Valuri de vânt. Informații generale din teoria valurilor vântului, o scară de puncte pentru evaluarea gradului valurilor mării
Undele vântului sunt gravitaționale, deoarece vântul este forța care, atunci când acționează asupra suprafeței apei, scoate lichidul dintr-o stare de echilibru, iar forța gravitației îl obligă să revină la starea inițială. Datorită inerției, mișcarea are loc sub forma unor oscilații succesive ale particulelor de apă, care, la o adâncime suficient de mare, se deplasează pe orbite circulare și conferă aceeași mișcare straturilor subiacente, slăbind pe măsură ce se îndepărtează de suprafața apei. De aici rezultă că perturbările se estompează rapid odată cu adâncimea.
Dacă adâncimea rezervorului este limitată, atunci frecarea de pe fund afectează forma orbitelor: cu adâncimea, scăzând în valori absolute, acestea devin din ce în ce mai alungite și iau forma unei elipse, iar în stratul natural particulele se mișcă numai în direcția orizontală. Partea vizibilă a undei se mișcă în spațiu sub formă de mișcare de translație a undelor. Pe baza aspectului formei de undă, undele sunt împărțite în bidimensionale și tridimensionale. De regulă, valurile bidimensionale apar în apele deschise ale mărilor și oceanelor după sfârșitul vântului. Pe corpurile de apă din interior, undele de vânt de formă regulată nu sunt aproape niciodată întâlnite, deoarece influența chiar și a unui vânt constant în direcție și viteză are loc sub forma unor impulsuri inegale transmise masei de apă. Variabilitatea direcției vântului poate provoca prezența mai multor sisteme de valuri într-un rezervor în același timp, atunci când sunt suprapuse unul peste altul, se creează o imagine complexă a valurilor tridimensionale ale vântului, crestele valurilor, care nu creează o linie frontală obișnuită, dar sunt situate într-un model de tablă de șah convențional. Forma și dimensiunea valurilor sunt determinate de elementele lor. Pentru claritate, să luăm în considerare oscilațiile undei într-un punct fix într-un rezervor atunci când undele trec prin acesta, precum și un profil de undă - o secțiune a unei suprafețe rugoase la un moment fix în timp de un plan vertical în direcția principală a undei. propagare. (A se vedea figura 2.1)
Pe baza gradului de dezvoltare a valurilor vântului, se face o distincție între valurile în creștere, stabile și cele care se estompează. Un semn caracteristic al valurilor în creștere este că mărimea valurilor nu a atins încă valorile pe care ar trebui să le aibă în cazul expunerii prelungite la vânt de o direcție și viteză date. Valurile constante se caracterizează prin faptul că creșterea valurilor se oprește, în ciuda unei creșteri suplimentare a vitezei vântului. Oamenii de știință presupun că acest fenomen are loc atunci când raportul dintre viteza de propagare a valurilor și vânt este egal cu 0,8, deoarece în acest caz cantitatea de energie transmisă de vânt va fi egală cu disiparea acestuia, în plus, cantitatea de energie transmisă. de vânt va scădea datorită creşterii mişcării de translaţie a valurilor. Valurile în descompunere sunt prezente atunci când vântul se estompează și masa de apă nu a atins încă echilibrul. Înălțimea valurilor în timpul valurilor în descompunere este de obicei mai mică decât în timpul valurilor constante și dispar treptat. Mărimea valurilor de vânt depinde de o serie de factori, dintre care principalii sunt: durata acțiunii și viteza vântului, lungimea accelerației - distanța de la malul sub subsol până la punctul calculat, adâncimea rezervorului și conturul. a liniei de coastă. În apele interioare, influența acestor factori se manifestă diferit decât în apele deschise ale mărilor și oceanelor, unde rolul principal în dezvoltarea valurilor este jucat de vânt, a cărui viteză și direcție variază în zona apei, deoarece accelerația. ajunge la sute și chiar mii de kilometri. Și numai în apropierea coastei în ape puțin adânci adâncimile și contururile țărmurilor afectează valurile. Pe corpurile de apă interioară și pe zonele lor de apă relativ mici, direcția și viteza vântului pot fi adesea considerate constante pe suprafața apei și determinate din datele de observație de la stațiile meteorologice de coastă. Dimensiunea limitată a suprafețelor de apă este, de asemenea, motivul pentru care pe lacuri și lacuri vântul dezvoltă valuri la starea de echilibru într-un timp scurt, iar valurile ating dezvoltarea lor maximă în câteva ore de la debutul vântului cu viteză constantă. Cu vânt constant, caracteristicile statistice ale valurilor nu se schimbă în timp. Granițele clare ale tulburărilor stabilite nu sunt definite cu precizie și diferiți oameni de știință le evaluează diferit. Principala caracteristică a valurilor de vânt pe apele interioare este independența sa practică față de durata vântului. Ondularea se estompează destul de repede odată cu vântul, așa că practic nu există umflături pe apele interioare.
Toate rezervoarele sau secțiunile lor, în funcție de condițiile influenței adâncimii asupra valurilor, sunt împărțite în ape adânci - cu adâncimi mai mari de jumătate din lungimea de undă (H>), apă puțin adâncă - cu adâncimi mai mici de jumătate din lungimea de undă și o pantă de fund mai mică de 0,001 (H≤,i≤0,001) și mixtă, în care condițiile de formare a valurilor atât în apă adâncă, cât și în cea mică adâncime au loc de-a lungul accelerației, iar pantele de fund iau valori mai mari și mai mici de 0,001. Conceptele de rezervoare „de apă mică și adâncă” sunt destul de relative: aceeași zonă de apă poate fi atât adâncă, cât și puțin adâncă, în funcție de parametrii valurilor. În cele mai multe cazuri, în rezervoare, datorită topografiei fundului complex de-a lungul căii de accelerație, adâncimea joacă un rol decisiv în procesele de formare a undelor. Și calculul adâncimii trebuie luat în considerare cu atenție atunci când se calculează valurile vântului. Influența cantitativă a adâncimii asupra formării unui val de vânt este evaluată în diferite moduri: unii cercetători propun să ia în considerare adâncimea la punctul de calcul, alții - adâncimea medie pe profilul de accelerație, iar alții - modificarea adâncimii. de-a lungul profilului de calcul de la secțiune la secțiune (metoda pasului). Adâncimile joacă un rol semnificativ în formarea valurilor în rezervoare și lacuri mici. Este strâns legat de caracteristicile morfometrice ale rezervoarelor, modul lor de funcționare și regimul de nivel. De exemplu, pe lacul de acumulare Rybinsk, care este un interfluviu inundat cu adâncimi de 7-9 m, luând în considerare adâncimea este absolut necesară, deoarece în cazul unei reduceri de navigație a rezervorului cu 2 m (nu se umple rezervorul până la nivelul normal de reținere - NPU), adâncimea poate limita semnificativ creșterea valurilor pe întreaga zonă de apă. Situația opusă este în rezervoarele cu baraje de înaltă presiune (Bratskoe, Krasnoyarsk) adâncimea nu are practic niciun efect asupra formării valurilor, deoarece la adâncimi de la 20 la 100 m la baraj aceste rezervoare pot fi clasificate ca ape adânci. „Lacurile de acumulare mixte” (rezervoare Kuibyshevskoye, Tsimlyanskoye) se caracterizează printr-o influență mai semnificativă a adâncimii asupra înălțimii valurilor în secțiunile superioare decât în partea barajului, care este aproape în condiții de apă adâncă. Influența limitantă a adâncimii în secțiunile superioare este vizibilă mai ales în condițiile dezafectării verii a rezervoarelor de reglare sezonieră și pe termen lung. Și, de asemenea, atunci când rezervoarele de reglare pe termen lung nu sunt umplute la NPL. Pe rezervoarele mari plate, când nivelurile fluctuează în perioada fără gheață de 2-3 m, aria zonei apei, accelerația valurilor și adâncimea se modifică semnificativ. În acest sens, atunci când se calculează valurile vântului, este necesar să se țină cont de fluctuațiile de nivel în perioada fără gheață. Efectul adâncimii asupra valurilor vântului în corpurile de apă interioare închise se exprimă și în limitarea dezvoltării înălțimii valurilor, când, în condițiile accelerației și vitezei vântului, valurile ar putea crește. În astfel de cazuri, ar trebui să vorbim despre accelerația curentă sau maximă în condiții de vânt date, o creștere ulterioară în care nu mai presupune dezvoltarea valurilor. La viteza maximă a vântului pentru corpurile de apă interioară (20 – 25 m/s), accelerația efectivă este de aproximativ 100 km. Fâșia de coastă a rezervoarelor de apă mică și adâncă este împărțită în patru zone, în care condițiile de formare a valurilor și natura valurilor au propriile lor caracteristici specifice.
