца таўкатня, г.зн. складанае хваляванне з хаатычным чаргаваннем бугроў і ўпадзін.

Метады разліку параметраў хвалі. Метады разлікаў элементаў хваляў (h, λ, τ) улічваюць уздзеянне на ветравое хваляванне асноўных яго фактараў – хуткасці ветру (U, м/с), разгону (D, км), глыбіні возера на разліковым адрэзку (Н, м). Для буйных азёр і вадасховішчаў былі прапанаваны формулы У.Г.Андрыянава:

H = 0,0208 U^5/4 D^1/3

Λ = 0,304 U * D^1/2

Азёрныя хвалі адрозніваюцца ад марскіх большай стромкасцю. Іх крутасць (ε ) дасягае 1/8. Вышыня хваляў на буйных азёрах можа дасягаць значных велічын: на Ладажскім возеры да 5-6 м, на Анежскім да 4,5. Ва ўмовах Беларусі на возеры Нарач і Аілейскім вадасховішчам пры разгонах ветравых хваляў 6-10 км магчыма ўзнікненне хваляў вышынёй да 1,5 м.

Дэнівіліцыя паверхні і сейшы на азёрах. Пад уплывам розных сіл у вадаёмах узнікаюць перакосы воднай паверхні (дэнівіляцыя). Пасля астановкі ўздзеяння сілы, якая вызвала дэнівіляцыю) уся водная маса возера імкнецца вярнуцца у стан раўнавагі, а водная паверхня пачынае вагацца. Гэтыя ваганні назхываюць стаячымі хвалямі. Аднак яны ахопліваюць значныя па плошчы часткі акватрыі. Паступова такія ваганні паверхні затухаюць пад уздзеяннем сіл трэння і называюць звычайна сейшай. Асноўныя прычыны ўзнікнення сейшаў: змена паветранага ціску і вецер, якія вызываюць сгонна-нагонны перакос узроўня паверхні возера. Пры сейшах у вадаёмах заўсёды ўзнікае адна ці некалькі ліній (кропак), у якіх узровень вады застаецца нязменным. Гэта так званыя вузлы ( вузлавыя лініі), у залежнасці ад колькасці якіх сейшы бываюць аднавузлавыя, двухвузлавыя, трохвузлавыя і г.д. Па абодва бакі ад вузлавой лініі амплітуда ваганняў узроўняў узрастае і дасягае максімума ў кропках (на лініях) пучнасці. Асноўныя элементы сейшы (стаячай хвалі): перыяд (τ), амплітуда (А) – максімальнае адхіленне ўзроўня воднай паверхні ў той ці другой кропцы вадаёма ад яе палажэння ў стане раўнавагі (спакою). Вышыня (Н) – розніца паміж максімальным і мінімальным ўзроўнямі па профілю воднай паверхні (акваторыі).

Перыяд сейшы (стаячай вады), (τ) прыблізна можна вызначыць па формуле Мерыана, якая была выведзена для прамавугольнага вадаёма даўжынёй l з пастаяннай шырынёй і глыбінёй (Н). Для аднавузлавой сейшы формула мае выгляд:

Τ = 2l / n√gH,

а т.як. 2 / √g = 0,6306, то τ = 0,6306 * l / √H. Для n – вузлавой сейшы формула прыймае выгляд:

Τ = 2l / n√gH.

З разгледжаных вышэй двух формул выцякае, што найбольшым перыядам адрозніваюцца аднавузлавая сейша і, што ў глыбокіх азёрах перыяд сейш карацей, чым у мелкаводных пры той жа даўжыні вадаёма. Так, сярэдняя велічыня перыяда сейшы глыбокага Жэнеўскага возера (l = 72 км, Н_ср = 173 м) роўна 73 мінуты, а мелкаводнага Платтенскага возера (l = 76 к м, Н_ср = 3 м) – ужо 10-12 гадзін.

Сейшы суправаджаюцца цячэннямі, хуткасць якіх звычайна не перавышаюць некалькіх см/с, але у вузкіх залівах і пралівах могуць быць значнымі – у Якімварскім заліве Ладажскага возера да 0,60-0,80 м/с, у праліве возера В.Мядзьведжае ў Паўночнай Амерыке - 1,8-2,7 м/с. Хуткасць сейшавых цячэнняў (с) можна прыблізна вылічыць па формуле:

С = Н_с √g/H,

Дзе Н_с – вышыня сейшы.

Параметры сейш на азёрах вельмі адрозніваюцца і залежаць ад марфаметрчных характарыстык іх катлавін і метэаралагічных умоў. Так, на Байкале назіраліся сейшы з перыядам (τ) ад 44 мінут да 4-6гадзін і вышынёй (Н_ср) 12-14 см, на возеры Балхаш – з τ = 22-24 гадзіны і Н_ср мах = 38 см, на Аральскім моры τ сейш быў роўны 1828 гадз. пры Н_ср 24 см. , а максімальная 1-1,3 м. На возеры Эры перавагаюць сейшы з сярэдняй вышынёй 20-30 см, аднак максімальная дасягала 2,5 м.

Пры рознцы шчыльнасці вады азёр па вертыкалі ўзнікаюць унутраныя сейшы. Перыяд іх дзеяння ўзрастае з павялічэннем розніцы шчыльнасці слаёў вады. На прэсных азёрах яны ўзнікаюць толькі летам, пры прамой тэрмічнай стратыфікацыі і рэзкай розніцы тэмператур вады эпілімніона і гіпалімніона. У мінеарльных азёрах яны звязаны розніцай салёнасці слаёў па вертыкалі. Яны могуць працягвацца і пасля затухання сейш у паверхневых слаях вады і асабліва прыкметны пасля шторма. Пры сейшах часта назіраюцца перыядычныя ваганні тэмпературы на адной і той жа глыбіні – тэмпературныя сейшы. Сейшы ўзнікаюць і на буйных вадасховішчах. Напрыклад, у прыплаціннай частцы Цымлянскага вадасховішча назіраюцца аднавузлавыя сейшы з перыядам 2 гадз. 20 мін. І вышынёй 5-8 см.

Сейшы ўздзейнічаюць на некаторыя элементы гідралагічнага рэжыму возера – вызываюць ваганні тэмператур, утрымання кісларода, завіслых рэчываў на розных глыбінях, перамяшчэнне значных па аб’ёму водных мас, вадаабмен паміж адкрытымі і прыбярэжнымі зонамі акваторыіі азёр.