При незначительном ветре (менее 1 м/сек.) на спокойной до этого поверхности озера устанавливается поступательное движение воды (дрейфовое течение) и одновременно возникают волновые колебания (волнение).
В явлении ветрового волнения различают три стадии:
- развивающегося,
- установившегося и,
- затухающего волнения.
Механизм питания волн энергией ветра до настоящего времени не имеет общепризнанной схемы. Одни ученые (Г. Джеффрис, Л. П. Капица, К. К. Федяевский) объясняют передачу энергии ветра волне разностью ветрового давления на наветренном и подветренном склонах волны, другие (Свердруп и Мунк) - одновременным действием силы трения ветра о поверхность воды и давлением ветра на наветренный склон волны и, наконец, третьи (iB. М. Маккавеев) физически наиболее обоснованно полагают, что увеличение энергии волны происходит за счет увеличения орбитальной скорости поверхностных частиц.
Волны развиваются под непосредственным воздействием ветра на их наветренные склоны. Частицы воды на этом склоне, как видно из рис. 45, перемещаются вниз и под воздействием ветра получают ускорение. На подветренном склоне частицы стремятся наверх, т. е. как бы навстречу ветру, но так как эта сторона укрыта от прямого действия ветра, то частицы воды сохраняют здесь ускорение своего движения, полученное на наветренном склоне.
Первые волны, появляющиеся на поверхности воды, возникают мгновенно и имеют двухмерный характер; они обладают небольшими периодами ( < 1 сек.) и очень малы, их длина, составляет всего несколько сантиметров, а высота - доли сантиметра. Это так называемые капиллярные волны, или ветровая рябь.
Рябь делает водную поверхность более шероховатой и способной в большей мере воспринимать энергию ветра. Вязкость воды быстрее гасит малые колебания частиц, чем большие, а потому из числа первоначальных волн постепенно выделяются более значительные, которые и образуют систему первых ветровых гравитационных волн. Это происходит при скорости ветра, 1-2 м/сек.
При дальнейшем продолжении и усилении ветра его энергия непрерывно передается волнам, в результате чего последние увеличиваются в своем размере. !Когда наветренный склон волны достигает достаточных размеров, на нем возникают новые капиллярные волны, в свою очередь тем же путем увеличивающие свои размеры. Таким образом, на поверхности основных воли развиваются волны второстепенные и т. д., вплоть до капиллярных.
Ветер, возбуждающий ветровые волны, не остается постоянным и ровным, а дует обычно порывами, временами усиливаясь и ослабляясь. Следствием этого является разнообразие в форме ветровых волн и различия в их элементах. Все эти волны между собой интерферируют, т. е. складываются, причем в результате сложения волны становятся все более крупными. Чем больше период и длина волны, тем более «живучей» оказывается волна. Неравномерность ветра во времени приводит еще к тому, что гребни двухмерных волн становятся неустойчивыми и разбиБаются на отдельные бугры и впадины - волнение становится трехмерным. Трехмерности волн в большой степени способствует перемена в направлении ветра, так как при этом происходит наложение систем волн различных направлений.
В конце этой стадии наступает критическое состояние в развитии волн. Под действием ветра высокие гребни волн начинают обрушиваться, что приводит к потере энергии. Волны снова набирают энергию от дующего ветра, но новое обрушение их гребней ограничивает рост высоких волн.
Разрушение гребней волн особенно заметно в момент резкого усиления ветра при шквалах, когда ветер «срывает» верхушки даже тех гребней, которые еще сохранили устойчивость. Когда шквалы проходят в частой последовательности, то наблюдается чередование высоких и низких волн. Такое чередование и объясняет появление очень высоких волн или так называемого «девятого» вала. Понятно, что эти высокие волны отнюдь не обязательно девятые.
Волны, поглощая энергию ветра, растут не только в высоту, но и в длину, одновременно изменяя период и скорость распространения. Наибольшей изменчивостью отличается высота волны: она быстро возрастает с усилением ветра и также быстро убывает, когда ветер стихает. Длина волны увеличивается с продолжительностью действия ветра, а также подвержена значительным изменениям, особенно в начале возникновения волнения.
Крутизна волны оказывается наибольшей в начале волнения, так как высота волны в это время нарастает быстрее длины; при развитии волнения крутизна уменьшается, так как длина в это время растет быстрее ее высоты. Отдельные волны в стадии развития достигают предельной характеристики крутизны ,1 : 8 и даже 1 :7. Средние же значения характеристик крутизны меньше и приближаются к 1:15. Наиболее устойчивыми элементами волн является скорость распространения и период, которые изменяются сравнительно мало.
Развитию больших ветровых волн наиболее способствуют сильные, устойчивые по направлению (отклонения не больше 20-35°) и скорости ветры, дующие в течение долгого времени над большими водными пространствами. Длина таких воздушных потоков над поверхностью озера называется разгоном ветра. кратковременные ветры не могут вызвать большое волнение. Необходимо некоторое время для того, чтобы элементы волк пришли в соответствие с силой ветра.
На рис. показана схема развития ветровых волн в зависимости от разгона ветра я его продолжительности. На рис. а видно, что при неограниченных разгоне и продолжительности ветра с удалением от подветренного берега волны увеличиваются и на некотором расстоянии от него достигают предельной величины, соответствующей данной скорости ветра. Далее, сохраняя эту высоту, они продолжают увеличиваться по своей длине, а следовательно, периоду и скорости.
