38. Трансформація хвиль на мілководді.

Трансформація хвиль біля берега

Реальне хвилювання в Океані звичайно представлене не одним типом хвиль певного розміру, а сукупністю хвиль. Коли різні. хвилі наближаються до берега, виходять на мілину, то вони відчувають особливі зміни. Одночасно можуть відбуватися як мінімум три процеси: відбивання, дифракція та рефракція хвиль. При відбиванні хвилі ідуть у зворотному напрямку під дією вертикальної перешкоди; під час дифракціїїх енергія перерозподіляється в зони, надійно захищені від вітру; а під час рефракції – гребені хвиль вигинаються, пристосовуючись до рельєфу дна, що поволі міліє. Дуже пологі хвилі глибокої води при вході в гирло можуть різко збільшити свою висоту, або розсипатись на декілька більш мілких хвиль. Якщо ж хвилі заходять в бухту чи затоку, може мати місце значна штовханина (невпорядковане хвилювання).

Коротше кажучи, хвилі мілини мають складний характер і тим викликають великий інтерес, адже саме на мілині відбувається робота хвиль, яка має важливе значення для життя людини.

Відбивання хвиль від берега. Зустрічаючи на своєму шляху вертикальну перепону, наприклад, скелю, що піднімається з дна моря чи крутий берег, хвиля відбивається від цієї перепони практично без затрат енергії. Якщо ми маємо групу хвиль з однаковим періодом, то при відбиванні виникають, так звані, стоячі хвилі. Орбіти часток води прямої та відбитої хвилі взаємодіють таким чином, що біля вертикальної перепони спостерігається рух тільки по вертикалі, а на відстані четвертої частини довжини хвилі і далі, в так званих вузлах, - тільки по горизонталі, приблизно так, як зображено на (рис.6.5).

Рис.6.5. Відбивання хвиль від вертикальної стіни (перешкоди). При цьому утворюються стоячі хвилі (хвилі, і яких форма не рухається поступально в просторі); рух часток води відбувається в напрямках, вказаних стрілками.

Тут важливим є те, що хвиля за формою подібна до синусоїди, майже не тисне на перепону. Тому скрізь, де це можливо, хвилерізи будують на великій глибині, тобто так, щоб відбивання хвиль відбувалось без затрат енергії (без руйнування). Якщо ж хвилі біля вертикальної перепони розбиваються, то виникає дуже великий ударний тиск руйнівної сили.

По суті, будь - яка перепона хоча б частково відбиває хвилі. Хвилі відбиваються від підводних бар’єрів, наприклад, від затоплених коралових рифів, хоча на перший погляд може здатися, що хвилі проходять над рифом без особливих змін. Хвилі можуть відбиватися і від крутогопідводного схилу, причому, досить значно. Коли відбиті хвилі йдуть назад та відбувається зіткнення з прямими хвилями, гребені їх стають вужчі та гостріші і можна спостерігати моментальні потужні злети тонких шарів води до 7 м і вище.

Дифракція хвиль. Уявіть собі, що по Океану іде група довгих пологих хвиль зибу та на її шляху з глибин піднімається крутий скелястий острів. Нормально було б чекати, що з підвітряної сторони (тобто там, де нема вітру) хвилі будуть відсутні або, у крайньому випадку, набагато нижчі та корабель зможе сховатися від хвиль саме там. Але де саме, і чи взагалі можна розраховувати знайти позаду острова зону хвильової тіні (повної відсутності вітру та хвиль)?

Рис.6.6. Класичний приклад дифракції за скелястим берегом у глибокому морі. Коли група правильних хвиль пройде острів, частина енергії із сектора Б і В переміщується вздовж гребенів в сектор між Б і А. Числа, що стоять перед А, Б і В – це приблизні коефіцієнти дифракції для даного гіпотетичного випадку, що вказують, у скільки разів зменшилась висота хвилі, а отже, і енергія.

На таке питання вимушені відповісти негативно, адже існує дифракція хвиль. Суть цього явища в тому, що у міру проходження хвиль повз острів, частина хвильової енергії розсіюється і гребені проникають на територію, яка ніби то надійно захищена островом (рис.6.6).

