Як зароджуються хвилі?

Шон Чамберлен

Не важливо, чи є ви фанатом серфінгу, чи ні - величезні хвилі і сміливці, які наважуються на них кататися, незмінно викликають захоплення у будь-якої людини. Але як формуються ці великі хвилі, звідки вони виникають? Чому одні хвилі мають висоту з багатоповерховий будинок і обрушуються на берег зі швидкістю цунамі, в той час як інші ніжно пестять узбережжі? Спробуємо відповісти на ці питання.

анатомія хвилі

Хвилі лякають, заворожують і надихають людей на протязі тисячоліть. Незважаючи на те, що найбільше нашої уваги ми приділяємо великим хвилям, хвилі всіх розмірів грають важливу роль в житті океану. Великі або маленькі - всі вони в цілому мають кілька фундаментальних характеристик.

Всі хвилі являють собою ні що інше, як рух енергії через різні середовища (наприклад, повітря і вода). Загальний термін "хвиля" відноситься до ряду коливань, пульсацій або хвилювань в середовищі типу води, повітря або будь-якого випромінювання. Згадайте різні типи хвиль, які вам доводилося спостерігати: хвилі в океані, безліч різнокольорових прапорців, звукові і навіть світлові хвилі. Все це - прояв енергії, яка переміщується через середу.

Морська хвиля є рухом енергії через воду. Види морських хвиль, про які ми говоримо - це підвищення і пониження рівня води. Рухаючись, по поверхні океану, хвилі зберігають свою цілісність, розбиваючись у міру досягнення берегів. Піна, яку ми спостерігаємо на пляжі - це морський прибій, тобто розбилися хвилі - останній видих хвиль, що проробили подорож довжиною в тисячі миль, щоб обрушити свою енергію на берег прямо біля наших ніг.

Залишимо на час розмова про прибої, ми повернемося до нього пізніше. А поки поговоримо про те, що відбувається з хвилями перш, ніж вони розіб'ються.

Хвиля складається з двох частин: вершини, або гребеня, і підстави, або підошви. Горизонтальна відстань між двома послідовними вершинами називається довжиною хвилі. Вертикальна відстань між гребенем і підошвою називається висотою хвилі.

Всі хвилі мають змееобразно, синусоїдальний характер. Коли ми дивимося на поверхню океану або навіть просто озера, ми бачимо остаточний результат змішання самих різних хвиль, які подорожують по водній гладі, в даний момент часу. Якби нам довелося розібрати на складові поверхню моря, ми виявили б цілий ряд синусоїдальних хвиль різних довжин і висот. Іншими словами, всі ці прості хвилі зливаються в одну велику складну хвилю.

Хвилі, проходячи один через одного, можуть взаємно посилюватися, збільшуючись в висоту, або, навпаки, взаємно послаблюватися, нейтралізуючи одне одного. Явище, коли накладення хвиль породжує більш сильну хвилю, називається конструктивним взаимовлиянием. Коли дві хвилі послаблюють одна одну, зливаючись в одну більш слабку, ніж дві попередні, виникає деструктивне взаємовплив.

Це були наукові визначення. Якщо ж попросити будь-якого серфера визначити висоту хвилі, він, або вона, швидше за все, назвуть висоту щодо зростання людини. Визначення висоти хвиль "в серферів" використовують для опису розбиваються хвиль, у яких порушується правильна синусоїдальна форма. На практиці найчастіше за одиницю виміру приймається середній зріст людини. Наприклад, хвилі можуть бути висотою по груди (~ 3-4 фути, або 0,9-1,2 м), в людський зріст (~ 5-6 футів, або 1,5-1,8 м), вище людського зросту (~ 7-9 футів, або 2,1-2,7 м) або висотою в два людські зрости (~ 10-12 футів, або 3-3,6 м). Користуючись цією схемою, стоячи на березі, можна легко визначити висоту хвиль, дивлячись на які перебувають у воді серферів.