Схема развития ветровых волн
При неограниченном разгоне ветра, но ограниченной его продолжительности (рис. б) волны также растут, пока не достигнут высоты, которая определяется продолжительностью действия ветра. Эти размеры волны сохраняют на всей остальной части разгона. Наконец, при ограниченном разгоне и неограниченной продолжительности ветра (рис. 49 в) волны быстро увеличиваются по своему размеру, встречая наветренный берег. Понятно, что размеры волн в этом случае ограничиваются величиной разгонов ветра и волн.
2. В каждом озере определенной силе и направлению ветра соответствуют и определенные размеры волнения, и поэтому, если ветер держится некоторое время постоянным, то постепенно устанавливается и волнение. Длинные волны, распространяясь быстрее, догоняют при этом более короткие и, изменяя их структуру, поглощают последние.
Таким образом, постепенно выделяются более значительные волны, которые и образуют в результате относительно правильную, -приближающуюся к двухмерной систему волнения. Энергия ветра в стадии установившегося волнения расходуется на поддержание высоты, волн на достигнутом уровне.
3. Третья стадия (затухающее волнение) характеризуется тем, что передача энергии ветра волне и развитие волнения прекращается. Теоретически это должно происходить, когда скорость распространения волн становится равной скорости ветра, т. е. c = W. Практически же рост волн прекращается несколько раньше, при с = 0,81F. Волны начинают как бы «убегать» от ветра, превращаясь в-свободные волны зыби и несколько уменьшаясь по высоте. Последнее вызывается сопротивлением движению, которое встречает волна, двигаясь быстрее, чем дует ветер. Одновременно в процессе перераспределения накопленной в волне энергии происходит дальнейшее увеличение длины, периода и скорости волны. Понятно, что зыбь гораздо положе ветровых волн, характеристика крутизны зыби составляет 1:30 и менее.
Но, кроме того, как уже было оказано выше, ветровые волны превращаются в волны зыби, когда ветер стихает. Для образования четко выраженной зыби необходимы большие водные пространства и длительное действие ветра. Поэтому зыбь свойственна большим водоемам, а на небольших, где волнение возникает и затухает довольно быстро, явление зыби не наблюдается.
На больших водных просторах волны зыби могут оказаться последней стадией существования волн. Пройдя большие расстояния вследствие сопротивления воздуха и внутреннего трения в воде, зыбь может сгладиться и постепенно полностью «ичезнуть. Последнему способствует также встречный ветер, быстро гасящий даже крупную зыбь.
Явление мертвой зыби, т. е. распространение волнения, несвязанного с ветром в данном районе, характерно для многих районов Байкала. При этом мертвая зыбь может достигать значительной высоты и исключительно большой ширины катящихся волн.
В озерах, т. е. в водоемах, ограниченных берегами, волны еще до своего исчезновения успевают выйти на береговую отмель в виде волн зыби или в виде еще развивающихся волн. Здесь под влиянием трения о дно они теряют значительную часть своей энергии, непрерывно перестраиваются и окончательно разрушаются в прибое.
Рефракция волн у ровного берега (по В. П. Зенковичу)
На подходах к берегу вследствие рефракции волны меняют свое направление. (Каким бы оно ни было на глубокой воде, к береговой линии волны стремятся подойти в направлении, близком к нормальному.
Так как фронт волны, подходящей наискось к берегу (рис.) или входящих в залив (рис., участки фронта bc и b2 c2) , растягивается, то энергия ее здесь рассредоточивается, и наоборот, у мысов энергия концентрируется (рис., участки фронта ab и a2 b2).
Явление рефракции объясняется тем, что, подходя к берегу под острым углом, волны одной частью фронта попадают на мелководье, в то время как другой частью идут еще над глубокой водой. Уменьшение скорости распространения волн на мелководье заставляет фронт волны изгибаться и при любом направлении распространения волны в открытом водоеме подходить к береговой черте в направлении, близком к нормали. Одновременно с рефракцией происходит энергетическая и кинематическая перестройка волн.
Плотность сопутствующего волне потока энергии, вынужденного вследствие поднятия дна проходить через все более и более уменьшающиеся сечения, несмотря на то что часть энергии теряется в пути, почти во всех случаях возрастает. Большая часть энергии сосредоточена теперь в гребне волны и перемещается вместе с ним. С приближением к берегу плотность потока энергии достигает критического предела, при котором наступает раз- рушение волны. Разбивающиеся прибойные волны обладают большой разрушительной силой (табл.).
| Высота волн, м | Длина волн, м | Максимальное давление, т/м2 |
| 3.6 | 40-46 | 1.2-5.6 |
| 4.2 | 61-64 | 6.5-8.5 |
| 4.8 | 76 | 10.7-11.6 |
У приглубого берега энергия волны поглощается в одном мощном обрушении, образующем явление прибоя. На отмелых берегах, начиная с глубины H < 2h, происходит забурунивание волн, т. е. частичное опрокидывание гребня с образованием пены, причем это может происходить несколько раз.
Рефракция волн у бухтового берега. Толщина полос, изображающих гребни волн, пропорциональна заключенной в них энергии (по В. П. Зенковичу).
За зоной прибоя масса воды уже не подчиняется законам волнового движения и образует прибойный поток - она взбегает по откосу берега, постепенно теряя скорость, а затем скатывается обратно в озеро в виде местных течений, идущих от берега. Такие течения называются разрывными.
Если разрушение .волн происходит вдали от берега (над мелями, подводными камнями), то разбитые волны называются бурунами. Если волна ударяется о какую-либо преграду, происходит взброс воды на некоторую высоту.