Коли група правильних хвиль пройде острів чи півострів, частина енергії із сектора Б і В переміститься вздовж гребенів в сектор між Б і А, що видно за коефіцієнтами дифракції, що стоять перед А, Б, і В. Інакше кажучи, в точці В хвилі повністю зберігають свою висоту, в точці Б їхвисота вдвічі менша вихідної а в А - хвилі досягають лише однієї десятої висоти хвилі В.

Рис.6.7. Приклади дифракції (а) – хвильова енергія потрапляє в закриті від вітру та особистих хвиль зони, при цьому зменшуючи висоту хвилі головного напрямку; (б) – дифракція із зафіксованою інтерференцією хвиль в, так званій, зоні хвильової (вітрової) тіні.

Інженери, що проектують хвилерізи, причали чи інші берегові споруди, повинні неодмінно враховувати явище дифракції: у іншому випадку судна, що стоять заякорені у здавалося б спокійній бухті з підвітряного боку, можуть постраждати від хвиль.

Слід підкреслити, що дифракція можлива тільки на глибокій воді. Для нашого прикладу ми спеціально вибрали скелястий острів, що крутопіднімається з морських глибин. Якби шлях тих самих хвиль лежав над похилим дном, то ми мали б зовсім іншу картину — бо в дію вступила б рефракція хвиль.

Рефракція. Саме слово “рефракція” означає “вигин”, або “викривлення”. Коли хвиля входить на мілину, тобто стає довгою, тертя об дно гальмує рух хвилі, причому повільніше рухається та частина фронту хвилі, що знаходиться ближче до берега, тобто, на малих глибинах. Згадайте, при зменшенні глибин хвилі стають довгими і їх швидкість визначається за відомою простою формулою ( де Н - глибина водойми). Оскільки окремі ділянки фронту хвилі потрапляють на різні глибини, у зв’язку з нерівним рельєфом дна, гребені вигинаються і напрямок руху хвилі безперервно змінюється. В цілому, гребені хвиль намагаються зайняти положення, паралельне ізобатам, тобто, береговій лінії.

На рис.6.8 наведений простий приклад, коли група правильних хвиль підходить до прямолінійної берегової лінії під гострим кутом. Гребені намагаються розвернутися паралельно до берега, бо рух частини фронту хвилі, яка раніше вийшла на мілину, уповільнюється, а інша частина фронту, що рухається на глибокій воді, рухається швидше.

Рис.6.8. Простий приклад рефракції, коли група правильних хвиль підходить до прямолінійної берегової лінії під гострим кутом, а біля самого берега повертається майже паралельно до берегової лінії.

Крім цього ефекту, рефракції також характерна концентрація енергії хвиль біля мисів (рис. 6.9). Це означає, що рефракція має важливе геологічне значення.

Рис.6.9. Ефект рефракції, коли відбувається процес концентрації енергії хвиль біля мису.

Взатоках навпаки, при малих глибинах, енергія хвиль не концентрується, а “розмивається” (рис.6.10). Тобто, висота хвилі в затоках, на відміну від мисів, при одному і тому самому вітрі завжди буде менша.

Рис.6.10. Ефект рефракції у мілководній затоці. Енергія хвиль не концентрується, а «розмивається».

Навіть поблизу острова круглої форми з мілкими берегами група хвиль, що ідуть в певному напрямку, настільки трансформуються, що хвилі ніби огортають острів: майже скрізь гребені підходять до берега паралельно.

Слід підкреслити,що процес рефракції починається в той момент, коли хвилі досягають певної критичної глибини - меншої половини довжини хвилі, та перетворюються у хвилі мілини.

Розрахувавши швидкість хвилі на мілині, можна побудувати схему різних частин хвилі за рівні проміжки часу. Схеми рефракції дуже допомагають при визначенні впливу хвиль різних напрямків та періодів на берег, особливо при проектуванні споруд в береговій зоні.

