6.9. Ветровые волны и сейшы

Главной причиной узнікненя волн на озерах является воздействие ветру на их поверхность. Ветровые волны являются гравитационными, так как воздействие ветра на водную поверхность выводить поверхность воды із равновесия, а сила тяжести заставляет ее возвращаться в первоначальное состояние. Покачивания частичек воды при достаточной глубине озера происходит по орбитам. При малых глубинах трение их о дно воздействует на на движение воды и орбиты частичек из глубиной прыймаюць форму элліпса из большей осью, вытянутой по направлению движения волн. В дна частички воды двигаются только в горизонтальном направлении. Сечение нескольких последовательных волн вертикальной плоскостью в главном направлении их движения представляет ветровой профиль, на каком хорошо по-видимому основные элементы ветровых волн.

Средняя хвалявая линия - горизонтальная плесни, которая пересекает хвалявы профиль да, что общие площади повыше и пониже этой линии равные. Грабень хвали - часть волны, которая находиться повыше средней хвалявай линии, вершина волны - самая высокая точка на гребне. Впадина (ложбина) хвали - часть волны, которая находиться между двумя соседними гребнями пониже средней хвалявай линии, подошва волны - самая нізка точка на ложбине волны. Фронт волны - линия вершин гребней в плане. Главное направление распространения волн - направление, перпендикулярный фронту волны. Высота волны (h) - превышение вершины волны над подошвой. Длина волны (?) - расстояние между двумя соседними вершинами или подошвами. Крутость волны (?) - отношения высоты волны к ее длине:

? = h/ ?.

Период волны (?) - промежуток времени, в течение какого частички воды завершают полный абарот по своему орбитам или промежуток времени между прохождением вершин двух соседних волн через фиксированную точку водоема. Возраст волны (В) - отношения скорости волны (С) к скорости ветру (U):

В = С/ U.

Скорость волны (С) - скорость перемещения гребня волны в главном направлении ее распространения. Обычно скорость волны определяется як скорость перемещения гребня волны на расстояния, равной ее длины:

С = ?/t,

где t - промежуток времени, за какой волна (гребень волны) проходить расстояние, равную ее длины.

Параметры ветровых волн зависеть от скорости ветру (U), продолжительности его действия (Т), разгона волны (D) - пути, яки проходить волна из момента возникновения, глубины озера (Н) (когда она не превышает половину длины волны).

При павялічэнні скорости ветру и длины разгона ветровых волн, параметры волн ( h и ?) увеличиваются. Однако, для каждой волны существует соответствующий разгон (деятельный разгон), на каком скорость движения волн становится практично равной скорости ветру, после какой высота волны не растет. Такое ветровое хваляване поверхности озера назваецца устойчивым (сформированным) волнением.

Из глубиной хваляване в итога трения между частичками воды загасает, т.е. высота волны уменьшается при неизменной ее длине и периода. На глубины озера, равной длины волны, волнение практично не наблюдается. Высота волны уменьшается прикладываема в 500 раз.

В итога разницы цічску ветру на наветраныя и падветраныя склоны волны, она прыймае несимметричную форму даже на глубокой воде. Еще более значительные изменения волн происходят при падыхдзе волн к мелкаводдзяў, где начинает влиять трение их о дно. Это трение начинает шплываць из глубины, меньшей половины длины волны (Н < ? /2). Нижняя часть волны подвергается большему торможению в связи из трением о дно, чем гребень волны. Передний склон волны становится более крутым, чем тыльный. При дальнейшым уменьшения глубины к критичной (Нкр = 2 h) волна разрушается (апракідваецца). Разрушение волн в берега называется прибоем, а на мелкаводдзях в откровенной акватории - буруном. От адвеснага или крутого берега (из углом наклона более 45о), глубины в которого более критичной, волны отражаются. В итога налажэння (інтерферэнцыі) падыходзячых к берегу и отраженных (вярнуўшыхся) от берега волн образовываются стоящие волны. Высота стоящих волн значительно большая, чем падыходзячых к берегу. Когда в крутого берега глубина меньше критичной, разрушение волн происходит из выбрасыванием массы воды апракінутага грабяня на значительную высоту. Такой сброс обладает значительной энэргіяй и силой. На палогіх прибрежных отмелях крупные волны разрушаются далеко от берега. Отмель, таким образом, защищает берег от дальнейшага размыва. Под воздействием прибрежных отмелей происходит рефракция волн - изменение направления их движения.

Явление налажэння одной на вторую нескольких волн называется інтерференцыяй. Частный случай - стоящая волна - налажэнне прямой и отраженной волны из одинаковым периодом. При встрече системы волн разных направлений образовывается толкотня, т.е. сложное волнение из хаотичным чередованием бугроў и впадин.