Figura 2.1 Profilul și elementele undei
λ este lungimea medie de undă în apele adânci, h este înălțimea medie a valului care ar putea fi observată în apă adâncă, h 1 este înălțimea medie a valului care ar putea fi observată în orice punct din a doua zonă, cu condiția ca H să fie adâncimea apei la limita dintre prima și a doua zonă (trecerea de la panta i≤0,001 la pante i>0,001).
Prima zonă este de apă adâncă (dacă rezervorul este de apă adâncă) sau de apă mică (dacă rezervorul este de mică adâncime).
A doua zonă este zona de transformare a undelor care se propagă din prima zonă către țărm în direcția adâncimii descrescătoare. În rezervoarele de adâncime, aceasta include fâșia de coastă de apă cu adâncimea H cr
A treia zonă este zona de surf, cu adâncimi H arr. A patra zonă este zona de avansare, în apropierea marginii, la granița căreia, la Н arr = 0,65 N cr, are loc distrugerea finală a tuturor valurilor și formarea unui debit - un flux de apă pe apă. malul. Pe rezervoarele interioare cu o topografie de fund complexă din cauza condițiilor de formare a valurilor, a doua și a treia zonă pot ocupa nu numai fâșia de coastă, ci și pot fi situate în zone puțin adânci ale rezervorului îndepărtate de țărm. Factorii importanți care determină valurile vântului pe corpurile de apă interioară sunt configurația acestora, accidentarea liniei de coastă și prezența obstacolelor (capuri, insule) în calea de accelerație. Astfel, datorită unui număr de caracteristici enumerate ale formării valurilor, valurile vântului de pe corpurile de apă interioară sunt complexe, tridimensionale, iar datorită adâncimii limitate, abruptul valurilor este mult mai mare decât a valurilor mării. În acest sens, metodele teoretice de calcul al elementelor valurilor, dezvoltate pentru condiții marine, se dovedesc a fi nepotrivite pentru corpurile de apă interioară. În prezent, s-au dezvoltat pe scară largă metode empirice de calcul al elementelor de undă, precum și cele semiempirice, bazate pe utilizarea ecuației de bilanț al energiei valurilor folosind coeficienți empilici. Cele mai promițătoare sunt metodele spectrale de calcul al elementelor valurilor vântului. Studiul tiparelor valurilor vântului este interesant nu numai din punctul de vedere al științei fundamentale, ci și din punct de vedere al nevoilor practice, cum ar fi navigația, construcția de structuri hidraulice, complexe portuare, calculul echipamentelor tehnice pentru zăcămintele de petrol și gaze de pe raftul. Aproximativ 80% din rezervele dovedite de petrol și gaze sunt concentrate pe fundul oceanelor și mărilor, iar construcția de platforme offshore și forajele offshore necesită date fiabile despre regimul valurilor eoliene. Cunoașterea dimensiunilor maxime ale valurilor din diferite ape ale Oceanului Mondial este, de asemenea, necesară pentru a asigura siguranța navigației în aceste locuri. Valurile vântului sunt un fenomen care se manifestă la suprafața oricărui corp de apă. Amploarea acestui fenomen va fi diferită pentru diferite corpuri de apă. Leonardo da Vinci a scris odată: „... un val aleargă de la locul său de origine, dar apa nu se mișcă de la locul său. La fel ca valurile formate în câmpuri în luna mai de curentul vântului, valurile par să curgă peste câmp, în timp ce câmpurile nu se mișcă de la locul lor.” Această caracteristică a valurilor de vânt 194_______________________ Capitolul 10 Valuri în ocean_________________________
are o semnificație practică enormă: dacă împreună cu forma, adică valul, masa, adică apa, s-au deplasat și ele, atunci nici o navă nu s-ar putea mișca împotriva valurilor. Valurile vântului sunt de obicei împărțite în trei tipuri: Valuri de vânt care sunt direct sub Valuri de umflare care apar după ce vântul se oprește Valuri mixte atunci când valurile vântului sunt suprapuse valurilor de swell Deoarece vânturile de peste oceane și mări, în special la latitudinile temperate, variază ca viteză și direcție, valurile vântului sunt eterogene din punct de vedere spațial și variază semnificativ în timp. În același timp, câmpurile de valuri sunt și mai eterogene decât câmpurile de vânt, deoarece valurile pot ajunge într-una sau alta regiune simultan din zone de origine diferite (locate diferit). Dacă te uiți cu atenție la suprafața aspră a mării, poți ajunge la concluzia că valurile se înlocuiesc între ele fără niciun model vizibil - un val mare poate fi urmat de unul și mai mare, sau poate unul foarte mic; uneori sosesc mai multe valuri mari la rând, iar alteori între valuri există o secțiune de suprafață aproape calmă. Marea variabilitate a configurației suprafeței mării agitate, mai ales în cazul valurilor mixte (și aceasta este cea mai frecventă situație), a dat naștere celebrului fizician englez Lord Thomson să declare că „... legea fundamentală a vântului valuri este absența aparentă a oricărei legi.” Și, într-adevăr, până acum nu putem prezice cu certitudine succesiunea de alternanță a valurilor individuale chiar și după oricare dintre caracteristicile, de exemplu, înălțimea, ca să nu mai vorbim de alte caracteristici, precum forma crestelor și jgheaburilor etc. Când se adaugă două oscilații armonice, ale căror frecvențe sunt destul de apropiate, are loc o oscilație nearmonică, numită bătaie, care se caracterizează printr-o modificare periodică a intensității cu o frecvență egală cu diferența dintre oscilațiile care interacționează (Fig. 10). 2). Ceva similar se observă în valurile vântului. Deoarece undele vin în orice zonă din zone diferite și frecvențele lor pot fi Ch. 10. Valuri în ocean 197 Regiunea de sud-est a coastei africane este faimoasă - aici sunt vânturi puternice care dispersează valuri mari, umflături care vin dinspre sud și Curentul de Nord - toate acestea creează condiții neobișnuit de dificile pentru înot. Bartolomeo Dias, a cărui expediție a fost deja menționată, a rezistat valuri puternice în această zonă a oceanului timp de două săptămâni și, potrivit legendei, și-a vândut sufletul diavolului pentru a trece pe lângă acest loc. Atunci a fost ajutat. Dias a trecut pe lângă acest loc, numit Capul Furtunilor, dar doi ani mai târziu a murit acolo. Regele portughez Ioana al II-lea a redenumit Capul Furtunilor în Capul Bunei Speranțe, deoarece oferă speranța de a ajunge în India pe mare. Cu această pelerină este asociată originea legendei „Olandezului zburător”. Aici se observă undele unice necinstite, formate ca urmare a interacțiunii undelor și curenților. Aceste valuri reprezintă o umflare abruptă a apei, au o pantă frontală foarte abruptă și un jgheab destul de plat. Înălțimea lor poate depăși 15-20 m și apar adesea în mări relativ calme. Valurile din această zonă reprezintă, de asemenea, un pericol grav pentru navele moderne. Valurile din uraganele tropicale și taifunurile reprezintă, de asemenea, un mare pericol. Știința valurilor a apărut și s-a dezvoltat ca una dintre ramurile hidrodinamicii clasice până în anii 50 ai secolului XX. practic nu a început să descrie valuri atât de complexe ca valuri de vânt pe suprafața rezervoarelor. Gradul de excitare a fost evaluat în principal utilizând scala Beaufort prin ochi (Tabelul 10.3). La începutul secolului al XX-lea. odată cu trecerea de la o flotă cu vele la una cu abur, numărul accidentelor și pierderile de nave a scăzut oarecum (de la 250-300 de