1.5. Ветровые волны

1.5.1. Причины возникновения волн

Волны относятся к такому виду неустановившегося периодического движения среды, при котором скорость перемещения формы среды обычно превышает скорости наибольших перемещений частиц среды. Посредством периодических колебательных движений в природе распространяются не только капиллярные и

гравитационные волны, но и звук, свет, энергия Солнца и другие виды материи.

Ветровыми волнами обычно называют порожденные ветром на водной поверхности непрерывно меняющиеся во времени и по пути движения чередующиеся между собой гребни и впадины сложной формы.

Представления о механизме зарождения и развития ветровых волн до сего времени окончательно не выработаны, хотя этим: вопросам еще в конце прошлого века занимались такие крупные ученые, как Кельвин и Гельмгольц. Многие исследователи [31, 195] считают, что возникающие волны образуют спектр одной системы, длины волн в которой увеличиваются с увеличением высоты волн по мере роста скорости ветра и длины разгона. Механизм зарождения начальных волн обычно представляется по-разному. П. Н. Успенский [226], например, объясняет зарождение начальных волн колебаниями давления в поверхностном слое, вызываемыми мелкими завихрениями воздушного потока. К. К. Федяевский [111] считал, что зарождению гравитационных волн способствуют капиллярные волны и что из всего спектра волн развиваются те, которые возникли первыми и скорость распространения с которых раньше, чем других, достигает соотношения

где скорость ветра над водной поверхностью.

В. В. Шулейкин [226] исходил из предположения, что рост волн связан с увеличением орбитальных скоростей. Применив к движущимся частицам теорему о моменте количества движения, он получил аналитическое выражение связи высоты волны с ее длиной в виде

где соответственно высота и длина волны в момент достижения максимальной крутизны, и те же элементы волн в любой другой момент.

Оригинальную точку зрения на развитие ветровых волн высказал Н. Е. Кондратьев [90]. Он исходил из теории волн малой амплитуды и пришел к выводу, что «с притоком энергии от ветра можно связывать только рост волны в высоту и нельзя связывать с притоком энергии рост волны в длину». Зарождающиеся волны, согласно гипотезе Кондратьева, имеют некоторую конечную длину и очень малую высоту. По пути распространения происходит постепенное увеличение высоты волны без заметных изменений ее длины. По мере достижения волнами данной системы предельной крутизны они начинают разрушаться. Вместо разрушающейся системы волн предельной крутизны на поверхности воды появляется система более пологих и длинных волн, способных поглощать энергию ветра и развиваться в высоту.

В 60-х годах были разработаны сугубо теоретические схемы развития ветровых волн, базирующиеся на классических представлениях Кельвина и Гельмгольца и не противоречащие уравнению баланса волновой энергии В. М. Маккавеева [111].

Рис. 1.7. (см. скан) Изменение элементов ветровых волн и скорости ветра в течение суток на Кайраккумском водохранилище. Расстояние от берега: средний период волны, — максимальная высота волны, высота волиы обеспеченности, скорость ветра над водной поверхностью

В одной из схем, предложенной Филлипсом [205, 243], в качестве основного источника генерации ветровых волн принимаются нормальные флюктуации давления турбулентного ветра. В схеме,

предложенной Майлзом [31], механизм генерации ветровых волн основан на теории неустойчивости границы раздела воздух—вода в условиях действия потока воздуха с градиентом скорости в пограничном слое. Лонге-Хиггинс предложил схему развития ветровых волн, основанную на учете свойства ветра сравнительно быстро передавать энергию коротким волнам с последующей передачей значительной ее части более длинным волнам.

К настоящему времени определено значительное количество спектров развивающегося волнения, которые подтверждают отдельные элементы перечисленных теоретических схем, но, к сожалению, синхронно не получены спектральные характеристики ветра в приводном пограничном слое. Из-за этого нельзя отдать предпочтения ни одной из теорий.

Для решения многих практических задач наибольшую ценность представляют сведения об интенсивности и общей продолжительности нарастания волнения как во времени в фиксированной точке водоема, так и по направлению разгона волн. Сведения по этим вопросам можно получить на основании специальных натурных исследований и по материалам лабораторных экспериментов 31, 249].

Значительный объем натурных исследований процесса развития ветрового волнения выполнен экспедицией ГГИ на Кайраккумском водохранилище, где для этого использовалась авиасъемка волн по продольной оси и по поперечникам, длительные синхронные наблюдения в четырех-пяти пунктах на различном расстоянии от берега и регулярные наблюдения или регистрация волн в одном-двух пунктах [169]. Некоторое представление об изменении элементов волн во времени на различном расстоянии от подветренного берега дает рис. 1.7, на котором представлены результаты инструментальных и полуинструментальных измерений волн в пяти точках водохранилища. Из рисунка хорошо видно, что продолжительность периода нарастания волнения и элементы волн увеличиваются с увеличением длины разгона волн. Анализ всех других материалов по названному объекту показал, что нарастание волн отстает от нарастания ветра тем больше, чем больше скорость ветра и расстояние от места наблюдений до берега. Только при очень плавном нарастании шторма нарастание элементов волн следует за нарастанием скорости ветра.