Висота і довжина хвилі є її статичними параметрами. Однак, як ми знаємо, хвилі весь час переміщаються по поверхні води. Отже, ми можемо ввести такі поняття як швидкість хвилі, її частоту і період.

Швидкість хвилі визначається просто: це відстань, яку долає хвиля за даний період часу. Існує тісна залежність між довжиною хвилі і її швидкістю. Маленькі хвилі мають тенденцію рухатися повільно, зі швидкістю в кілька вузлів (1 вузол дорівнює 1 навігаційної милі на годину і становить 1,853 км). Хвилі середнього розміру можуть рухатися зі швидкістю в десятки вузлів; великі хвилі переміщаються зі швидкістю 30-50 вузлів і більше. Швидкість цунамі, які є найбільшими з усіх хвиль, може перевищувати 450 вузлів.

За періодом хвилі можна зробити важливі висновки про характер прибою. Період хвилі визначається як час між послідовними вершинами. Якщо ви стоїте на краю пірсу, включіть секундомір, коли хвиля виявиться в певному місці, і зупиніть секундомір, коли наступна хвиля досягне цього ж місця. Так вимірюється період. Хвилі з довгим періодом мають тенденцію бути великими і більш сильними, в той час як хвилі, що мають короткі періоди, менші і несуть в собі менше енергії. Вимірюючи період хвиль, серфери можуть спрогнозувати силу хвилювання на найближчі кілька годин і визначити, чи досягають різні хвилі (що зародилися різних місцях океану) узбережжя в якийсь певний час. Взагалі, хвилі з більш довгим періодом долають довші відстані, несуть більшу кількість енергії і створюють більш сильний прибій на березі.

Частота хвилі важлива для морських інженерів і архітекторів, які будують причали, пірси, і інші штучні об'єкти в океані або поблизу від нього. Частота хвилі визначається як кількість хвиль, що пройшли через певну точку за заданий момент часу. Знову беручи секундомір, вважайте число хвиль, які перетинають обрану точку за 30-ти секундний інтервал. Поділіть число, на 30, і ви отримаєте частоту хвиль в секунду.

Всі ці параметри пов'язані між собою і можуть бути виражені простими математичними рівняннями. Наприклад, швидкість хвилі (приймаючи допущення, що на хвилю не впливає дно) може бути виражена як V = L / T, або швидкість дорівнює довжині хвилі, поділеній на період. Довші хвилі також мають довші періоди. Відношення довжини хвилі до її періоду визначає швидкість хвилі, як виражено в цьому рівнянні.

формування хвиль

Отже, ми визначили, що хвилі бувають різні. Але які причини їх виникнення?

Вітер? Правильно, але звідки береться вітер?

Шторми, атмосферні або небесні явища? Уже ближче, але насправді це вітер виникає через перепади тиску повітря. А як вони виникають? Давайте розбиратися.

Розглянемо, що трапляється з повітрям, коли він нагрівається. Тепле повітря спрямовується вгору і піднімається до тих пір, поки не досягає висоти, на якій навколишнє повітря буде мати таку ж щільність (або тиск). Якщо повітря охолоджується, він починає опускатися, і, аналогічно, буде опускатися до тих пір, поки не досягне шарів з такою ж щільністю (або тиском).

Чому повітря піднімається і опускається? Зміна температури призводить до зміни щільності повітря. Щільність визначається як маса на одиницю об'єму. Найпростіший спосіб наочно представити це - розглядати щільність як про кількість молекул повітря в даному обсязі (наприклад, як про кількість молекул в порожній 2-х літровій пляшці). При підвищенні температури повітря розширюється, і тепер ми маємо меншу кількість повітряних молекул на той же самий обсяг. Іншими словами, його щільність зменшується. При охолодженні повітря відбувається все навпаки. Більш холодне повітря має більшу щільність, ніж більш тепле повітря.

Збільшення щільності також викликає зростання тиску повітря; зменшення щільності робить тиск нижчим. Коли виникають області з різним тиском, повітря починає переміщатися і продовжує рухатися до тих пір, поки тиск не вирівняється. Таке переміщення повітря породжує добре відомий нам вітер.