nave pe an la ~150), iar la determinarea siguranței navigației a apărut o subestimare a forțelor naturale. Printre constructorii de nave de la începutul secolului al XX-lea. Exista o părere că „forțele elementelor se predau înaintea unor nave noi și puternice”. Această părere a costat viețile multor marinari. Valurile mării sunt un fenomen natural destul de formidabil, iar natura nu tolerează disprețul și adesea se răzbună pe oameni, inițiind astfel dorința oamenilor de a-și înțelege mai bine și mai profund legile. În tabel Figura 10.4 arată numărul de nave pierdute din cauza furtunilor și a altor condiții hidrometeorologice nefavorabile, asociate în principal cu marea grea, pentru perioada 1975-1979. Acest eșantion se aplică doar navelor comerciale relativ mari (peste 500 de tone înregistrate). Numărul de accidente pe nave mai mici în aceeași perioadă este determinat de un număr de patru cifre. A devenit clar că Ch. 10. Valuri în ocean 199 Pentru măsurarea undelor, se folosesc de obicei aparate de înregistrare a undelor accelerometrice bazate pe principiul sondei acustice și înregistratoare hidrostatice de unde. Graficele de undă măsoară de obicei înălțimea medie și maximă a undelor, perioada și lungimea medie a undei și spectrul de frecvență al undei. Într-un înregistrator de unde accelerometru, elementele de undă sunt determinate prin integrarea dublă a semnalului primit de la senzorul accelerometrului. Cele mai comune wavegraphs străine sunt proiectate exact conform acestui principiu. Principiul de funcționare al înregistratoarelor hidrostatice de unde se bazează pe legătura dintre oscilațiile hidrostatice la o anumită adâncime și caracteristicile oscilațiilor suprafeței undei. Ecolocația este utilizată la sondarea valorilor instantanee ale cotei suprafeței apei de la o geamandura plutitoare sau ancorată (sonda directă). Graficele de undă, al căror principiu de funcționare se bazează pe ecolocație inversă, sondează interfața apă-aer de sub apă. Radarele cu deschidere sintetică și altimetrele instalate pe sateliți fac posibilă măsurarea principalelor caracteristici ale valurilor vântului. Metodele de teledetecție fac posibilă obținerea de caracteristici ale valurilor vântului pe suprafețe mari. Pe baza unor astfel de măsurători, sunt create atlasuri moderne ale valurilor vântului. Vizualizările datelor despre val pot fi obținute de pe serverul http://www.waveclimate.com. După cum a arătat istoria dezvoltării cunoștințelor noastre fundamentale despre valuri, este necesară o strânsă legătură între cercetarea teoretică, experimentală și de teren. Vântul este cel mai important parametru de care depind caracteristicile geometrice ale valurilor. Cu toate acestea, cu un vânt constant și destul de continuu, caracteristicile medii ale valurilor cresc pe calea propagării lor în timp ce sunt sub influența vântului. Această cale se numește lungimea accelerației vântului, sau pur și simplu accelerație. Dificultățile de a observa valurile mării și de a le înregistra în condiții naturale i-au forțat pe oamenii de știință să apeleze la modelarea în laborator a valurilor vântului. La începutul studiului valurilor mării, modelarea de laborator a fost aproape singura sursă de caracteristici cantitative ale valurilor. Cu toate acestea, această sursă s-a dovedit a fi foarte limitată - și iată de ce. Principala dificultate în simularea de laborator a undelor este de a asigura o accelerare a valurilor suficient de mare, adică trebuie să aveți tăvi lungi. Parametrii medii ai undelor se modifică de obicei în timp și în 208_______________________ Ch. 10. Valuri în ocean______________________________
în acest caz, fiecare componentă spectrală atinge un maxim, apoi scade la minim, iar în final atinge o valoare de echilibru. Acest efect se numește efect de exces. A fost identificat prin măsurători în condiții de teren și de laborator. Partea principală a spectrului se formează datorită dezvoltării exponențiale a componentelor sale și a mecanismului de redistribuire neliniară a energiei între componentele spectrale. Ecuația bilanţului energiei eoliene este discutată în detaliu în monografii. Cel mai faimos și studiat tip de valuri lungi sunt mareele. Mareele sunt cauzate de forțele gravitaționale (de formare a mareelor) ale Lunii și Soarelui. În oceane și mări, mareele se manifestă sub forma unor fluctuații periodice ale nivelurilor de suprafață a apei și ale curenților. Mișcările mareelor există și în atmosferă, iar deformațiile mareelor există în Pământul solid, dar aici sunt mai puțin pronunțate decât în ocean. În zonele de coastă, magnitudinea fluctuațiilor de nivel ajunge la 5-10 m. Valorile maxime ale fluctuațiilor de nivel sunt atinse în Golful Fundy (Canada) - 18 m în largul coastei Rusiei, cea mai mare maree este observată în Penzhinskaya Golf - 12,9 m Viteza curenților de maree în zona de coastă ajunge la 15 km/h. În oceanul deschis, fluctuațiile nivelului și vitezei curenților sunt mult mai mici. Forța de maree a Lunii este de aproximativ două ori mai mare decât cea a Soarelui. Componentele verticale ale forței mareelor sunt mult mai mici decât forța gravitațională, deci efectul lor este neglijabil. Dar componenta orizontală a forței mareelor provoacă mișcări semnificative ale particulelor de apă, care se manifestă sub formă de maree. Acțiunea combinată a Lunii și a Soarelui duce la formarea unor forme complexe de fluctuații de nivel. Se disting următoarele tipuri principale de maree: semidiurnă, diurnă, mixtă, anormală. Într-o maree semidiurnă, perioada de oscilație a suprafeței apei este egală cu o jumătate de zi lunară. Amplitudinea mareei semidiurne variază în funcție de fazele Lunii. Marea semi-diurnă este cea mai comună în oceanele lumii. Perioada de fluctuații de nivel în mareea zilnică este egală cu o zi lunară. Amplitudinea mareei zilnice depinde de declinarea Lunii. Mareale mixte sunt împărțite în semidiurne neregulate și diurne neregulate. Maree anormale Ch. 10. Valuri în ocean 209 Au mai multe soiuri, dar toate sunt destul de rare în Oceanul Mondial. Pentru practica maritimă, prognoza (sau precalcularea) nivelurilor mareelor este de mare importanță. Predicția mareelor se bazează pe analiza armonică a datelor observaționale privind fluctuațiile de nivel. După identificarea principalelor componente armonice pe baza datelor observaționale, se calculează nivelul în viitor. Cea mai completă expansiune armonică a potențialului mareelor, realizată de A. Dudson, conține mai mult de 750 de componente. Metodele pentru prezicerea mareelor sunt discutate în detaliu în. Prima teorie a mareelor a fost dezvoltată de I. Newton și se numește statică. În teoria statică, se consideră că oceanul acoperă întregul Pământ, care este considerat nedeformabil, apa este considerată neviscidă și inerțială. Cu un ocean care acoperă întregul Pământ, marea statică este descrisă într-un factor constant de potențialul mareelor. Suprafața apei oceanului este descrisă de așa-numitul „elipsoid mareelor”, a cărui axă majoră este îndreptată spre corpul perturbator (Luna, Soare) și îl urmează. Pământul se rotește în jurul axei sale și în interiorul acestui „elipsoid de maree”. Teoria statică, în ciuda slăbiciunii ipotezelor sale de bază, descrie corect proprietățile de bază ale mareelor. O teorie dinamică mai avansată a mareelor, care ia în considerare deja mișcarea valurilor în ocean, a fost construită de Laplace. În teoria dinamică, ecuațiile de mișcare și ecuația de continuitate sunt scrise sub forma ecuațiilor de maree ale lui Laplace. Ecuațiile de maree ale lui Laplace sunt ecuații diferențiale parțiale scrise într-un sistem de coordonate sferic, astfel încât soluția lor analitică poate fi obținută numai pentru cazuri ideale, de exemplu, un canal îngust și adânc care înconjoară întregul Pământ (așa-numita teorie a mareelor). Pentru zone mici de apă, ecuațiile de maree ale lui Laplace pot fi scrise într-un sistem de coordonate carteziene. Rezultatele calculelor mareelor din Oceanul Mondial sunt prezentate sub formă de hărți speciale, pe care este reprezentată poziția crestei valului de maree în diferite momente (de obicei lunare). Hărțile moderne ale mareelor sunt construite folosind metode numerice luând în considerare datele observaționale. 