Отчего появляются волны? Теория образования волн: учимся понимать прогнозы

Наука о волнах зародилась в период подготовки высадки войск союзников в Нормандии в 1944 году. Многие тысячелетия - с той поры, как наш неизвестный доисторический предок впервые вышел в море на своем утлом челне, - люди страдают от волн: их швыряет, укачивает, они гибнут в волнах. Аргонавты, викинги, Колумб, отцы-пилигримы, миллионы путешественников взирали на волны с явной неприязнью. Они знали результат действия волн, но не знали их природы.

На Клебекской конференции, которая приняла решение высадке в Нормандии, кто-то спросил: «Как действуют волны?» Получить ответ было важно, потому что для высадки десанта собирались строить искусственные гавани и молы, а также проложить трубопровод через Ла-Манш. В бурю или штиль, но огромные экспедиционные силы нужно было высадить с точностью до секунд.

Никто не мог дать ответа - ни моряки союзного военно-морского флота, ни ученые. Они, конечно, знали о приливных явлениях. Ньютон дал научное объяснение действия сил Луны, а в справочниках они могли найти точное предсказание уровня прилива в любой точке побережья Нормандии. Но никто не задумывался над природой волн - моряки терпели их злой нрав, не задавая никаких вопросов.

Таким образом, ученым пришлось призадуматься. За исключением механизма образования волн, были известны все другие условия: природа Ла-Манша, этой своеобразной «воронки», конфигурация его береговой линии которую жадно разрушали волны, и даже геология морского берега. Тогда длинноволосый английский профессор (даже одев военный мундир, он сохранил свою прическу) вспомнил, как, купаясь на этом побережье после штормовой ночи, он заметил в прибое торф. Имели ли это какое-нибудь отношение к проблеме образование волн? Безусловно, имело, и отряд десантников немедленно получил указание отправиться в рейд для сбора геологических образцов в районе возможной высадки.

Были собраны более или менее подробные сведения о характере волнения в местах предполагаемой высадки. Дальнейшие события показали, что сведения эти были не вполне надежными. Возникла необходимость научного исследования волн, которые до того чаще привлекали внимание поэтов и художников, чем ученых.

В настоящее время ученые пытаются выяснить, почему энергия ветра создает упорядоченные волны сильного шторма, а не просто хаос в океане. Но здесь требуются дальнейшие исследования. Известны штормовые центры, или области образования «главных волн», но существуют и другие системы волн, обусловленные вторичными причинами. Видимые волны, которые мы наблюдаем в какой-либо данный момент времени, появляются в результате наложения нескольких групп волн, распространяющихся в различных направлениях с разными скоростями.

Их необходимо «рассортировать». Это делается при помощи анализатора волн, который сообщает, как распределена энергия между волнами различной длины. Анализатор представляет собой электронный прибор, селектирующий морские волны, так же как радиоприемник - электромагнитные. Он «ловит» волны, возникшие в различных районах, подобно радиоволнам, излучаемым различными передатчиками, и разделяет их.

Известно, что волны различных длин, выйдя из штормовой области, распространяются так, что очень длинные низкие волны, поднимающееся, словно холмы, на мелких банках, возвещают о приближении более короткой и крутой мертвой зыби, несущей большую часть энергии. Сейчас уже достигнут такой уровень точности, что ученые на побережье Корнуэлла и Калифорнии могут измерять очень низкую зыбь, которая принесла энергию волнения из «ревущих» сороковых широт южного полушария.

Разработаны методы, которые могут указать на различие между тем, что моряки зовут «волнением» и «мертвой зыбью». Нужно сказать, что приборы могут сообщить о различии между волнами, созданными местными ветрами, и волнами, место возникновения которых, возможно, находится за тысячи километров. Таким образом, океанографы в содружестве с метеорологами могут предсказывать волнение, основываясь на метеорологических данных.