Відношення між щільністю і повітряної температурою можна наочно проілюструвати таким прикладом. Уявіть, що ви перебуваєте в кімнаті разом з сотнею людей, і всі двері замкнені, щоб ніхто не міг вийти. Раптово температура повітря в кімнаті опускається до 100 градусів, і люди інстинктивно починають притискатися один до одного, щоб не замерзнути. Те ж саме відбувається і з повітрям (і з водою, і з багатьма іншими речовинами). Чим холодніше повітря, тим він щільніше, тим ближче один до одного його молекули. З іншого боку, якби ми нагріли повітря в кімнаті до 100 вище нуля, кожна людина постарався б якнайдалі відсторонитися від інших. З повітрям відбувається те ж саме.

Цей взаємозв'язок між температурою і щільністю дуже важлива. Ми повернемося до неї, коли будемо говорити про глибоководної циркуляції і про фізичну структуру водяного стовпа. Розуміння цього взаємозв'язку дозволяє зрозуміти фізичні зміни в океані, які зачіпають живі організми, включаючи людей.

Тепер поговоримо про те, як утворюються ці області високого та низького тиску в атмосфері нашої планети. Все дуже просто - сонце нагріває екватора більше, ніж полюса утворюючи температурний диференціал планети. Холодний щільний повітря опускається на полюсах, теплі легкі повітряні потоки розуміються над екватором.

Якби наша планети була ідеально круглої, що не оберталася і була покрита однорідним матеріалом, наприклад, асфальтом, підвищується над екватором і знижується на полюсах повітря утворив би дві гігантські конвекційні області, по одній в кожній півкулі. Але оскільки Земля обертається навколо своєї осі, а поверхня складається з континентів і океанів, то фактично ми маємо три конвекційні області в кожній півкулі. Освіта областей з високим і низьким тиском через температурного диференціала і призводить до появи вітру.

Отже, що є джерелом енергії, яка переміщується в хвилях, утворених на поверхні води? Це Сонце !!!! Насправді все хвилі отримують свою енергію від сонця.

Коли вітер дме уздовж поверхні води, вода покривається брижами. Ця крихітна брижі називається капілярними хвилями. Освіта капілярних хвиль викликає поява крихітних "пагорбів" і западин, які, надаючи опір вітру, змушують його штовхати воду з ще більшим зусиллям. Остаточний результат полягає в передачі енергії від вітру до води. Чим сильніше дме вітер або чим довше він дме, тим більша кількість енергії отримає вода.

Отже, ми отримали уявлення про вітер, під впливом якого утворюються хвилі. Тепер подивимося, як з'являються самі хвилі, зокрема, великі хвилі, які нас найбільше цікавлять.

Простіше кажучи, щоб отримати великі хвилі, вітер повинен дути сильніше, довше і впливати на велику територію. Таким чином, первинними факторами, що зачіпають формування хвиль, є наступні:

1. швидкість вітру;
2. тривалість вітру;
3. сила, яка визначається площею області, на якій дме вітер.

Важливість сили вітру підтверджує той факт, що джерелом найбільших хвиль ніколи не є урагани, утворені найшвидшими вітрами. Великі хвилі породжуються штормовими системами, які дмуть на площах в сотні, а іноді і тисячі миль. Урагани генерують місцеві хвилі на невеликих за площею областях. Дійсно великі хвилі виникають через сильні шторми в Антарктичному океані або на Півночі Тихого океану.

Давайте подивимося, як формуються хвилі в відкритому морі. Метеорологічні умови такі, що протягом зими в Північній півкулі виникають великі області низького тиску, які викликають велику кількість вітру над великими областями океану. Як правило, ці погодні системи подорожують з північного заходу на південний схід, генеруючи хвилювання на поверхні океану. Такі зимові шторми можуть породжувати хвилі за тисячі миль від вашого пляжу. Однак, викликані цими штормами хвилі, скажімо, за 20-секунд можуть долати відстань в 30 вузлів (55,5 км). За добу така хвиля може пройти 720 миль (1160 км). Якщо грубо оцінити відстань між Північною частиною Тихого океану і Хантінгтон-Біч (Каліфорнія, США) в 3000 миль, то знову сформованим хвилях потрібно більш ніж чотири дні на те, щоб досягти берегів Каліфорнії. Найчастіше джерелом хвиль для найкращого серфінгу взимку є Північно-західне хвилювання.