ДОДАТКОВИЙ МАТЕРІАЛ

Існує декілька методів побудови схем рефракції. При будь - якому методі починати треба з точної батиметричної карти (карти рельєфу дна) — від берегової лінії до глибини, рівної половині довжини найбільш довгої хвилі. Потім слід визначити період та напрямок хвиль. На базі накопиченого матеріалу на будь - якій береговій ГМС, використавши елементарну статистичну обробку даних, можна визначити, які саме хвилі найбільш характерні для даної частини узбережжя. Для цього використовують синоптичні карти за минулі роки (напрямок вітру та руху хвиль), висоти і періоду хвиль. Найперше треба провести пряму лінію, що визначатиме фронт хвилі на глибокій воді.

З'єднуємо стрілкою, перпендикулярною до фронту хвилі (така стрілка називається "променем хвилі ”, або вектор хвилі). Якщо укладач схеми користується першим методом, він проводить кожен наступний гребінь паралельно попередньому на відстані, пропорційній розрахованій ним довжині хвилі, яка зменшується з кожною наступною ізобатою. В результаті одержимо картину руху фронту хвилі.

Побудована таким чином схема показує послідовне положення фронту (гребенів) хвилі через рівні відрізки часу, що дорівнюють періоду хвилі. Зі зменшенням швидкості хвилі, гребені послідовних хвиль зближуються все тісніше.

Схема рефракції дає відповідь на найголовніше питання: як розподіляється енергія, коли хвиля досягає берега? Якщо лінію фронту глибоководної хвилі розділити на рівні частини і провести через середину кожного відрізку перпендикуляр (промінь хвилі), ми одержимо картину розподілення енергії вздовж берега: Кількість енергії між перпендикулярами буде однакова. Проведені лінії називають ортогоналями. Відношення довжини відрізку між двома Сусідніми ортогоналями на глибокій воді до аналогічного відрізку біля пляжу називається коефіцієнтом рефракції.Знаючи цей коефіцієнт, можна порівнювати кількість енергії хвиль в різних точках узбережжя та визначати ефективність проектування хвилерізів.

Практика є свідком, що описаний вище метод "ретроспективного" розрахунку елементів хвилювання, схем рефракції і справді допомагає визначити, хоча б і в минулому часі, причини загадкових руйнувань берегових споруд. Як приклад можна розглянути рис. 6.11.

Рис. 6.11. Схема рефракції руйнівних хвиль біля Лонг-Біча (штат Каліфорнія). На малюнку показано, як особливості підводного рельєфу (різке підняття дна) далеко від берега стало причиною концентрації енергії хвиль на хвилеріз.

До розглянутого нами явища рефракції можна застосовувати закони заломлення світлових чи інших хвиль. В.В.Шулейкіним у 1955р. був розроблений метод розрахунку кута підходу хвилі до берега, виходячи з її параметрів, напрямку розповсюдження у відкритому морі та глибини певного місця, з використанням коефіцієнту заломлення. Останній визначається як співвідношення швидкості розповсюдження хвилі на, так званій, умовно безкінечній та на певній глибині.

Деформація та руйнування хвиль біля похилого берега. Біля похилого берега хвилі, що підходять, деформуються, а потім - руйнуються, утворюючи прибій та заплеск (рис.6.12).

Початок деформації - з глибини, меншої половини довжини хвилі (Н₀). Хвиля під дією тертя об дно перетворюється з короткої в довгу. При переході далі на все меншу глибину, хвиля передає свою енергію все меншій масі води, завдяки чому зростає її висота, а отже, і енергія (Е = ρgh²/8 ). В результаті тертя біля берега зменшується відчутно довжина іфазова швидкість хвилі; період при цьому залишається практично незмінним.

Рис.6.12. Трансформація хвилі біля похилого берега з кінцевим руйнуванням. Початок деформації – з глибини, меншої половини довжини хвилі (у даному випадку з глибини Н₀).

Зменшення довжини та збільшення висоти хвилі при підході до берега різко збільшує крутизну хвилі (h/λ), тобто губиться стійкість і хвиля руйнується, утворюючи прибій та заплеск, десь починаючи з глибини 1,3h. Руйнування хвиль значно прискорює зустрічний відтік по дну мас води заплеску, які викидає прибій на берег.