Благодаря экспериментальным и теоретическим исследованиям ученые могут составить таблицы и диаграммы, представляющие необычайную ценность для береговых и портовых инженеров и морских архитекторов. Уже получено много данных о воздействии волн на морское побережье и отмели, что имеет большое значение для работ по защите береговых линий, веками разрушавшихся под действием волн.

Так обстоит дело на поверхности океана, где гигантские валы 20-метровой высоты швыряют огромный лайнер, словно крохотный ялик. А что же происходит в глубине? Океаны покрывают около трех четвертей поверхности земного шара, а знаем мы о географии этой затопленной части нашего мира, пожалуй, меньше, чем о поверхности Луны. Средняя глубина океана около четырех километров, но имеются углубления, или желоба, до 10 с лишним километров, намного более «высокие», чем Эверест. И это не «мир безмолвия». Гидрофонами можно обнаружить шумы, часто издаваемые существами, которых мы никогда не видели. И мир этот, конечно, не спокоен, он находится в непрерывном движении.

Моря и климат нераздельны. Океаны действуют, как гигантский аккумулятор, «сберегательная касса» тепла. Вода «запасается» солнечным теплом и отдает его в холодное время, так что существует непрерывная регуляция мирового океана. Чтобы узнать погоду, нужно познать море, и, наоборот, чтобы познать океан, необходимо выяснить процесс циркуляции атмосферы.

Подсчитано, что девять десятых поверхностных течений (а не только волны) приводятся в действие ветром - в том числе Гольфстрим, движение которого изучал еще Бенджамин Франклин (да, тот самый, что изображен на стодолларовой купюре) около двух веков назад, течение Гумбольдта, которое несло плот Кон-Тики к Полинезии, и течение Куросио. И даже глубинные течения находятся до некоторой степени под влиянием ветра, так как поверхностная вода, подталкиваемая им к берегу, направляется вниз, создавая давление на глубинные слои воды и вынуждая их двигаться в виде течения.

Изучение глубинных течений приносит нам все новые сведения. Необходимо помнить, что вода в океанах имеет неодинаковую плотность и что более легкая вода может лежать над более тяжелой в силу большой солености или холодности - подобно слоеному пирогу. Эти слои могут либо скользить один по другому, либо двигаться в различных направлениях относительно друг друга.

Для изучения природы и движения этих глубинных течений созданы различные приборы. В некотором отношении они аналогичны приборам, которыми пользуются метеорологи. Когда метеорологи хотят исследовать верхнюю атмосферу и изучить воздушные течения высоко над землей, они запускают воздушные шары - «радиозонды»- с передающей аппаратурой, которая сообщает информацию по радио. Океанографы, желающие изучить течения на больших глубинах, применяют нечто подобное.

Они используют две длинные алюминиевые трубки, в которых находятся батареи и простая электронная схема. Схема имеет источник звука, подобный применяемому при эхолотировании. Этот прибор может быть погружен на определенную заданную глубину. Если нагрузить его на поверхности так, чтобы он плавал на глубине 2500 метров, то потребуется только один грамм дополнительного веса для погружения прибора точно на глубину 2530 метров. На определенной глубине он дрейфует по течению и посылает наверх сигналы. Эти сигналы могут быть приняты судном на поверхности. Такие методы использовались объединенной англо-американской экспедицией для изучения Гольфстрима.

Было показано, что северное направление Гольфстрима на поверхности очень сильно. Однако в слое воды между глубинами 1350 и 1800 метров движение либо очень слабо, либо полностью отсутствует. Поплавки, погруженные на еще большую глубину - 2460 и 2760 метров, - дрейфовали на юг, в направлении, противоположном поверхностному течению. Скорость этого противотечения составляла около 0,6 километра в час.

В настоящее время попыток проникнуть в «тайны моря» стало больше: исследователи уже побывали в «мире безмолвия», батискаф спустился на дно одной из тихоокеанских впадин, суда на поверхности проводят регулярные наблюдения. И постепенно мы начинаем узнавать о явлениях, доселе неизвестных.

Ко многим явлениям, происходящим на нашей планете, мы уже давно привыкли, совершенно не задумываясь о природе их возникновения и механике действия. Это и изменение климата, и перемена времен года, и перемена времени суток, и образование волн на море и в океанах.

И сегодня мы как раз хотим уделить внимание последнему вопросу, вопросу о том, почему образуются волны на море.

Почему возникают волны на море

Существуют теории о том, что волны на морях и в океанах возникают по причине перепадов показателей давления. Однако зачастую это лишь предположения людей, которые быстро пытаются найти объяснение подобному природному явлению. В действительности все обстоит несколько иначе.

Вспомните, что заставляет воду «волноваться». Это физическое воздействие. Бросив что-либо в воду, проведя по ней рукой, резко ударив по воде, по ней непременно начинают идти колебания разного размера и частоты. Исходя из этого, можно понять, что волны – это результат физического воздействия на поверхность воды.

Однако почему на море появляются большие волны, приходящие к берегу издалека? Виной всему является другое природное явление – ветер.

Дело в том, что порывы ветра проходят над водой по касательной линии, оказывая на морскую поверхность физическое воздействие. Именно это воздействие нагнетает воду и заставляет её двигаться волнами.

Кто-то, разумеется, задастся и другим вопросом о том, почему волны на море и в океане идут колебательными движениями. Однако ответ на данный вопрос является еще более простым, чем сама природа волн. Дело в том, что ветер оказывает непостоянное физическое воздействие на поверхность воды, ведь он направляется к ней порывами разной силы и мощности. Это и влияет на то, что волны имеют разный размер и частоту колебания. Разумеется, сильные волны, настоящий шторм, возникают тогда, когда ветер превышает показатели нормы.

Почему на море волны без ветра

Весьма резонным нюансом является вопрос о том, почему на море присутствуют волны даже в том случае, если наблюдается абсолютный штиль, если ветер полностью отсутствует.

И здесь ответом на вопрос станет тот факт, что водяные волны являются идеальным источником возобновляемой энергии. Дело в том, что волны способны очень долгое время хранить свой потенциал. То есть, ветра, который привел воду в действие, создав определенное количество колебаний (волн), может быть достаточно для того, чтобы волна продолжала свое колебание очень продолжительное время, а сам потенциал волны не исчерпал себя даже через десятки километров с точки зарождения волны.

Вот и все ответы на вопросы о том, почему на море волны.

Сам ветер можно увидеть на картах прогноза погоды: это зоны низкого давления. Чем больше их концентрация, тем сильнее будет ветер. Малые (капиллярные) волны изначально движутся в направлении, в котором дует ветер.

Чем сильнее и дольше дует ветер, тем больше его воздействие на поверхность воды. Со временем волны начинают увеличиваться в размере.

Ветер оказывает на малые волны большее воздействие, чем на спокойную поверхность воды.

Размер волны зависит от скорости ветра, который ее образует. Ветер, дующий с какой-то постоянной скоростью, сможет генерировать волну сопоставимых размеров. И как только волна приобретает размеры, которые может заложить в нее ветер, она становится «полностью сформированной.»

Генерируемые волны имеют различные скорости и периоды волны. (Более подробно в статье ) Волны с большим периодом двигаются быстрее и преодолевают большие расстояния, чем их более медленные собратья. По мере отдаления от источника ветра (распространения) волны образуют линии свеллов, которые неизбежно накатывают на берег. Скорее всего, Вы знакомы с понятием сет волн!

Волны на которые больше не влияет ветер называются донными волнами (ground swell)? Это именно то, за чем охотятся серферы!

Что влияет на размер свелла?

Есть три основных фактора, влияющие на размер волн в открытом море.
Скорость ветра – Чем она больше, тем крупнее будет волна.
Продолжительность ветра – аналогично предыдущему.
Fetch (область покрытия ветром) – опять же чем больше область покрытия, тем крупнее волна образуется.

Как только воздействие ветра на них прекращается, волны начинают терять свою энергию. Они буду двигаться до того момента, как выступы морского дна либо другие препятствия на их пути (крупный остров к примеру) не поглотят всю энергию.

Существует несколько факторов, влияющих на размер волны в конкретном месте. Среди них:

Направление свелла – позволит ли оно попасть свеллу в нужное нам место?
Океанское дно – Свелл, движущийся из глубины океана на подводную гряду скал, образует крупные волны с бочками внутри. Неглубокий выступ напротив – замедлит волны и заставит их утратить энергию.
Приливный цикл – некоторые виды спорта полностью от него зависят.

Узнайте, как появляются лучшие волны.

Если вы когда-либо проводили время на берегу водоема, то замечали, наверное, что в тихую погоду на воде почти нет волн, а в ветреный дождливый день — волн много.

Вот как можно объяснить появление волн на воде. Их создает ветер. Волна — это способ перемещения одной из форм энергии с одного места на другое. Для зарождения волны необходима какая-то сила или энергия, и ветер передает такую энергию воде.

Когда мы наблюдаем движение волн — последовательное, одна за другой — кажется, что вода тоже движется вперед. Но если на поверхности воды плавает кусок дерева, мы заметим, что он не двигается вперед вместе с волнами. Он только будет появляться и исчезать в волнах. Он будет двигаться только при наличии ветра или течения. Какое же движение происходит в волне? В основном это движение частиц воды вверх-вниз. Это движение передается по направлению к берегу. Например, если у тебя есть веревка, ты можешь создать подобие волны вдоль всей ее длины. Волнообразные движения проходят по всей длине веревки, но частички веревки вперед не движутся.

У самого берега основание волны ударяется о дно, и движение волны замедляется из-за трения. Гребень волны продолжает движение, обрушиваясь вниз и образуя прибой.

У берега волны теряют свою энергию. Постой в волнах у самого берега, и ты поймешь, какой энергией они обладают!

В волнах частицы воды движутся вверх и вперед, толкаемые ветром. Затем сила тяжести заставляет их опускаться и возвращаться в исходное положение. Эти движения воды и заставляют волны передвигаться. Расстояние между гребнями двух волн называется длиной волны, самое нижнее ее положение называется подошвой.

Ветер дует в океане на большом расстоянии от берега. Он постепенно начинает перемещать воду. Так на воде образуется зыбь. Это очень небольшие волны. Когда на волнах появляется белая пена, это называют барашками.

Барашки образуются, становятся больше. При усилении ветра из них формируются волны.

Ветер оказывает большое воздействие на море. Волны иногда могут путешествовать на 8 000 километров (5 000 миль) от того места, где они образовались.

Некоторые волны образуются вследствии подъема и спада приливов. Это — приливные волны. Иногда они возникают из-за сотрясения дна океана или благодаря вулканическим извержениям на морском дне. И, наконец, волны вызываются сильными землетрясениями. Такие волны называются цунами.

Цунами — это морские волны, возникающие в результате резких смещений морского дна при подводных землетрясениях или при лавинообразных срывах донных осадочных пород, похожих на снежные лавины в горах. Название таких волн заимствовано из японского языка, истому что именно Япония чаще всего испытывает разрушительные последствия этого грозного природного явления, наблюдающегося в основном на окраинах Тихого океана.

В зоне зарождения цунами в открытом океане высота волн сравнительно невелика, всего 0,5-1,0 метра. Для мореплавателей, случайно оказавшихся в этой зоне, эти полны, имеющие очень большую длину, не представляют никакой опасности. Совсем иное дело, когда распространяющиеся со скоростью до 1000 километров в час волны цунами приближаются к побережью. Здесь их высота увеличивается до 10-50 метров, и накатывающийся на берег водяной вал сметает все попадающееся на его пути. Защититься от такой волны невозможно. В 1896 году от нашествия цунами в Японии погибло несколько десятков тысяч человек.

Единственный способ уменьшить ущерб, причиняемый цунами, — это вовремя предупредить о его приближении, чтобы дать возможность людям заблаговременно покинуть опасную зону. И такая служба предупреждения действует сейчас в Тихом океане. Для прогноза возникновения цунами используются приборы, определяющие место и время подводных землетрясений. Если такое место обнаружено, то производится расчет возможного распространения волн и включаются наблюдения за уровнем моря. Если изменения уровня моря на удалении от побережья приобретают угрожающий характер, то дается оповещение о приближении цунами.

Цунами могут достигать огромной высоты — в несколько десятков метров. Обрушиваясь на прилегающие к берегу районы, он и причиняют большие разрушения и представляют огромную опасность для жителей.

Особенно часто цунами бывают на юго-восточном побережье Азии и Японских островах.

Волны, которые мы привыкли видеть на поверхности моря, образуются главным образом под действием ветра. Однако волны могут возникать и по другим причинам, тогда они называются;

Приливные, образующиеся под действием приливообразующих сил Луны и Солнца;

Барические, возникающие при резких изменениях атмосферного давления;

Сейсмические (цунами), образующиеся в результате землетрясения или извержения вулканов;

Корабельные, возникающие при движении судна.

Ветровые волны являются преобладающими на поверхности морей и океанов. Волны приливные, сейсмические, барические и корабельные существенного влияния на плавание судов в открытом океане не оказывают, поэтому на их описании мы останавливаться не будем. Ветровое волнение - один из основных гидрометеорологических факторов, определяющих безопасность и экономическую эффективность мореплавания, так как волна, набегая на судно, обрушивается на него, раскачивает, бьет в борт, заливает палубы и надстройки, уменьшает скорость хода. Качка создает опасные крены, затрудняет определение места судна и сильно изнуряет команду. Кроме потери скорости, волнение вызывает рыскание и уклонение судна с заданного курса, и для удержания его требуется постоянная перекладка руля.

Ветровым волнением называется процесс формирования, развития и распространения вызванных ветром волн на поверхности моря. Ветровому волнению присущи две основные черты. Первая черта - нерегулярность: неупорядоченность размеров и форм волн. Одна волна не повторяет другую, за большой может следовать малая, а может и еще большая; каждая отдельная волна непрерывно меняет свою форму. Гребни волн перемещаются не только в направлении ветра, но и в других направлениях. Такая сложная структура возмущенной поверхности моря объясняется вихревым, турбулентным характером ветра, образующего волны. Вторая черта волнения заключается в быстрой изменчивости его элементов во времени и пространстве и связана также с ветром. Однако размеры волн зависят не только от скорости ветра, существенное значение имеет продолжительность его действия, площадь и конфигурация водной поверхности. С точки зрения практики нет необходимости знать элементы каждой отдельно взятой волны или каждого волнового колебания. Поэтому изучение волнения сводится в конечном итоге к выявлению статистических закономерностей, которые численно выражаются зависимостями между элементами волн и определяющими их факторами.

3.1.1. Элементы волн

Каждая волна характеризуется определенными элементами,

Общими элементами для волн являются (рис. 25):

Вершина - наивысшая точка гребня волны;

Подошва - наинизшая точка ложбины волны;

Высота (h) - превышение вершины волны;

Длина (Л)-горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн;

Период (т) - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль; другими словами, это промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине;

Крутизна (е) - отношение высоты данной волны к ее длине. Крутизна волны в различных точках волнового профиля различна. Средняя крутизна волны определяется отношением:

Рис. 25. Основные элементы волн.

Для практики важное значение имеет наибольший уклон, который приближенно равен отношению высоты волны h к ее полудлине λ/2

- скорость волны с - скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода волны;

Фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяются по множеству волновых профилей, проведенных параллельно генеральному направлению распространения волн.

Для мореплавания наибольшее значение имеют такие элементы волн, как высота, период, длина, крутизна и генеральное направление перемещения волн. Все они зависят от параметров ветрового потока (скорости и направления ветра), его протяженности (разгона) над морем и продолжительности его действия.

В зависимости от условий образования и распространения ветровые волны можно подразделить на четыре типа.

Ветровые - система волн, находящаяся в момент наблюдения под воздействием ветра, которым она вызвана. Направления распространения ветровых волн и ветра на глубокой воде обычно совпадают или же различаются не более чем на четыре румба (45°).

Ветровые волны характерны тем, что подветренный склон их круче, чем наветренный, поэтому верхушки гребней обычно заваливаются, образуя пену, или даже срываются сильным ветром. При выходе волн на мелководье и подходе их к берегу направления распространения волн и ветра могут различаться более чем на 45°.

Зыбь - вызванные ветром волны, распространяющиеся в области волнообразования после ослабления ветра и/или изменения его направления, или вызванные ветром волны, пришедшие из области волнообразования в другую область, где дует ветер с другой скоростью и/или другим направлением. Частный случай зыби, распространяющейся при отсутствии ветра носит название мертвой зыби.

Смешанные - волнение, образующееся в результате взаимодействия ветровых волн и зыби.

Трансформация ветровых волн - изменение структуры ветровых волн при изменении глубины. В этом случае форма волн искажается, они становятся круче и короче и при небольшой глубине, не превышающей высоты волны, гребни последних опрокидываются, и волны разрушаются.

По своему внешнему виду ветровые волны характеризуются разными формами.

Рябь - начальная форма развития ветрового волнения, возникающая под действием слабого ветра; гребни волн при ряби напоминают чешую.

Трехмерное волнение - совокупность волн, средняя длина гребня которых в несколько раз превышает среднюю длину волны.

Регулярное волнение - волнение, в котором форма и элементы всех волн одинаковы.

Толчея - беспорядочное волнение, возникающее вследствие взаимодействия волн, бегущих в разных направлениях.

Волны, разбивающиеся над банками, рифами или камнями, носят название бурунов. Волны, обрушивающиеся в прибрежной зоне, называются прибоем. У крутых берегов и у портовых сооружений прибой имеет форму взброса.

Волны на поверхности моря подразделяются на свободные, когда сила, вызвавшая их, прекращает действовать и волны свободно перемещаются, и вынужденные, когда действие силы, вызвавшей образование волн, не прекращается.

По изменчивости элементов волн во времени их разделяют на установившиеся, т. е, ветровое волнение, в котором статистические характеристики волн не изменяются во времени, и развивающиеся или затухающие - изменяющие свои элементы во времени.

По форме волны делятся на двухмерные - совокупность волн, средняя длина гребня которых во много раз больше средней длины волн, трехмерные - совокупность волн, средняя длина гребня которых в несколько раз превышает длину волн, и уединенные, имеющие только куполообразный гребень без подошвы.

В зависимости от отношения длины волны к глубине моря волны подразделяются на короткие, длина которых значительно меньше глубины моря, и длинные, длина которых больше глубины моря.

По характеру перемещения формы волны они бывают поступательные, у которых наблюдается видимое перемещение формы волны, и стоячие - не имеющие перемещения. По тому, как располагаются волны, их делят на поверхностные и внутренние. Внутренние волны образуются на той или иной глубине на поверхности раздела между слоями воды разной плотности.

3.1.2. Методы расчета элементов волн

При изучении морского волнения используются некоторые теоретические положения, объясняющие те или иные стороны этого явления. Общие законы строения волн и характера движения их отдельных частиц рассматриваются трохоидальной теорией волн. Согласно этой теории, отдельные частицы воды в поверхностных волнах движутся по замкнутым эллипсоидным орбитам, совершая полный оборот за время, равное периоду волны т.

Вращательное движение последовательно расположенных частиц воды, сдвинутых на фазовый угол в начальный момент движения, создает видимость поступательного движения: отдельные частицы движутся по замкнутым орбитам, в то время как профиль волны перемещается поступательно в направлении ветра. Трохоидальная теория волн позволила математически обосновать строение отдельных волн и связать между собой их элементы. Были получены формулы, позволяющие рассчитать отдельные элементы волн

где g -ускорение свободного падения, Длина волны К скорость ее распространения С и период t связаны между собой зависимостью К=Сх.

Следует отметить, что трохоидальная теория волн справедлива только для правильных двухмерных волн, которые наблюдаются в случае свободных ветровых волн - зыби. При трехмерном ветровом волнении орбитальные пути частиц не являются замкнутыми круговыми орбитами, так как под воздействием ветра возникает горизонтальный перенос вод на поверхности моря в направлении распространения волны.

Трохоидальная теория морских волн не вскрывает процесса их развития и затухания, а также механизма передачи энергии от ветра к волне. Между тем, решение именно этих вопросов необходимо с целью получения надежных зависимостей для расчета элементов ветровых волн.

Поэтому развитие теории морских волн пошло по пути разработки теоретических и эмпирических связей между ветром и волнением с учетом разнообразия реальных морских ветровых волн и нестационарности явления, т. е. с учетом их развития и затухания.

В общем виде формулы для расчета элементов ветровых волн могут быть выражены в виде функции от нескольких переменных

H, t, Л,C=f(W , D t, H),

Где W - скорость ветра; D - разгон , t - продолжительность действия ветра; Н - глубина моря.

Для мелководных районов морей для расчета высоты и длины волн можно использовать зависимости

Коэффициенты а и z переменны и зависят от глубины моря

А = 0,0151H 0,342 ; z = 0,104H 0,573 .

Для открытых районов морей элементы волн, обеспеченность высот которых составляет 5%, и средние значения длины волн рассчитываются по зависимостям:

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

Л = 0,3lW 0,66 D 0,64 A.

Коэффициент А вычисляется по формуле

Для открытых районов океана элементы волн рассчитываются по следующим формулам:

где е - крутизна волны при малых разгонах, D ПР - предельный разгон, км. Максимальную высоту штормовых волн можно рассчитать по формуле

где hmax - максимальная высота волн, м, D - длина разгона, мили.

В Государственном океанографическом институте на основании спектральной статистической теории волнения были получены графические связи между элементами волн и скоростью ветра, продолжительностью его действия и длиной разгона. Эти зависимости следует считать наиболее надежными, дающими приемлемые результаты, на основе которых в Гидрометцентре СССР (В. С. Красюк) были построены номограммы для расчета высоты волн. Номограмма (рис. 26) разделена на четыре квадранта (I-IV) и состоит из серии графиков, расположенных в определенной последовательности.

В квадранте I (отсчет ведется из нижнего правого угла) номограммы дана градусная сетка, каждое деление которой (по горизонтали) соответствует 1° меридиана на данной широте (от 70 до 20° с. ш.) для карт масштаба 1:15 000000 полярной стереографической проекции. Градусная сетка необходима для перевода расстояния между изобарами п и радиуса кривизны изобар R, измеренных на картах другого масштаба, в масштаб 1:15 000000. В этом случае мы определяем расстояние между изобарами п и радиус кривизны изобар R в градусах меридиана на данной широте. Радиус кривизны изобар R - радиус Окружности, с которой участок изобары, проходящей через точку, для которой ведется расчет, или вблизи нее имеет наибольшее соприкосновение. Определяется он с помощью измерителя путем подбора таким образом, чтобы дуга, проведенная из найденного центра, совпадала с данным участком изобары. Затем на градусной сетке откладываем измеренные величины на данной широте, выраженные в градусах меридиана, и раствором циркуля определяем радиус кривизны изобар и расстояние между изобарами, соответствующее масштабу 1:15000 000.

В квадранте II номограммы приведены кривые, выражающие зависимость скорости ветра от барического градиента и географической широты места (каждая кривая соответствует определенной широте- от 70 до 20° с. ш.). Для перехода от рассчитанного градиентного ветра к ветру, дующему вблизи поверхности моря (на высоте 10 м), была выведена поправка, учитывающая стратификацию приводного слоя атмосферы. При расчетах для холодной части года (устойчивая стратификация t w 2°С)-коэффициент 0,6.

Рис. 26. Номограмма для расчета элементов волн и скорости ветра по картам приземного поля давления, где изобары проведены с интервалом 5 мбар (а) и 8 мбар (б). 1 - зима, 2 - лето.

В квадранте III производится учет влияния кривизны изобар на скорость геострофического ветра. Кривые, соответствующие различным значениям радиуса кривизны (1, 2, 5 и т. д.), даны сплошными (зима) и штриховыми (лето) линиями. Знак оо означает, что изобары прямолинейны. Обычно при радиусе кривизны, превышающей 15°, учета кривизны при расчетах не требуется. По оси абсцисс, разделяющей кйадранты III и IV, определяется скорость ветра W для данной точки.

В квадранте IV расположены кривые, позволяющие по скорости ветра, разгону или продолжительности действия ветра определять высоту так называемых значительных волн (h 3H), имеющих обеспеченность 12,5%.

Если имеется возможность при определении высоты волн использовать не только данные о скорости ветра, но и о разгоне и продолжительности действия ветра, расчет выполняется по разгону и продолжительности действия ветра (в часах). Для этого из квадранта III номограммы опускаем перпендикуляр не до кривой разгона, а до кривой продолжительности действия ветра (6 или 12 ч). Из полученных результатов (по разгону и продолжительности) берется меньшее значение высоты волны.

Расчет с помощью предлагаемой номограммы можно производить лишь для районов «глубокого моря», т. е. для районов, где глубина моря не меньше половины длины волны. При разгоне, превышающем 500 км, или продолжительности действия ветра больше 12 ч используется зависимость высот волн от ветра, соответствующая океанским условиям (утолщенная кривая в квадранте IV).

Таким образом, для определения высоты волн в данной точке необходимо выполнить следующие операции:

А) найти радиус кривизны изобары R, проходящий через данную точку или вблизи нее (с помощью циркуля путем подбора). Радиус кривизны изобар определяется только в случае циклонической кривизны (в циклонах и ложбинах) и выражается в градусах меридиана;

Б) определить разность давления п путем измерения расстояния между соседними изобарами в районе выбранной точки;

В) по найденным значениям R и п в зависимости от времени года находим скорость ветра W;

Г) зная скорость ветра W и разгон D или продолжительность действия ветра (6 или 12 ч), находим высоту значительных волн (h 3H).

Разгон находится следующим образом. От каждой точки, для которой ведется расчет высоты волн, в направлении против ветра проводится линия тока до тех пор, пока ее направление не изменится по отношению к начальному на угол 45° или не достигнет берега, или кромки льда. Приблизительно это и будет разгон или путь ветра, на протяжении которого должны формироваться (волны, приходящие в данную точку.

Продолжительность действия ветра определяется как время, в течение которого направление ветра неизменно или отклоняется от первоначального не более чем на ±22,5°.

По номограмме на рис. 26 а можно определить высоту волны по карте приземного поля давления, на которой изобары проведены через 5 мбар. Если изобары проведены через 8 мбар, то следует использовать номограмму, приведенную на рис. 26 б.

Период и длину волны можно рассчитать по данным о скорости ветра и высоте волны. Приближенный расчет периода волн может быть произведен по графику (рис. 27), на котором представлена зависимость между периодами и высотой ветровых волн при различных скоростях ветра (W). Длина волн определяется по ее периоду и глубине моря в данной точке по графику (рис. 28).