210 Ch. 10 valuri în ocean Teoria undelor lungi se bazează pe presupunerea că adâncimea lichidului N mic în comparație cu lungimea de undă A, adică A ^> N. Teoria undelor lungi descrie fenomenele mareelor, valurile de tsunami și valurile și valuri de vânt care se propagă în ape puțin adânci. Valurile lungi includ, de asemenea, valuri de inundații și valuri de bor, care sunt observate pe rezervoare și râuri. amplitudinea undei lungi O mult mai mică decât lungimea lor Și atunci descrierea poate fi efectuată folosind teoria liniară. Dacă aceste condiții nu sunt îndeplinite, atunci este necesar să se ia în considerare efectele neliniare. Tsunami tradus literal din japoneză înseamnă „val mare în port”. Tsunami-urile sunt de obicei înțelese ca valuri gravitaționale care apar în mare ca urmare a unor perturbări la scară mare, pe termen scurt (cutremure subacvatice, erupție de vulcani subacvatici, alunecări de teren subacvatice, meteoriți căzuți în apă, fragmente de rocă, explozii în apă). , schimbări bruște ale condițiilor meteorologice etc.). Durata de timp caracteristică a unui val de tsunami este de 10-100 de minute; lungime - 10-1000 km; viteza de propagare L™Am,m ..^^h^ t^g,l,„„ pe baza aproximării undelor lungi accelerația gravitației, eu sunt adâncimea În ceea ce privește numărul de decese pe an ca urmare a dezastrelor naturale de pe Pământ, tsunami-ul ocupă locul 5 după inundații, taifunuri, cutremure și secetă. Distribuția tsunami-urilor în regiuni este caracterizată de o puternică eterogenitate, majoritatea tsunami-urilor au loc în mările Oceanului Pacific. Distribuția tsunami-urilor în oceane și mări este caracterizată după cum urmează: Oceanul Pacific (periferia sa) 75% i Oceanul Atlantic 9% Oceanul Indian 3% Marea Mediterană 12% alte mari 1% Pentru a ne face o idee despre tsunami, prezentăm în tabel caracteristicile celor mai mari tsunami pe o perioadă de o sută de ani (1880-1980). 10 6. Pentru a clasifica tsunami-urile, academicianul S.L Soloviev a propus o scară semi-cantitativă (pe baza analizei tsunami-urilor istorice), care se bazează pe înălțimea creșterii nivelului. Tsunami catastrofale(intensitate 4). Ridicarea medie a nivelului pe o porțiune a coastei de 400 km lungime (sau mai mult) ajunge la 8 m. În unele locuri, valurile sunt de 20-30 m. Toate structurile de pe coastă sunt distruse. Astfel de tsunami apar de-a lungul întregii coaste Pacificului. Tsunami foarte puternic(intensitate 3). Pe o coastă lungă de 200-400 km, apa se ridică cu 4-8 m, în unele locuri până la 11 m. Astfel de tsunami sunt observate în cea mai mare parte a Oceanului Mondial. Tsunami puternic(intensitate 2). Pe o coastă lungă de 80-200 km, creșterea medie a nivelului apei este de 2-4 m, pe alocuri de 3-6 m. Tsunami moderate(intensitate 1). Pe o porțiune de 70-80 km apa urcă cu 1-2 m. Tsunami slabe(intensitate 0). Ridicarea nivelului este mai mică de 1 m. 212 Ch. 10 valuri în ocean Alte tsunami au intensități de la -1 la -5. Cu cât tsunami-ul este mai puternic, cu atât apar mai rar. Tsunami cu intensitate 4 au loc o dată la 10 ani, iar în Oceanul Pacific; intensitate 3 - o dată la 3 ani; intensitate 2 - 1 dată la 2 ani; intensitate 1 - 1 dată pe an; intensitate de 0 - 4 ori pe an. Principalele cauze ale tsunami-urilor: cutremure, explozii ale insulelor vulcanice și erupția vulcanilor subacvatici, alunecări de teren și alunecări de teren. Să luăm în considerare pe scurt aceste motive separat. Aproximativ 85% dintre tsunami sunt cauzate de cutremure subacvatice. Acest lucru se datorează seismicității multor zone oceanice. În medie, 100.000 de cutremure au loc anual, dintre care 100 sunt catastrofale. În medie, o dată la 10 ani, un cutremur provoacă un tsunami în Oceanul Pacific cu o înălțime medie de până la 8 m (în unele puncte până la 20-30 m) (intensitate 4). Un tsunami cu o înălțime de 4-8 m (de origine seismică) are loc o dată la 3 ani, cu o înălțime de 2-4 m - anual. În Orientul Îndepărtat (RF), 3-4 tsunami cu o înălțime de peste 2 m au loc în 10 ani. Cel mai tragic tsunami din Rusia a avut loc la 4 noiembrie 1952 în Severo-Kurilsk. Orașul a fost aproape complet distrus. Un cutremur a început noaptea, la aproximativ 40 de minute după încheierea acestuia, un puț de apă a căzut asupra orașului, care s-a retras după câteva minute. Fundul mării a fost expus câteva sute de metri, dar după aproximativ 20 de minute un val de peste 10 m înălțime a lovit orașul, distrugând aproape totul în cale. După ce s-a reflectat de pe dealurile din jurul orașului, valul s-a rostogolit în ținutul șes unde se aflase anterior centrul orașului și a finalizat distrugerea. Tsunami-ul i-a luat prin surprindere pe locuitorii orașului. Există două zone de focare de cutremur pe Pământ. Unul este situat în direcția meridională și se întinde de-a lungul țărmurilor estice și vestice ale Oceanului Pacific. Această zonă produce cea mai mare parte a tsunami-ului (până la 80%). A doua zonă a surselor de cutremur ocupă o poziție latitudinală - Apenini, Alpi, Carpați, Caucaz, Tien Shan. În această zonă, tsunami-urile au loc pe țărmurile Mării Mediterane, Adriatice, Arabiei, Mării Negre și în partea de nord a Oceanului Indian. Mai puțin de 20% din toate tsunami-urile au loc în această zonă. Mecanismul de generare a tsunami-ului în timpul cutremurelor este următorul. Motivul principal este schimbarea rapidă a topografiei fundului mării Ch. 10 valuri în ocean 213 (alunecare), provocând abateri ale suprafeței oceanului de la poziția sa de echilibru. Datorită compresibilității scăzute a apei, în zona de mișcare are loc o coborâre sau o creștere rapidă a unei mase semnificative de apă. Perturbațiile rezultate se propagă sub formă de unde gravitaționale lungi. Intensitatea și magnitudinea sunt folosite pentru a descrie cutremurele cantitativ. Intensitatea este evaluată în puncte (scala MSK-64 de 12 puncte). (În Japonia, există o scară de 7 puncte.) Punct - o unitate de măsură a solului sau a scuturarii solului. Principala caracteristică care determină intensitatea este reacția solurilor la undele seismice. Energia unui cutremur este determinată de magnitudinea acestuia M. Cea mai importantă sarcină în prognozarea tsunami-urilor de origine seismică este stabilirea semnelor de tsunamigenitate a cutremurelor. Acum se crede că dacă magnitudinea cutremurului depășește o anumită valoare de prag Mn, sursa este situată