Umflare (ocean) - Swell (ocean)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Ruperea valurilor de umflare la Hermosa Beach , California

O umflătură , denumită uneori și sub formă de umflare la sol , în contextul unui ocean , mare sau lac , este o serie de unde mecanice care se propagă de-a lungul interfeței dintre apă și aer sub influența predominantă a gravitației ”și astfel sunt adesea menționate ca unde gravitaționale de suprafață . Aceste unde gravitaționale de suprafață își au originea ca valuri de vânt , dar sunt consecința dispersiei valurilor de vânt din sistemele meteorologice îndepărtate , unde vântul suflă o perioadă de timp peste o preluare de apă, iar aceste unde se deplasează din zona sursei la viteze. care sunt o funcție a perioadei și a lungimii undei. Mai general, o umflătură constă din valuri generate de vânt, care nu sunt foarte afectate de vântul local în acel moment. Undele de umflare au adesea o lungime de undă relativ mare , deoarece undele cu lungime de undă scurtă transportă mai puțină energie și se disipează mai repede, dar aceasta variază din cauza dimensiunii, puterii și duratei sistemului meteorologic responsabil pentru umflare și dimensiunea corpului de apă și variază de la eveniment la eveniment și de la același eveniment, în timp. Ocazional, umflături care depășesc 700m apar ca urmare a celor mai severe furtuni.

Direcția de umflare este direcția din care se mișcă umflătura. Este dată ca direcție geografică, fie în grade, fie în puncte ale busolei , cum ar fi NNW sau SW swell, și, la fel ca vânturile, direcția dată este, în general, direcția din care provine umflătura. Umflăturile au o gamă mai îngustă de frecvențe și direcții decât undele de vânt generate local, deoarece s-au dispersat din zona lor de generare și, în timp, tind să se sorteze după viteza de propagare, cu undele mai rapide care trec mai întâi un punct îndepărtat. Umflăturile au o formă și o direcție mai definite și sunt mai puțin aleatorii decât valurile de vânt generate local.

Formare

Spargătorii mari observați pe un țărm pot rezulta din sistemele meteorologice îndepărtate peste ocean. Cinci factori lucrează împreună pentru a determina dimensiunea valurilor vântului vântului care vor deveni umflături ale oceanului:

  • Viteza vântului - vântul trebuie să se deplaseze mai repede decât creasta valului (în direcția în care se deplasează creasta valului) pentru transferul net de energie din aer în apă; vânturile prelungite mai puternice creează valuri mai mari
  • Distanța neîntreruptă a apei deschise peste care bate vântul fără schimbări semnificative de direcție (numită fetch )
  • Lățimea suprafeței apei în preluare
  • Durata vântului - timpul peste care vântul a suflat peste preluare
  • Adâncimea apei

O undă este descrisă utilizând următoarele dimensiuni:

Lungimea undei este o funcție a perioadei și a adâncimii apei pentru adâncimi mai mici de aproximativ jumătate din lungimea undei, unde mișcarea undei este afectată de fricțiunea cu fundul.

Efectele valului de apă adâncă asupra mișcării particulelor de apă ( derivație Stokes ).

O mare complet dezvoltată are dimensiunea maximă a valului teoretic posibilă pentru un vânt cu o forță și o aducere specifice. O expunere suplimentară la acel vânt specific ar avea ca rezultat o pierdere de energie egală cu aportul de energie, oferind o stare stabilă, datorită disipării energiei de la vâscozitate și ruperii vârfurilor de undă ca „capace albe”.

Valurile dintr-o zonă dată au de obicei o gamă de înălțimi. Pentru raportarea vremii și pentru analiza științifică a statisticilor valurilor de vânt, înălțimea lor caracteristică pe un interval de timp este de obicei exprimată ca înălțime semnificativă a valurilor . Această cifră reprezintă o înălțime medie a celei mai mari treimi din valuri într-o anumită perioadă de timp (de obicei aleasă undeva în intervalul de la 20 de minute la douăsprezece ore) sau într-un sistem specific de valuri sau furtuni. Înălțimea semnificativă a valurilor este, de asemenea, valoarea pe care un „observator instruit” (de exemplu, de la echipajul navei) ar estima-o din observarea vizuală a stării mării. Având în vedere variabilitatea înălțimii valurilor, este posibil ca cele mai mari valuri individuale să fie puțin mai mici decât dublul înălțimii valurilor semnificative.