А як щодо серфінгу влітку? Пам'ятайте великі хвилі, згадані вище? Нашим влітку [в США, прим. пер.] зимові шторми дозрівають в Південній півкулі (бо наше літо - це їх зима). Штормові системи, які подорожують з Південного Заходу на Північний Схід, несуть в собі величезну силу, оскільки вони впливають на набагато більшу за площею водну поверхню, ніж в Північній частині Тихого океану. Подивіться на світову карту. Більше 60% поверхні світового океану припадає на Південну півкулю. Велика протяжність водної поверхні в Південній частині Тихого океану дозволяє вітрі накопичувати велику силу і генерувати більше сильне хвилювання, ніж в Північній півкулі. Таким чином, хвилі, як правило, бувають більше, коли вони приходять з Півдня.

А як же урагани і тайфуни? Хіба вони не виробляють найбільші хвилі? Це зовсім не обов'язково. Хоча під час ураганів і тайфунів швидкість вітру може перевищувати 100 вузлів (185 км / год), енергія вітру, як правило, концентрується на набагато меншій області, ніж це буває в типовій погодної системі. Іншими словами, сила вітру в урагани і тайфуни менше. Незважаючи на те, що вітер в цих монстрів розвиває неймовірну швидкість, їх дія обмежена певними областями. Хвилі можуть бути великими в зоні шторму протягом обмеженого терміну, але сили вітру зазвичай буває недостатньо для генерації стійких великих хвиль.

Ще один аспект формування хвиль заслуговує на увагу. Вітер певної швидкості може генерувати хвилі тільки певного розміру. Після закінчення деякого часу впливу вітру хвилі вже не стають більше. В цьому випадку хвилювання вважається повністю сформованим; створюються максимально великі хвилі, які можуть бути створені при даній швидкості вітру. Сформувавшись, хвилі відправляються у вільну подорож так далеко, як це можливо, попутно змінюючись за рахунок впливу дна або зустрічаються на шляху перешкод типу островів або континентів.

Розвиток хвиль з моменту, коли вітер починає дути, і до моменту завершення формування хвилювання призводить до появи серії хвиль з різними періодами і швидкостями. Так як хвилі з більш довгими періодами мають тенденцію переміщатися швидше, ці хвилі вириваються вперед інших хвиль з тієї ж серії. Так з'являються "пули", тобто групи хвиль, що переміщаються по поверхні океану з однієї і тієї ж швидкістю. Очевидно, що ці хвилі розбиваються об берег одночасно, що й створює відоме явища сетів хвиль.

розбиваються хвилі

Зародившись у відкритому океані, хвилі проходять тисячі миль перш, ніж досягти берегів. Так що ж відбувається з хвилею, поки вона переміщається через океан, і чому хвилі розбиваються, коли вони досягають берега?

Щоб зрозуміти хвилі, важливо розуміти, що відбувається з частинками води, складовими хвилю, в процесі руху енергії через воду. Вода в хвилі в чистому вигляді не рухається вперед або назад - частинки води циркулюють по колу. Близько поверхні хвилі частинки рухаються по більшим орбітах, ніж частки в глибині водного стовпа. На деяких глибинах частки не рухаються взагалі. Ця глибина називається глибиною знерухомлення.

Причини того, як і чому це відбувається, доступні розумінню вчених-океанологів. Нам же досить знати, що знерухомлення хвилі настає, коли відстань від поверхні моря до дна дорівнює половині довжини хвилі. Це означає, що переміщення відбувається безперешкодно, якщо вода, має глибину більшу, ніж половина довжини хвилі. Але якщо хвиля входить в зону, де глибина менше цієї відстані, говорять про те, що хвиля "відчуває дно", тобто виникає тертя об дно, яке призводить до двох фундаментальних змін в структурі хвилі.