sub fundul mării, atunci cutremurul va fi tsunamigen. Pentru Japonia, au fost propuse formule empirice care leagă magnitudinea cutremurelor tsunamigenice și adâncimea sursei. N(în kilometri): Nu mai mult de 0,1 din energia eliberată în timpul unui cutremur este convertită în energie de tsunami. În urma analizei datelor din teren, au fost stabilite următoarele proprietăți ale sursei cutremurelor tsunamigenice. Energia se propagă în principal de-a lungul axei normale spre axa principală a sursei. Gradul de direcționalitate depinde de alungirea leziunii. Sursele de tsunami mari, de regulă, sunt foarte alungite. Axele lor sunt orientate paralel cu cea mai apropiată coastă, depresiune sau arc insular, astfel că principala sursă de energie este îndreptată spre mare. Raportul dintre amplitudinea undei de-a lungul falii și amplitudinea undei în direcția perpendiculară pe falie este de aproximativ 1/10-1/15. Măsurătorile individuale confirmă acest lucru, de exemplu, tsunami-ul provocat de cutremurul din Alaska din 1964, ale cărui valuri au fost înregistrate la mai multe stații seismice din Oceanul Pacific. Acest lucru a făcut posibilă construirea unui model de radiație tsunami destul de detaliat. Cutremurele subacvatice nu numai că provoacă valuri de tsunami, ele sunt capabile să provoace perturbări puternice în stratul de apă din regiunea epicentrală, care se poate manifesta ca o creștere bruscă a schimburilor verticale în ocean. Vertical 214 Capitolul 10 Valuri în ocean Schimbul duce la transformarea câmpurilor de temperatură, salinitate și culoare ale oceanului. Eliberarea apei adânci la suprafață va duce la formarea unei anomalii larg răspândite de temperatură la suprafața oceanului. Îndepărtarea nutrienților în stratul de suprafață, care este de obicei epuizat de aceste substanțe, duce la o creștere a concentrației de fitoplancton. Întrucât fitoplanctonul este veriga primară în lanțul trofic și determină bioproductivitatea apelor, sunt posibile fenomene precum migrația peștilor, animalelor marine etc. Direct deasupra regiunii epicentrale se observă perturbări puternice ale stratului de apă, manifestate în apa clocotită, emisiile de coloane de apă și formarea de unde stătătoare abrupte cu o amplitudine de până la 10 m. În rândul marinarilor, acest fenomen este cunoscut sub numele de cutremur. O analiză a temperaturii suprafeței oceanului prin satelit și a datelor seismice a relevat o scădere a temperaturii suprafeței oceanului și o creștere a concentrațiilor de clorofilă a care au urmat unei serii de cutremure mari subacvatice în largul insulei Sulawesi (Indonezia, 2000). O serie de experimente de laborator au permis să se stabilească că fluctuațiile din fundul bazinului pot duce la generarea de fluxuri verticale care pot distruge stratificarea stabilă existentă și pot duce la eliberarea la suprafață a apelor de adâncime reci și bogate în nutrienți, ceea ce va duce la formarea unei anomalii în temperatura suprafeţei oceanului şi concentraţia clorofilei. Există aproximativ 520 de vulcani activi pe pământ, dintre care două treimi sunt localizați pe țărmurile și insulele Oceanului Pacific. Erupțiile lor duc adesea la tsunami. Să dăm câteva exemple. Când vulcanul Krakatoa a explodat pe 26 august 1883 în Indonezia, înălțimea valului de tsunami a atins 45 m, ucigând 36.000 de oameni. Valurile de tsunami au măturat lumea. Energia acestei catastrofe este echivalentă cu energia exploziei a 250-500 de mii de bombe atomice de tip Hiroshima. Explozia insulei vulcanice Tir din Marea Egee în urmă cu 35 de secole (vulcanul și insula erau numite anterior Santorini) a provocat moartea civilizației minoice. Acest eveniment a servit probabil ca prototip pentru Atlantis. Angajații proiectului Soyuzmornia S. Strekalov și B. Duginov descriu moartea civilizației minoice după cum urmează. „Marea civilizație minoică s-a remarcat prin lucrări de artă și meșteșuguri artistice de neîntrecut, palate maiestuoase. La mijlocul secolului al XV-lea. î.Hr e. dezastrul a lovit Creta. Aproape toate palatele au fost distruse, Capitolul 10. Valuri în ocean 215 Așezările au fost abandonate de locuitorii lor. Există două ipoteze pentru deces. După unul, a fost distrus de barbari - grecii ahei după altul, cauza a fost un dezastru natural; În urmă cu aproximativ 3,5 mii de ani, insula vulcanică Santorini a explodat în Marea Egee. În urma dezastrului, s-au format valuri gigantice care au lovit insula Creta și s-au extins în Egipt, inundând Delta Nilului. A fost asa? Ar putea deveni cu adevărat cauza morții civilizației? Aceste întrebări au determinat formularea următoarei probleme hidrodinamice: „Tsunami catastrofal pe coasta Cretei și în Egipt în secolele XV-XIV. BC" În zona de coastă a Cretei, produse ceramice au fost descoperite sub apă la adâncimi de 8 până la 30 m, iar blocuri de construcție datând din cele mai vechi timpuri au fost găsite la adâncimi de 30-35 m. Pe baza faptului că valul de reflux este egal cu valul de maree, primul a avut și o înălțime de 30-35 m În căutarea analogilor unui astfel de val în aproximativ terenul subacvatic și de suprafață corespunzător, am apelat la cel mai mult dezastru natural puternic al ultimelor secole - explozia vulcanului Krakatoa (la sfârșitul secolului al XIX-lea .). Acolo, valul de tsunami, conform datelor disponibile, a atins o înălțime de 40 m la sursă. Pe baza analogului, am presupus că un cutremur cu magnitudinea de 8,5 s-a produs în zona insulei Santorini la. o adâncime de aproximativ 300 m. În plus, am luat direcția axei sursei pentru a coincide cu direcția izobaților din zona insulei Santorini și paralel cu direcția longitudinală a insulei Creta. Apoi, în urma calculelor efectuate folosind metodologia originală dezvoltată în Soyuzmorniiproekt, s-a stabilit că, în conformitate cu datele inițiale, un singur val de tsunami de tip soliton cu o înălțime de 44 m și o lungime de aproximativ 100 km ar trebui să aibă a apărut; lungimea axei longitudinale a sursei este de 220 km, iar lățimea sa este de 50 km. Propagarea unei astfel de unde face posibilă presupunerea următoarelor. La sud de sursă, valul scade, iar în largul coastei de nord a Cretei înălțimea sa este de 31 m. Pe măsură ce trece în golfurile insulei, înălțimea valului crește la 50 m, iar după reflectarea sa dinspre. țărmurile abrupte și versantul continental, stropii individuale pot atinge o înălțime de 60-100 m Valul Mării Mediterane trece prin strâmtori, slăbindu-se din cauza ecranării de către insule. La ieșirea din strâmtoarea Kasos de pe coasta de sud a Cretei, înălțimea valului este de 9,3 m. După ce a traversat Marea Mediterană și interacțiunea cu panta continentală și platforma din zona Deltei Nilului, înălțimea acestuia devine de 4 m Delta Nilului, care are o pantă de suprafață mică 216 Capitolul 10. Valuri în ocean. (aproximativ 5,5 10~ 5), valul se propagă pe o distanță de 73 km până la gura de pe țărmul principal, adică aproape întreaga parte dinspre mare a deltei este supusă inundațiilor. În Delta Nilului, pe o perioadă istorică de câteva mii de ani, rata depunerii de aluviuni a fost aproape constantă și egală cu 0,9-1,3 mm pe an. Excepție este mileniul II î.Hr., când nu au putut fi găsite depozite de aluviuni vizibile din motive care nu sunt în întregime clare. Se poate presupune că valul de tsunami care a inundat delta în această perioadă de timp s-a spălat și a transportat întregul strat aluvion de suprafață în mare. Dezastrul care a avut loc pe insula Santorini, alături de cele de mediu, a avut probabil și consecințe sociale grave. Valurile uriașe, înalte de 30-50 m, erau destul de capabile să distrugă civilizația minoică care a existat pe Creta. Inundarea Deltei Nilului din perioada sfârşitului XVIII - începutul dinastiei a XIX-a a faraonilor a fost în primul rând rezultatul unei deteriorări accentuate a situaţiei ecologice asociate cu dispariţia stratului fertil de sol, salinizarea şi formarea mlaştinilor. Consecințele sociale datorate crizei agricole din deltă ar fi putut contribui în cele din urmă la începutul declinului regatului egiptean”. Recent (01/08/1933), o explozie vulcanică pe insula Kharimkatan a dus la formarea unui tsunami, cu valuri atingând 9 m (cresta Kuril). Cel mai impresionant exemplu de formare a unui val de tsunami în timpul unei alunecări de teren a avut loc la 10 iulie 1958. O avalanșă cu un volum de rocă de 300 de milioane de m 3 de pe versanții Muntelui Fairweather (Alaska) în Golful Lituya a creat un tsunami de 60 m înălțime. cu o stropire maximă de 524 m (stropire este înălțimea ridicării apei în raport cu nivelul netulburat atunci când valul se rostogolește pe țărm). Un tsunami de până la 15 m înălțime a fost cauzat de fragmente de rocă care au căzut de la o înălțime de 200 m (insula Madeira, 1930). În Norvegia, în 1934, un tsunami de 37 m înălțime a fost cauzat de căderea unei stânci cu o greutate de 3 milioane de tone de la o înălțime de 500 m. Alunecările de teren pe versantul șanțului oceanic (Puerto Rico) în decembrie 1951 au provocat un val de tsunami. Pe versantul continental al oceanului se observă adesea alunecări de teren și curenți de turbiditate, în timp ce rolul de indicatori ai formării și trecerii alunecărilor de teren sau a curenților de turbiditate îl joacă rupturile cablurilor și conductelor. Pe 6 octombrie 1979, un tsunami de 3 m înălțime a lovit Coasta de Azur, lângă Nisa. Analiză seismică amănunțită Ch. 10. Valuri în ocean 217 Situația și condițiile meteo ne-au permis să concluzionam că tsunami-ul a fost cauzat de alunecări de teren subacvatice. Lucrările de inginerie pe raft pot declanșa formarea alunecărilor de teren și, ca urmare, apariția unui tsunami. Exploziile în apă de la bombe atomice și cu hidrogen pot provoca un val de tip tsunami. De exemplu, pe atolul Bikini, explozia Baker a creat valuri de aproximativ 28 m înălțime la o distanță de 300 m de epicentru. Armata a luat în considerare problema creării artificiale a unui tsunami. Dar, deoarece în timpul formării unui tsunami, doar o mică parte din energia exploziei este convertită în energie valurilor, iar direcția valului de tsunami este scăzută, costurile energetice ale creării unui tsunami artificial (o intensificare puternică a valurilor într-o anumită perioadă). parte a coastei) sunt foarte înalte. În dezvoltarea unui tsunami se disting de obicei 3 etape: 1) formarea undelor și propagarea lor în apropierea sursei; 2) propagarea valurilor în oceanul deschis de mare adâncime; 3) transformarea, reflectarea și distrugerea valurilor pe raft, urcarea lor până la țărm, fenomene de rezonanță în golfuri și pe raft. Cercetarea pe aceste etape este semnificativ diferită. Pentru a rezolva problema hidrodinamică a calculului undelor, este necesar să se stabilească condițiile inițiale - câmpurile de deplasări și viteze în sursă. Aceste date pot fi obținute prin măsurarea directă a tsunami-urilor din ocean sau indirect prin analizarea caracteristicilor proceselor care generează tsunami-uri. Primele înregistrări de tsunami în ocean au fost efectuate de S.L. Solovyov și colab. Există o posibilitate fundamentală de determinare a parametrilor în sursă pe baza rezolvării problemei inverse - pe baza puținelor manifestări ale tsunami-ului de pe mal, determinați parametrii acestuia în sursă. Cu toate acestea, de regulă, există foarte puține date naturale pentru o soluție corectă a unei astfel de probleme inverse. Pentru a prezice manifestarea unui tsunami în zona de coastă și pentru a rezolva alte probleme de inginerie, este necesar să se cunoască schimbarea înălțimii, perioadei și direcției frontului de undă din cauza refracției. Acest scop este servit de diagramele de refracție, care indică poziția crestelor (fronturilor) undelor la diferite distanțe în același timp, sau pozițiile crestei aceleiași undă în momente diferite. Pe aceeași hartă sunt desenate razele (ortogonale cu poziția fronturilor). Presupunând că fluxul de energie între două ortogonale este conservat, putem estima modificarea înălțimii undei. Intersecția razelor duce la o creștere nelimitată a înălțimii valurilor. Puterea transferată 220 Capitolul 10. Valuri în ocean Un întrerupător în creștere - un val se rostogolește fără să se rupă pe pante abrupte. Valurile mării Valurile mării oscilații periodice ale suprafeței mării sau oceanului cauzate de mișcările dus-întors sau circulare ale apei. În funcție de motivele care provoacă mișcarea, valuri de vânt, valuri de maree ( mareeleŞi mareele joase), presiune (seiches) și seismic ( tsunami). Valurile sunt caracterizate înălţime, egală cu distanța verticală dintre creasta și fundul valului, lungime- distanta orizontala dintre doua creste adiacente, viteza de raspandireŞi perioadă. Pentru valurile de vant dureaza aprox. 30 s, pentru presiune și seism - de la câteva minute la câteva ore, pentru maree se măsoară în ore. Cel mai frecvent în rezervoare vânt valuri. Ele se formează și se dezvoltă datorită energiei eoliene transferate în apă datorită frecării și presiunii fluxului de aer pe versanții crestelor valurilor. Ele există întotdeauna în oceanul deschis și pot avea o mare varietate de dimensiuni, ajungând la lungimi. până la 400 m, altitudine 12–13 m și viteza de propagare 14–15 m/s. Max. înregistrată ridicată valurile de vânt sunt de 25–26 m și sunt posibile valuri mai înalte. În stadiul inițial de dezvoltare, valurile vântului rulează în rânduri paralele, care apoi se rup în creste separate. În apele adânci, mărimea și natura valurilor sunt determinate de viteza vântului, durata acțiunii acestuia și distanța față de spațiul sub vânt; adâncimi mici limitează creșterea valurilor. Dacă vântul care a provocat perturbarea se diminuează, atunci valurile vântului se transformă în așa-numitele. umfla. Este adesea observată simultan cu valurile vântului, deși nu coincid întotdeauna cu acestea ca direcție și înălțime. În zona de surf, așa-zisa batai de surf – creșteri periodice ale nivelului apei când se apropie un grup de valuri înalte. Ridicat ridicarea poate fi de la 10 cm la 2 m, rar până la 2,5 m Seiches sunt de obicei observate în corpuri de apă limitate (mări, golfuri, strâmtori, lacuri) și sunt valuri stătătoare, cel mai adesea cauzate de o schimbare rapidă a atmosferei. . presiune, mai rar din alte motive (aflux brusc de ape de inundații, ploi abundente etc.). Odată cauzată, deformarea nivelului apei duce la oscilații amortizate treptat în acesta. În același timp, în unele puncte nivelul apei rămâne constant - acesta este așa-numitul. noduri de unde staționare. Ridicat Astfel de valuri sunt nesemnificative - de obicei câteva zeci de centimetri, rareori până la 1-2 m..
Geografie. Enciclopedie ilustrată modernă. - M.: Rosman.
2006
. Tulburări ale suprafeței mării sau oceanului cauzate de vânt, forțe de maree ale Lunii, Soarelui, cutremure subacvatice etc. Se împart în vânt, maree, gravitaționale (tsunami) etc. Valuri de la suprafața mediului acvatic există ...... Dicţionar marin Valuri pe suprafața mării sau oceanului. Datorită mobilității lor ridicate, particulele de apă sub influența diferitelor tipuri de forțe părăsesc cu ușurință starea de echilibru și efectuează mișcări oscilatorii. Motivele care provoacă apariția valurilor sunt... ... VALURI mare- vibrații ale particulelor de apă în jurul poziției de echilibru, răspândindu-se în mare. Sunt cauzate de vânt, forțe de maree, modificări ale presiunii atmosferice, cutremure, mișcarea corpurilor solide în apă etc. Principalele elemente ale mișcării valurilor... ... Carte de referință enciclopedică marine Unde care apar și se propagă de-a lungul suprafeței libere a unui lichid sau la interfața a două lichide nemiscibile. V. pe p.zh. se formează sub influența influențelor externe, în urma cărora suprafața lichidului... ... Marea Enciclopedie Sovietică Perturbații care se propagă cu o viteză finită în spațiu și poartă cu ele energie fără a transfera materie. Cele mai frecvente sunt undele elastice (mare, sunet etc.). Undele electromagnetice sunt excitate de atomi, molecule,... ... Dicţionar marin Sea Waves Gen documentar Regizor (((Regizor))) Edison Film Company ... Wikipedia VALURI- A vedea valuri într-un vis înseamnă obstacole în afaceri, eforturi și lupta pentru succes. Dacă valurile sunt clare, înseamnă că vei dobândi noi cunoștințe care te vor ajuta să iei decizii mai bune în viață. Valurile murdare prevestesc o greșeală plină de ireparabile... ... Interpretarea viselor lui Melnikov Sternul funingină (Onychoprion fuscata) poate rămâne în aer timp de 3-10 ani, doar ocazional aterizează pe apă... Wikipedia Fotografia unui val mare care se apropie de o navă comercială. Aproximativ anii 1940 Killer Waves (Valuri necinstite, valuri monstru, val alb, val englezesc rogue în ... Wikipedia Această pagină este un glosar. # A... Wikipedia Valurile oceanului Valuri de vânt sunt create ca urmare a influenței vântului (mișcarea maselor de aer) la suprafața apei, adică a injecției. Motivul mișcărilor oscilatorii ale valurilor devine ușor de înțeles dacă observi efectul aceluiași vânt pe suprafața unui lan de grâu. Inconstanța fluxurilor de vânt, care creează valuri, este clar vizibilă. Datorită faptului că apa este o substanță mai densă decât aerul (de aproximativ 800 de ori), reacția apei la influența vântului este oarecum „întârziată”, iar ondulațiile se transformă în valuri numai după o anumită distanță și timp, supuse expunerii constante. a vânt. Dacă luăm în considerare parametri precum constanța fluxului vântului, direcția acestuia, viteza, zona de influență, precum și starea anterioară de vibrație a suprafeței apei, atunci obținem direcția valului. , înălțimea valurilor, frecvența valurilor, suprapunerea mai multor direcții de vibrație pe aceeași suprafață a apei. Trebuie remarcat faptul că direcția valului nu coincide întotdeauna cu direcția vântului. Acest lucru este vizibil mai ales atunci când direcția vântului se schimbă, se amestecă diferiți curenți de aer, condițiile mediului de impact se schimbă (mare deschisă, port, pământ, golf sau orice alt corp suficient de mare pentru a schimba tendința impactului și formarea valurilor) - asta înseamnă că uneori vântul atenuează valurile. În mare adâncime, mărimea valurilor și natura valurilor sunt determinate de viteza vântului, durata acțiunii acestuia, structura câmpului de vânt și configurația liniei de coastă, precum și distanța de la subsol. țărm în direcția vântului până la punctul de observație. Spre deosebire de debitele constante din râuri, care curg aproape în aceeași direcție, energia valurilor este conținută în oscilațiile lor verticale și parțial orizontale la adâncimi mici. Înălțimea valului, sau mai precis, distribuția sa, este considerată la 2/3 peste suprafața medie a apei și doar 1/3 în adâncime. Aproximativ același raport se observă în viteza undei care se deplasează în sus și în jos. Această diferență este probabil cauzată de natura diferită a forțelor care influențează mișcarea valului: atunci când masa de apă crește, presiunea acționează în principal (valul este literalmente stors din mare de presiunea crescută a apei într-o zonă dată iar rezistența relativ scăzută-presiunea aerului). Când o undă se mișcă în jos, principalele forțe care acționează sunt gravitația, vâscozitatea fluidului și presiunea vântului la suprafață. Acest proces este contracarat de: inerția mișcării anterioare a apei, presiunea internă a mării (apa cedează încet valului descendent - deplasarea presiunii în zonele apropiate de apă), densitatea apei, probabilitatea curenți de aer ascendenți (bule) care apar atunci când creasta valului se răstoarnă etc. Este deosebit de important de remarcat faptul că valurile vântului sunt energie eoliană concentrată. Undele sunt transmise pe distanțe lungi și păstrează potențialul energetic pentru o lungă perioadă de timp. Astfel, se pot observa adesea mări agitate după o furtună sau furtună, când vântul s-a stins de mult, sau mări agitate în perioadele de calm. Acest lucru conferă valurilor un mare avantaj ca sursă de energie regenerabilă datorită persistenței și predictibilității sale comparative, deoarece valurile apar cu o întârziere aproape mică după apariția vântului și continuă să existe mult timp după acesta, deplasându-se pe distanțe mari, ceea ce face ca valuri să genereze electricitate din valuri. mai rentabil în comparație cu generatoarele eoliene. Aici ar trebui să adăugăm și constanța valurilor mării, indiferent de ora zilei sau de înnorare, ceea ce face generatoarele de valuri mai rentabile în comparație cu panourile solare, deoarece panourile solare generează energie electrică numai în timpul zilei și de preferință pe vreme senină de vară - iarna procentul de productivitate scade la 5% din puterea așteptată a bateriei. Fluctuațiile de la suprafața apei sunt rezultatul activității solare. Soarele încălzește suprafața planetei (și inegal - pământul se încălzește mai repede decât marea), o creștere a temperaturii suprafeței duce la o creștere a temperaturii aerului - și aceasta, la rândul său, duce la expansiunea aerului, ceea ce înseamnă o creștere. în presiune. Diferența de presiune a aerului în diferite zone ale atmosferei, împreună cu forța Coriolis, sunt principalii factori în formarea vântului. Și vântul face valuri. De remarcat că acest fenomen funcționează bine și în direcția opusă, când suprafața planetei se răcește neuniform. Dacă luăm în considerare posibilitatea creșterii concentrației de energie pe metru pătrat de suprafață prin reducerea adâncimii fundului și (sau) crearea de „corrale” de valuri - bariere verticale, atunci obținerea energiei electrice din oscilațiile valurilor de pe suprafața apei devine un propunere foarte profitabilă. Se estimează că, folosind doar 2-5% din energia valurilor oceanelor lumii, omenirea este capabilă să-și acopere toate nevoile actuale de energie electrică la nivel global de 5 ori.
] . Dificultatea de a transforma generatoarele de valuri în realitate constă în mediul acvatic însuși și variabilitatea acestuia. Există cazuri cunoscute de înălțimi ale valurilor de 30 de metri sau mai mult. Perturbații puternice sau concentrație mare de energie a valurilor în zonele mai apropiate de poli (în medie 60-70 kW/mp). Acest fapt îi confruntă pe inventatorii care lucrează în latitudinile nordice cu sarcina de a asigura fiabilitatea corespunzătoare a dispozitivului decât nivelul de eficiență. Și invers - în Marea Mediterană și Marea Neagră, unde intensitatea energetică a valurilor este în medie de aproximativ 10 kWh/metru pătrat, proiectanții, pe lângă capacitatea de supraviețuire a instalației în condiții nefavorabile, sunt nevoiți să caute modalități de creștere a eficiența instalației, ceea ce va conduce invariabil pe aceasta din urmă la crearea unor instalații mai rentabile. Un exemplu este proiectul Australian Oceanlinx. În Federația Rusă, această nișă pentru producția de energie electrică nu a fost încă ocupată, în ciuda întinderilor de apă practic nelimitate de intensitate energetică diferită, începând de la Baikal, Marea Caspică, Marea Neagră și terminând cu Oceanul Pacific și alte întinderi de apă din nord (pentru perioadă de neîngheț), dar companiile rusești lucrează deja la propriile generatoare de valuri capabile să extragă energie electrică din valuri. Un exemplu este OceanRusEnergy din Ekaterinburg. În plus, în locurile în care valurile sunt transformate în energie electrică, viața marină devine mai bogată datorită faptului că fundul nu este supus unor influențe distructive în timpul unei furtuni. Perturbarea este însoțită de mișcarea maselor de apă. Mișcarea particulelor de apă în timpul valurilor are loc pe orbite deschise și este un proces aleatoriu, dezordonat, care este dificil de descris teoretic și depinde de mulți factori. Elementele principale ale valurilor vântului mării sunt următoarele: înălțimea h - distanța verticală de la jgheabul valurilor până la creastă; lungimea X - distanta orizontala dintre doua creste sau depresiuni succesive; perioada T, este intervalul de timp dintre trecerea vârfurilor a două unde succesive printr-o verticală fixă. Înălțimea valurilor vântului mării scade pe măsură ce se deplasează de la suprafață pe fundul mării. Conform teoriei trohoidale clasice a valurilor, înălțimea lor scade odată cu adâncimea conform legii exponențiale. h 2 = el -2r/ ^ (3.1) unde z este adâncimea de la suprafața mării; h z și h sunt înălțimea valurilor la adâncimea z și, respectiv, pe suprafața mării. De fapt, atenuarea undelor cu adâncime are loc ceva mai rapid decât rezultă din teoria clasică a undelor. Rezultatele studiilor de teren arată că scăderea înălțimii valurilor de suprafață cu adâncimea pentru acvatice toriu, a cărui adâncime este de 2 ori sau mai mare decât lungimea de undă, este estimat mai corect prin expresie h z = he -5,5(z/X)0,8. (3,2) Cu toate acestea, pentru calculele de inginerie, astfel de clarificări nu sunt semnificative. În zonele de apă indicate, înălțimea valului h z la adâncimea z poate fi calculată aproximativ pe baza unei reguli simple: dacă adâncimea crește în progresie aritmetică, atunci înălțimea valului scade într-o progresie geometrică (Tabelul 3.1). Valurile vântului sunt împărțite în valuri forțate, care apar și sunt sub influența presiunii vântului, și valuri libere, care apar după ce vântul se oprește sau depășesc zona de acțiune a acestuia. Undele libere mai sunt numite și unde de umflare. Rezultatele numeroaselor observații ale valurilor în condiții naturale arată că pentru zonele de apă adâncă, unde fundul nu afectează forma și dimensiunea valurilor de vânt, putem presupune că X « 20h pentru valurile de vânt și X « 30h pentru valurile de umflături ( Tabelul 3.2). Obstacolele întâlnite de-a lungul traseului valurilor sunt supuse sarcinilor hidrodinamice. Conform conceptelor moderne de hidrodinamică, principalele componente ale forței totale a presiunii valurilor asupra oricărui obstacol cilindric sunt forța de rezistență, forța de inerție și forța de impact al apei asupra obstacolului. Forța de tracțiune este proporțională cu pătratul vitezei liniare a mișcării orbitale. Valoarea sa maximă este atinsă atunci când vârful crestei valului trece la monosuport. Forța de tracțiune se datorează faptului că pe suprafața unui obstacol, atunci când un fluid vâscos curge în jurul acestuia, apare un strat limită al unei structuri de vortex și, în anumite condiții, se rupe periodic. Energie, Tabelul 3.1 Scăderea înălțimii valurilor cu adâncimea mării (în unități relative) Tabelul 3.2 Scale pentru gradul valurilor de vânt (numărător) și umflarea (numitor) < 0, 25 - 0,75 Moderat energia cheltuită pentru formarea vârtejurilor și depășirea frecării apei împotriva unui obstacol creează o forță de rezistență. Forța inerțială se explică prin faptul că, în condiții de val, obstacolul curge în jurul unui debit de apă cu viteză variabilă. O modificare a vitezei de mișcare a apei în timp creează o forță, a cărei mărime este direct proporțională cu accelerația curgerii. Valoarea maximă a acestei forțe este atinsă în secțiunea valurilor, a cărei poziție corespunde aproximativ nivelului neperturbat al mării. Astfel, în raport cu forța de rezistență, forța de inerție are o defazare egală cu r/2. Forța impactului este cauzată de o pierdere bruscă a vitezei curgerii și este însoțită de o stropire. Această forță este proporțională cu pătratul viteza de curgere. Valoarea sa maximă este atinsă în fază cu forța de rezistență maximă. Rolul componentelor individuale în forța totală pentru valuri și obstacole de diferiți parametri este diferit. Pentru undele relativ mici care nu sunt însoțite de o explozie, componenta inerțială joacă cel mai mare rol. Pentru valurile mari abrupte, mai ales la stropire, forțele de tracțiune și impact joacă un rol major. Unul dintre criteriile importante în determinarea forțelor de presiune a valurilor este parametrul de adâncime relativă - raportul dintre adâncimea zonei apei H și lungimea de undă X. Dacă H/ X > 0,5, atunci zona apei este considerată apă adâncă și este a presupus că fundul mării nu are un efect semnificativ asupra procesului de curgere în jurul obstacolului . De la masă 3.1 este clar că deja la 2/X = 5/9 înălțimea valului este de doar aproximativ 3% din cea de suprafață. Evident, la adâncimi unde înălțimile valurilor sunt mici, presiunea valurilor asupra obstacolelor este și ea mică. Aceasta determină independența valorilor presiunii rezultatelor valurilor asupra obstacolului de la adâncimea zonei de apă dacă H/X > 0,5. Natura stabilă a relației dintre elementele de undă X și h (vezi Tabelul 3.2) ne permite să trecem de la parametrul H/X la parametrul H/h, ceea ce este mai convenabil pentru calcule în practică. Apoi putem concluziona că atunci când se determină forța presiunii undei, influența fundului asupra naturii undelor care curg în jurul unui obstacol poate fi ignorată dacă H/h > 10. În apele puțin adânci și în zona de surf, creșterea lungimii de undă este în urmă cu creșterea înălțimii lor. Planeitatea undelor aici scade și atinge valoarea X/h = 8+12. Prin urmare, influența fundului asupra procesului de curgere în jurul unui obstacol în ape puțin adânci poate fi ignorată la valori mai mici ale parametrului H/h.
acțiunea vântului;
ra sau după ce valurile părăsesc zona vântului;
iar înălțimea la rostogolire pe țărm poate ajunge la zeci de metri. Aceste valuri sunt foarte lungi ca o primă aproximare, le este aplicabilă teoria „apelor de adâncime”.
Editat de prof. A. P. Gorkina
Cărți
Mișcarea undelor verticale
Valurile ca sursă de energie regenerabilă
Vezi de asemenea
Note
Literatură
Retipărit în: G.G. Stokes.