Fazele unei unde de suprafață oceanică: 1. Wave Crest, unde masele de apă ale stratului de suprafață se mișcă orizontal în aceeași direcție ca frontul de undă de propagare. 2. Val în cădere. 3. Jgheab, unde masele de apă ale stratului de suprafață se mișcă orizontal în direcția opusă direcției frontului de undă. 4. Unda în creștere.

Surse de generare a valurilor de vânt

Crucea mării de valuri de ape puțin adânci în apropierea Farului Balenelor (Phare des Baleines), Île de Ré

Valurile vântului sunt generate de vânt. Alte tipuri de tulburări, cum ar fi evenimentele seismice , pot provoca, de asemenea, unde gravitaționale, dar nu sunt valuri de vânt și, în general, nu duc la umflături. Generarea valurilor de vânt este inițiată de perturbările câmpului de vânt transversal de la suprafața apei.

Pentru condițiile inițiale ale unei suprafețe plate a apei ( scara Beaufort 0) și fluxuri bruste de vânt transversal pe suprafața apei, generarea undelor de vânt de suprafață poate fi explicată prin două mecanisme, care sunt inițiate de fluctuațiile normale de presiune ale vânturilor turbulente și ale vântului paralel curge de forfecare.

Generarea valurilor de suprafață prin vânturi

Mecanismul de formare a undei

Din „fluctuațiile vântului” : formarea valurilor de vânt este pornită de o distribuție aleatorie a presiunii normale care acționează asupra apei din vânt. Prin acest mecanism, propus de OM Phillips în 1957, suprafața apei este inițial în repaus, iar generarea valului este inițiată de fluxurile de vânt turbulente și apoi de fluctuațiile vântului, presiunea normală acționând asupra suprafeței apei. Datorită acestei fluctuații de presiune apar tensiuni normale și tangențiale care generează comportamentul undelor pe suprafața apei.

Ipotezele acestui mecanism sunt următoarele:

  • Apa este inițial în repaus;
  • Apa este inviscidă ;
  • Apa este irotabilă ;
  • Presiunea normală la suprafața apei de la vântul turbulent este distribuită aleatoriu; și
  • Corelațiile dintre mișcările aerului și ale apei sunt neglijate.

De la „forțele de forfecare a vântului” : în 1957, John W. Miles a sugerat un mecanism de generare a undelor de suprafață care este inițiat de fluxurile de forfecare a vântului turbulente , pe baza ecuației inviscide Orr-Sommerfeld . El a descoperit că transferul de energie de la vânt la suprafața apei ca o viteză de undă ,, este proporțional cu curbura profilului vitezei vântului ,, în punctul în care viteza medie a vântului este egală cu viteza de undă ( , unde este media viteza turbulentă a vântului). Deoarece profilul vântului ,, este logaritmic la suprafața apei, curbura ,, are un semn negativ la punctul respectiv . Această relație arată fluxul vântului care își transferă energia cinetică la suprafața apei la interfața lor și de aici apare viteza de undă ,. Rata de creștere poate fi determinată de curbura vânturilor ( ) la înălțimea direcției ( ) pentru o viteză dată a vântului ,.

Ipotezele acestui mecanism sunt:

  • 2-dimensional, flux de forfecare paralel ,.
  • Apă / vânt incompresibil, inviscibil.
  • Apă irotațională.
  • Panta mică a deplasării suprafeței.


În general, aceste mecanisme de formare a undelor apar împreună la suprafața oceanului, dând naștere valurilor de vânt care în cele din urmă cresc în valuri complet dezvoltate. Dacă se presupune o suprafață a mării foarte plană (numărul Beaufort, 0) și fluxul brusc de vânt suflă constant peste ea, procesul de generare a undelor fizice ar fi astfel:

  1. Fluxurile de vânt turbulent formează fluctuații aleatorii de presiune la suprafața mării. Valurile mici cu ordinea lungimilor de undă de câțiva centimetri sunt generate de fluctuațiile de presiune (mecanismul Phillips).
  2. Vântul încrucișat continuă să acționeze pe suprafața mării fluctuată inițial. Apoi valurile devin mai mari și, în timp ce fac acest lucru, diferențele de presiune cresc, iar instabilitatea de forfecare rezultată accelerează creșterea valurilor exponențial (mecanismul Miles).
  3. Interacțiunea dintre valurile de la suprafață generează unde mai lungi (Hasselmann și colab., 1973) și această interacțiune transferă energia din undele mai scurte generate de mecanismul Miles către cele care au frecvențe ușor mai mici decât la mărimile de undă de vârf. În cele din urmă, viteza de undă devine mai mare decât cea a vântului încrucișat (Pierson și Moskowitz).
Condițiile necesare pentru o mare complet dezvoltată la viteze date ale vântului și parametrii valurilor rezultate
Condițiile vântului Mărimea valului
Viteza vântului într-o singură direcție Aduceți Durata vântului Înălțime medie Lungimea de undă medie Perioada medie și viteza
19 km / h (12 mph; 10 kn) 19 km (12 mi) 2 ore 0,27 m (0,89 ft) 8,5 m (28 ft) 3,0 s, 2,8 m / s (9,3 ft / s)
37 km / h (23 mph; 20 kn) 139 km (86 mi) 10 h 1,5 m (4,9 ft) 33,8 m (111 ft) 5,7 s, 5,9 m / s (19,5 ft / s)
56 km / h (35 mph; 30 kn) 518 km (322 mi) 23 h 4,1 m (13 ft) 76,5 m (251 ft) 8,6 s, 8,9 m / s (29,2 ft / s)
74 km / h (46 mph; 40 kn) 1.313 km (816 mi) 42 h 8,5 m (28 ft) 136 m (446 ft) 11,4 s, 11,9 m / s (39,1 ft / s)
92 km / h (57 mph; 50 kn) 2.627 km (1.632 mi) 69 h 14,8 m (49 ft) 212,2 m (696 ft) 14,3 s, 14,8 m / s (48,7 ft / s)
  • (Notă: Majoritatea vitezelor de undă calculate din lungimea de undă împărțită la perioadă sunt proporționale cu rădăcina pătrată a lungimii. Astfel, cu excepția celei mai scurte lungimi de undă, undele urmează teoria apei adânci descrisă în secțiunea următoare. Cei 8,5 m valul lung trebuie să fie fie în apă puțin adâncă, fie între adânc și superficial.)

Dezvoltarea valurilor de umflare

Undele lungi de umflare se dezvoltă din și iau energie din undele de vânt mai scurte. Procesul a fost descris pentru prima dată de Hasselmann după investigarea efectelor neliniare care sunt cele mai pronunțate în apropierea vârfurilor celor mai înalte valuri. El a arătat că, prin aceste neliniarități, două trenuri de unde în apa adâncă pot interacționa pentru a genera două noi seturi de unde, una în general mai lungă și cealaltă cu lungime de undă mai mică.

Ecuația pe care Hasselmann a dezvoltat-o ​​pentru a descrie acest proces este acum utilizată în modelele stării mării (de exemplu Wavewatch III) utilizate de toate centrele majore de prognozare a vremii și a climei. Acest lucru se datorează faptului că atât marea vântului, cât și umflătura au efecte semnificative asupra transferului de căldură din ocean în atmosferă. Acest lucru afectează atât sistemele climatice la scară largă, cum ar fi El Niño , cât și sistemele la scară mai mică, cum ar fi depresiunile atmosferice care se dezvoltă lângă marginile cursului Golfului .

O descriere fizică bună a procesului Hasselmann este greu de explicat, dar efectele neliniare sunt cele mai mari în apropierea vârfurilor celor mai înalte valuri, iar undele scurte, care de multe ori se rup aproape de aceeași poziție, pot fi folosite ca analogie.

Acest lucru se datorează faptului că fiecare undă mică de rupere dă o mică apăsare undei mai lungi pe care se sparge. Din punctul de vedere al valului lung, acesta primește o mică împingere pe fiecare dintre creastele sale, la fel ca un leagăn care primește o mică împingere la momentul potrivit. De asemenea, nu există un efect comparabil în jgheabul valului - termen care ar tinde să reducă dimensiunea valului lung.

Din punctul de vedere al unui fizician, acest efect prezintă un interes suplimentar, deoarece arată cum, ceea ce începe ca un câmp de unde aleatoriu, poate genera ordinea unui tren lung de unde de umflare cu prețul pierderilor de energie și al tulburării crescute care afectează toate micile valuri care se sparg. Sortarea mărimii bobului de nisip, adesea văzută pe o plajă, este un proces similar (la fel și viața multă ).