"Почуття дна" змушує енергію хвилі, яка до цього була розподілена рівномірно, стискатися і шукати вихід. Вибираючи шлях найменшого опору, хвиля росте вгору, змушуючи рости в висоту гребінь хвилі. Це - одне з двох змін, що відбуваються з хвилею, котра відчула дно.

Друга зміна полягає в тому, що хвиля починає сповільнюватися. А оскільки підстава хвилі відчуває дно першим, то і сповільнюватися воно починає раніше. Частинки води на дні хвилі більше не можуть завершити рух по своїх орбітах - орбіти набувають еліптичну форму і витягуються в довжину.

В результате ціх трансформацій гребінь Хвилі загострюється, а сама хвиля одночасно максимально вітягується вгору. В кінцевому Рахунку, хвиля становится настолько скроню, что больше не может зберігаті форму. Частинки на гребені рухаються за своими вітягнутіх еліптічніх орбітах швидше, чем Частки в підставі Хвилі. Хвиля нахіляється вперед и обрушується. Так, в результаті подорожі в тисячі миль хвиля зустрічається з берегом, на який і виливає свою енергію. Якщо їй пощастить, то підсумком її нетривалого життя в 5-6 днів стане 2-3 секундне розбивання об берег, яке, можливо, залишиться в пам'яті якого-небудь удачливого серфера.

Є багато видів розбиваються хвиль. На Східному узбережжі США більшість хвиль досить м'які і розбиваються об берег з невеликою силою. Повної їх протилежністю є хвилі, що досягають таких місць як Пайплайн (Pipeline) або Оаху (Oahu) на Гаваях, де формування чудових труб - звичайне явище. У чому причини таких розходжень у формах і розмірах хвиль на різних берегах?

Причиною всьому - характер океанічного дна. Якщо дно пологе, то хвиля в процесі довгої подорожі до берега втратить більшу частину своєї енергії, і сила тертя при наближенні до берега буде невеликою. Хвилі, що пройшли великі відстані по пологому дну, сповільнюються перш, ніж розбитися. З іншого боку, якщо дно підвищується дуже різко, то хвиля відчуває його буквально в останню секунду, не встигаючи сповільнитися, і вдаряється об берег на великій швидкості. При цьому вся енергія хвилі спрямовується вгору і вперед в одному великому ривку, утворюючи ВЕЛИКІ хвилі, які ми можемо спостерігати, наприклад в Щелепах (Jaws) і Маверікс (Mavericks).

Характер заломлення хвиль говорить нам про те, що хвилі приймають форму дна. Як тільки хвиля починає відчувати дно, вона починає слідувати його контурам, викривляючись відповідно до форми дна.

Тепер, коли ви знаєте, що на вигин хвиль впливає форма дна, подумайте про те, де хвилі розбиваються раніше. Звичайно, в першу чергу це відбувається на більш мілкій воді. Прийшовши на пляж, поспостерігайте за хвилями. Ви побачите, що не всі вони розбиваються в одному і тому ж місці. Справа в тому, що в одних місцях вода глибше, ніж в інших. Будь-який професійний рятувальник без праці вкаже вам на піщані мілини, на розриви в мілинах, на поглиблення і піднесення в морському дні, які є на його території. Досвідчений серфер теж зможе дещо розповісти про форму дна, подивившись на те, як розбиваються хвилі.

На завершення статті пропонуємо вам кілька запитань для роздумів. Що відбувається, якщо хвилі наближаються до берега під кутом? Як впливають підводні каньйони на характер прибою? Як день за днем ​​може змінюватися форма дна?

Спробуйте поспостерігати за хвилями і відповісти на ці питання, коли опинитеся на пляжі.

джерело: www.crazy-surfclub.ru

Сподобалося? Розкажи про це своїм друзям:

Коментарі: