5.2. Хвилювання та течії

Внаслідок впливу на води океанів, морів, озер і водосховищ різноманітних сил виникають коливальні і поступальні рухи частинок води. Поступальні рухи називають течіями, а поширення коливань у воді називають хвильовими рухами або хвилями. Хвилі бувають: поодинокими (Рис. 5.1 а)), обмеженими (Рис. 5.1 б)), безмежними (Рис. 5.1 в)).

Рис. 5.1. Види хвиль.

При поширенні хвиль частинки води здійснюють лише коливальні рухи навколо свого середнього положення. Тобто, при поширенні хвиль перенесення маси води не спостерігається, відбувається лише перенесення енергії.

Для двомірної регулярної хвилі (Рис. 5.2) виділяють: профіль хвилі (лінія перетину захвильованої поверхні моря із вертикальною площиною, орієнтованою в напрямку поширення хвилі); спокійний рівень (хвилювання відсутнє); середня хвильова лінія (горизонтальна лінія, яка розділяє вершину та підошву хвилі навпіл); улоговина (западина) хвилі – частина хвилі, що розташована нижче спокійного рівня; вершина хвилі – найвища точка гребня хвилі; гребінь хвилі – частина хвилі, що розташована вище спокійного рівня; підошва хвилі – найнижча точка улоговини хвилі.

Рис. 5.2 Регулярна хвиля поділяється на: 1 – профіль хвилі; 2 – напрямок поширення хвилі; 3 – середня хвильова лінія; 4 – улоговина (западина) хвилі; 5 – вершина хвилі; 6 – гребінь хвилі; 7 – підошва хвилі.

Лінію гребня хвилі в плані називають фронтом хвилі.

До кількісних параметрів хвилі відносять:

- h – висоту хвилі – вертикальна відстань між вершиною і підошвою хвилі;

- λ – довжину хвилі – відстань між двома суміжними вершинами або підошвами хвилі.

- h/λ – крутість хвилі – це відношення висоти хвилі до її довжини;

- Т – період хвилі – це час одного циклу коливання частинок води;

- С – швидкість поширення хвилі або фазова швидкість – це швидкість зміщення гребня хвилі в горизонтальному напрямку.

Хвилі класифікують за силами, що їх спричиняють:

• вітрові хвилі, збурює вітер;

• припливні хвилі, виникають під впливом тяжіння місяця і сонця;

• анемобаричні, виникають внаслідок зміни рівня моря від атмосферного тиску;

• сейсмічні, утворюються в результаті сейсмічних явищ;

• корабельні, збурюються рухом кораблів.

Всі ці хвилі називають також гравітаційними на відміну від капілярних, що мають висоту та довжину в декілька міліметрів.

За характером руху форми хвилі можуть бути:

• прогресивними (поступальними), якщо форма хвилі рухається в просторі;

• стоячими, утворюються при накладанні двох прогресивних хвиль із рівними висотами і періодами, що поширюються в протилежних напрямках;

• прогресивно-стоячими, утворюються при накладанні прогресивної хвилі на стоячу.

За співвідношенням довжини хвилі і глибини води виділяють:

• хвилі на глибокій воді – це короткі хвилі, повздожина хвилі менша глибини води і швидкість поширення хвилі визначається лише довжиною хвилі;

• хвилі на кінцевій глибині, коли довжина хвилі одного порядку із глибиною води і швидкість поширення залежить одночасно і від довжини хвилі і від глибини води;

• хвилі на малій глибині.

Хвилі вважають довгими, якщо довжина хвилі значно більша глибини води і швидкість поширення залежить лише від глибини води.

Хвилі, що поширюються від збурюючих сил, називають вимушеними; хвилі, які вийшли із-під впливу цих сил – вільні, вони швидко згасають. Вимушені бувають сталими і такими, що розвиваються.

За глибиною розташування виділяють внутрішні і поверхневі хвилі.

В залежності від співвідношення висоти і довжини хвилі можуть бути крутими (Рис. 5.3 а) або пологими (Рис. 5.3 б).

Відносно величини періоду виділяють хвилі із періодом від долей секунди – до декількох років.

За формою хвилі бувають:

• двомірні;

• тримірні;

• поодинокі.

Рис. 5.3. Різновиди хвиль за співвідношенням висоти і довжини: а) круті; б) пологі.

У двомірних хвиль довжина гребеня по фронту в декілька разів більша довжини хвилі, а гребені паралельні та мають постійну висоту.

У тримірних хвиль довжина гребеня сумірна із довжиною хвилі.

Поодинокі хвилі мають лише один гребінь, якій підіймається на спокійний рівень, западина відсутня.

Найпоширеніші хвилі – вітрові і гравітаційні. Вітрові хвилі бувають вимушеними, вільними та змішаними. Вільні хвилі називають також брижами. Змішані хвилі – результат складання вимушених хвиль і брижів. Сукупність усіх хвиль, що створює вітер, називають вітровим хвилюванням.

В природі існують лише тримірні хвилі, вони нерегулярні і кожну мить інші. Двомірні – це математична модель.

Головний напрям поширення тримірних хвиль співпадає із напрямком вітру.

Висота тримірної хвилі, h_Т – це відстань між найвищою і ближчою найнижчою точками профілю, що лежать по різні боки середньої хвильової лінії.

Довжина гребеня, L_Т – це горизонтальна відстань між суміжними найнижчими точками хвильового профілю в напрямку, перпендикулярному головному напрямку поширення хвилі.

Період хвилі Т_Т – проміжок часу між проходженням двох послідовних гребенів через фіксовану точку.

Швидкість поширення хвилі С_Т – швидкість зміщення вершини гребеня хвилі в головному напрямку поширення за проміжок часу одного періоду.

Висота хвиль Чорного моря досягає 8…9 м, на озерах до 3…4 м, досить часто до 0,8 м. Крутизна хвиль на озерах , на морях . При контакті із берегом тримірні хвилі перетворюються в двомірні, ось чому на мілководді хвилі мають вигляд дуже довгих, паралельних гребенів.

Якщо спостерігається косий підхід хвилі до берега, то із зменшенням глибини відбувається постійна зміна напрямку поширення хвилі, викривлення лінії гребенів і розвертання їх в бік берега. Це, так звана, рефракція хвиль, яка пояснюється тим, що швидкість хвилі скорочується із зменшенням глибини води. Рефракція і трансформація хвиль розпочинаються із глибин . Якщо , то крутизна переднього схилу хвилі зростає, а заднього – зменшується, гребінь хвилі скорочується і піднімається відносно спокійного рівня на величину ≥80% від загальної висоти хвилі, улоговина хвиль вирівнюється та подовжується.

Коли гребінь хвилі досягне вертикального положення, він втрачає стійкість і обвалюється, а хвиля руйнується. Руйнування хвилі супроводжується утворенням аерованої зони – пінистого буруна – і супроводжується характерним шумом; за цього спостерігається інтенсивне розсіювання, або критична глибина, яка в середньому приймається

(5.1)

де h_СТ – висота хвилі безпосередньо перед руйнуванням.

Рис. 5.4. Тримірна хвиля: h_Т – висота тримірної хвилі; λ_Т – довжина хвилі; L_Т – довжина гребеня.

Окрім коротких вітрових хвиль спостерігаються довгі хвилі. Довгі поступальні хвилі із невеликою амплітудою пов’язують зі зміною атмосферного тиску, сейсмічними явищами, вітровим нагоном. Вони поширюються після припинення дії сили і як вільні хвилі, відбиваються від берегів. Внаслідок інтерференції падаючої та відбитої хвилі утворюються вільні стоячі хвилі – їх називають сейш (1869 р. Женевське озеро, лікар Форел). Амплітуда їх до 3 м на морях, до 50 см на озерах (Аральське).

Поступальне переміщення водяних мас називають течіями. Вони бувають постійними, тимчасовими і періодичними. В залежності від джерела збурювання течії поділяються на :

• збурені зовнішніми силами (вітер, тиск, припливні сили Сонця та Місяця);

• збурені внутрішніми силами (різна щільність по глибині).

Течії бувають поверхневі та глибинні. Під впливом постійного вітру виникають постійні течії – дрейфові.

Припливно-відпливні течії – періодичні, бувають лише в морях та океанах. За підвищення рівня в будь-якій ділянці моря (дощ, нагін, стік рік) виникають стокові течії. За вітрового нагону течії розташовуються від поверхні води до дна і їх називають градієнтними течіями.

Течії, утворені вітром, під впливом обертання Землі відхиляються від напрямку вітру на 45˚ праворуч у Північній і ліворуч у Південній півкулі. Із глибиною вектор швидкості вітрової течії зменшується за величиною і змінює свій напрямок, відхиляючись праворуч (Північна) або ліворуч (Південна півкуля).

На деякій глибині D_Т, яку називають глибиною тертя, вода тече у зворотному напрямку (Рис.5.5) із швидкістю в 23 рази меншою, ніж на поверхні. Кількість води, яка перенесена в напрямку вітру, рівна 0, оскільки така ж кількість води переноситься на глибині у зворотному напрямку.

В неглибоких водоймах рух води співпадає із напрямком вітру. Якщо вітер дме в напрямку берега, то підіймається рівень води. Нагін води особливо помітний у вузьких горловинах.

Рис. 5.5. Схема циркуляції води у береговій зоні: І-зона донного переносу в напрямку берега; ІІ- зона конвергенції (сходження);

ІІІ-зона донного переносу у бік моря; ІV –зона розподілення хвиль; V – зона прибою; VI- зона хвильоприбійного потоку.