Disipare

Disiparea energiei de umflare este mult mai puternică pentru valurile scurte, motiv pentru care umflăturile din furtunile îndepărtate sunt doar valuri lungi. Disiparea valurilor cu perioade mai mari de 13 secunde este foarte slabă, dar totuși semnificativă la scara Oceanului Pacific. Aceste umflături lungi își pierd jumătate din energie pe o distanță care variază de la peste 20.000 km (jumătate din distanța din jurul globului) la puțin peste 2.000 km. S-a constatat că această variație este o funcție sistematică a abruptului umflăturii: raportul dintre înălțimea umflăturii și lungimea de undă. Motivul acestui comportament este încă neclar, dar este posibil ca această disipare să fie cauzată de fricțiunea la interfața aer-mare.

Dispersia umflării și grupurile de unde

Umflăturile sunt adesea create de furtuni la mii de mile marine distanță de țărmurile unde se rup, iar propagarea celor mai lungi umflături este limitată în primul rând de țărmuri. De exemplu, umflăturile generate în Oceanul Indian au fost înregistrate în California după mai mult de jumătate de călătorie în întreaga lume. Această distanță permite valurilor care cuprind umflăturile să fie mai bine sortate și libere de cotlet pe măsură ce călătoresc spre coastă. Valurile generate de vânturile de furtună au aceeași viteză și se vor grupa și vor călători între ele, în timp ce altele care se mișcă cu o fracțiune de metru pe secundă mai lent vor rămâne în urmă, ajungând în cele din urmă multe ore mai târziu datorită distanței parcurse. Timpul de propagare din sursă t este proporțională cu distanța X împărțită perioada undei T . În apele adânci este locul unde g este accelerația gravitației. Pentru o furtună situată la 10.000 km distanță, umflăturile cu o perioadă T = 15 s vor ajunge la 10 zile după furtună, urmate de 14 s se umflă alte 17 ore mai târziu, și așa mai departe.

Sosirea dispersată a umflăturilor, începând cu cea mai lungă perioadă, cu o reducere a perioadei de undă de vârf în timp, poate fi utilizată pentru a calcula distanța la care au fost generate umflăturile.

În timp ce starea mării în furtună are un spectru de frecvență cu mai mult sau mai puțin aceeași formă (adică un vârf bine definit cu frecvențe dominante în plus sau minus 7% din vârf), spectrele de umflare sunt din ce în ce mai înguste, uneori ca 2 % sau mai puțin, pe măsură ce valurile se dispersează din ce în ce mai departe. Rezultatul este că grupurile de valuri (numite seturi de surferi) pot avea un număr mare de valuri. De la aproximativ șapte valuri pe grup în timpul furtunii, aceasta se ridică la 20 și mai mult în umflături din furtuni foarte îndepărtate.

Impacturile de pe coastă

La fel ca pentru toate valurile de apă, fluxul de energie este proporțional cu înălțimea de undă semnificativă pătrată de viteza grupului . În apele adânci, această viteză de grup este proporțională cu perioada de undă. Prin urmare, umflăturile cu perioade mai lungi pot transfera mai multă energie decât valurile de vânt mai scurte. De asemenea, amplitudinea undelor infragravity crește dramatic cu perioada de undă (aproximativ pătratul perioadei), care are ca rezultat mai mare run-up .

Deoarece undele de umflare au de obicei lungimi de undă lungi (și deci o bază de undă mai adâncă), ele încep procesul de refracție (vezi unde de apă ) la distanțe mai mari în larg (în apă mai adâncă) decât undele generate local.

Deoarece valurile generate de umflături sunt amestecate cu valurile normale ale mării, ele pot fi dificil de detectat cu ochiul liber (în special departe de țărm) dacă nu sunt semnificativ mai mari decât valurile normale. Din punct de vedere al analizei semnalului , umflăturile pot fi considerate ca un semnal de undă destul de regulat (deși nu continuu) existent în mijlocul unui zgomot puternic (de exemplu, valuri normale și chop ).

Navigare

Umflăturile au fost folosite de navigatorii micronezieni pentru a menține cursul atunci când nu existau alte indicii disponibile, cum ar fi în nopțile cu ceață.

Vezi si

Referințe

linkuri externe