1.2.2.5. Волновое течение
В глубоком море (при H > 0.5 λ) возникают волны, профиль которых описывается трохоидой, а частицы движутся по замкнутым круговым орбитам.
В действительности, как показывают наблюдения, частицы имеют и поступательное движение, которое называется волновым течением. Оно возникает независимо от того, есть ли ветер или нет его, т. е. обусловлено природой самого явления.
Теория возникновения волнового течения была разработана академиком В. В. Шулейкиным в 1954 году.
Скорость поступательного движения частиц, т. е. скорость волнового течения, за период волны изменяется. Она также неравномерна как вдоль длины волны, так и по глубине. Скорость максимальна на середине склона волны и уменьшается с глубиной. Осредненная за период волны скорость волнового течения в на поверхности выражается формулой Стокса через радиус орбиты частицы на поверхности ro, длину волны и ее скорость с:
(18)
Так
как радиус орбит частиц убывает с
глубиной по экспоненциальному закону
r
= ro
e
,
то скорость волнового течения
на глубине z
определяется формулой
=
(19)
Таким
образом, средняя ее величина за полный
период волны
зависит от высоты и длины волны и быстро
уменьшается с глубиной, но
на поверхности океана может быть
существенным.
Волновое течение также изменяет орбитальное движение частиц и вызывает отклонение профиля волны от трохоиды. Профиль волны при наличии волнового течения отличается от трохоиды большим заострением гребня и притупленной впадиной.
1.2.3. Физическая картина развития и затухания волн
Классические теории морских волн обладают одним существенным недостатком: они не вскрывают процесса развития и затухания волн и механизма передачи энергии от ветра к волне. Между тем решение именно этих вопросов необходимо с целью получения надежных соотношении для расчета элементов волн. Поэтому дальнейшее развитие теории морских волн пошло по пути установления эмпирических, а затем и теоретических связей между ветром и волнением с учетом разнообразия реальных морских ветровых волн и нестационарности явления.
1.2.3.1. Зарождение ветровых волн
При начале действия ветра на поверхности моря образуются капиллярные волны (рябь). Они наблюдаются визуально при скорости ветра порядка 0.7 м/с и характеризуются высотой порядка 3-4 мм и длиной 40-50 мм. Их возникновение можно объяснить следующим образом. При действии ветра на неподвижную водную поверхность в приводном слое воздуха создается большой вертикальный градиент скорости ветра. Вследствие этого движение воздуха у самой поверхности воды становится неустойчивым и распадается на отдельные вихри с горизонтальными осями, перпендикулярными к направлению ветра. Вихри создают пульсационный ход давления над водной поверхностью, что и приводит к образованию первичных капиллярных волн. Дальнейшее воздействие ветра приводит к возрастанию амплитуды волны и ее переходу из капиллярной в гравитационную.
Для количественной оценки развития ветровых волн необходимо рассмотреть уравнение баланса энергии волн, выведенное проф. В. М. Маккавеевым в 1937 г. и определяющее физическую сущность развития и затухания волн.