Методы расчета параметров волны. Методы расчетов элементов волн (h, ?, ?) учитывают воздействие на ветровое волнение основных его факторов - скорости ветру (U, м/с), разгона (D, км), глубины озера на расчетном отрезке (Н, м). Для крупных озер и водохранилищ были предложенный формулы У.Г.Андрыянава:

H = 0,0208 U5/4 D1/3

? = 0,304 U * D1/2

Озерные волны отличаются от морских большей крутизной. Их крутость (? ) достигает 1/8. Высота волн на крупных озерах может достигать значительных велічын: на Ладожском озере к 5-6 м, на Анежскім к 4,5. В условиях Беларуси на озере Нарочь и Аілейскім водохранилищам при разгонах ветровых волн 6-10 км возможно возникновение волн высотой к 1,5 м.

Дэнівіліцыя поверхности и сейшы на озерах. Под влиянием разных сил в водоемах возникают перекосы водной поверхности (дэнівіляцыя). После астановкі воздействия силы, которая вызвала дэнівіляцыю) вся водная масса озера стремится ворочаться в состояние равновесия, а водная поверхность начинает покачиваться. Эти покачивания назхываюць стоящими волнами. Однако они охватывают значительные па площади части акватрыі. Постепенно такие покачивания поверхности загасают под воздействием сил трения и называют обычно сейшай. Основные причины возникновения сейшаў: смена воздушного давления и ветер, которые вызываюць сгонна-нагонны перекос уровня поверхности озера. При сейшах в водоемах всегда возникает одна или несколько линий (точек), в каких уровень воды остается неизменным. Это да называемые узлы ( узловые линии), в зависимости от количества которых сейшы бывают аднавузлавыя, двухвузлавыя, трохвузлавыя и т.д. По обе стороны от узловой линии амплитуда покачиваний уровней возрастает и достигает максимумо в точках (на линиях) пучнасці. Основные элементы сейшы (стоящей волны): период (?), амплитуда (А) - максимальное отклонение уровня водной поверхности в той или второй точке водоема от ее положения в состоянии равновесия (спокойствия). Высота (Н) - разница между максимальным и минимальным уровнями по профилю водной поверхности (акватории).

Период сейшы (стоящей воды), (?) приблизительно можно определить по формуле Мерыана, которая была выведена для прямоугольного водоема длиной l из постоянной шириной и глубиной (Н). Для аднавузлавой сейшы формула имеет вид:

? = 2l / n?gH,

а т.как. 2 / ?g = 0,6306, то ? = 0,6306 * l / ?H. Для n - узловой сейшы формула прыймае вид:

? = 2l / n?gH.

Из рассмотренных повыше двух формул вытекает, что наибольшим периодам отличаются аднавузлавая сейша и, что в глубоких озерах период сейш покороче, чем в мелкаводных при той же длины водоема. Да, средняя величина периодо сейшы глубокого Женевского озера (l = 72 км, Нср = 173 м) равно 73 мінуты, а мелкаводнага Платтенскага озеро (l = 76 к м, Нср = 3 м) - уже 10-12 часов.

Сейшы сопровождаются цячэннямі, скорость каких обычно не превышают нескольких см/с, но в узких заливах и проливах могут быть значительными - в Якімварскім заливе Ладожского озера к 0,60-0,80 м/с, в проливе озера В.Мядзьведжае в Северной Амерыке - 1,8-2,7 м/с. Скорость сейшавых цячэнняў (с) можно приблизительно вычислить по формуле:

С = Нс ?g/H,

Где Нс - высота сейшы.

Параметры сейш на озерах очень отличаются и зависеть от марфаметрчных характарыстык их котловин и метеорологических условий. Да, на Байкале наблюдались сейшы из периодом (?) от 44 мінут к 4-6гадзін и высотой (Нср) 12-14 см, на озере Балхаш - из ? = 22-24 часы и Нср мах = 38 см, на Аральском море ? сейш был равный 1828 гадз. при Нср 24 см. , а максимальная 1-1,3 м. На озере Эры перавагаюць сейшы из средней высотой 20-30 см, однако максимальная достигала 2,5 м.

При рознцы плотности воды озер по вертикали возникают внутренние сейшы. Период их действия возрастает из павялічэннем разницы плотности слоев воды. На пресных озерах они возникают только летом, при прямой термической стратификации и резкой разницы температур воды эпілімніона и гіпалімніона. В мінеарльных озерах они связанный разницей солености слоев по вертикали. Яны могут продолжаться и после затухання сейш в поверхностных слоях воды и в особенности заметный после шторма. При сейшах часто наблюдаются периодические покачивания температуры на одной и той же глубины - температурные сейшы. Сейшы возникают и на крупных водохранилищах. Например, в прыплаціннай части Цимлянского водохранилища наблюдаются аднавузлавыя сейшы из периодом 2 гадз. 20 мин. И высотой 5-8 см.

Сейшы воздействуют на некоторые элементы гидрологического режима озера - вызываюць покачивания температур, удержания кісларода, завіслых веществ на разных глубинах, перемещение значительных па объема водных масс, вадаабмен между откровенными и прибрежными зонами акваторыіі озер.