1. Хвилі, їх елементи

Уся маса океанічних вод безперервно рухається. Навіть у штильовий спокійний вечір на морському березі чується тихий плеск хвиль. При найменшому вітрі на поверхні водойми виникають брижі. Часточки води рухаються, при чому одночасно відбуваються коливні рухи (вгору - вниз) і поступальні - вперед-назад. При хвилюванні переважають коливні рухи, при течіях - поступальні. Хвилі - це коливні рухи, при яких частинки води описують замкнені орбіти (кругові або еліптичні), здійснюючи вертикальні та частково горизонтальні переміщення. Тобто хвилювання - це коливання водної поверхні вниз-вгору біля середнього рівня. Якась тріска чи дощечка на водній поверхні лише піднімається або опускається, ніби пропускаючи під собою водну масу. Горизонтальне переміщення води дуже невелике. Це можна порівняти з хвилюванням хлібного поля чи ковили в степу: хвилі біжать по полю, але рослини залишаються на місці і лише колосся робить орбітальні рухи.

2. Класифікація хвиль за походженням

Хвилі виникають на площині контакту мас із різною густиною, у даному випадку води й повітря в результаті порушення рівноваги рівневої поверхні та намагання сили тяжіння відновити цю рівновагу. Причини порушення рівноваги й виникнення хвиль:

1. Вітер спричинює вітрові хвилі.

2. Припливні рухи обумовлюють припливні хвилі.

3. Різка зміна атмосферного тиску при проходженні циклонів призводить до утворення анемобаричних хвиль.

4. Підводні землетруси й виверження вулканів є причиною сейсмічних хвиль (цунамі).

5. Сейші - стоячі вільні хвилі, що виникають під впливом різких порушень рівноваги води в результаті згонно-нагонних явищ під впливом вітру, чи при значних опадах, чи різкій зміні атмосферного тиску, або під впливом припливів. В одному місці закритого басейну рівень води піднімається, в інших - опускається.

6. Внутрішні хвилі – хвилі, що виникають у товщі води на поверхні розділу шарів води з різною густиною або під впливом сейсмічних чинників , припливоутворюючої сили, руху кораблів.

3. Характеристика вітрових хвиль

Найбільш поширені вітрові хвилі. При малих швидкостях вітру ( до 0,25 м/сек.) унаслідок тертя повітря об воду виникає система дрібних рівномірних хвиль, які з'являються при кожному пориві вітру, а потім зникають. У даному випадку тиску вітру протистоїть сила поверхневого натягу воду (або капілярна сила), що зміщену водну масу повертає на попереднє місце. При швидкості хвиль менше 1м/сек. на воду впливає і тертя, і удари. Тоді виникають власне хвилі, яким протистоять гравітаційні сили.

Хвилі бувають поступальні, коли профіль хвилі переміщується у просторі, й стоячі, які виникають в результаті інтерференції (накладання) хвиль. Хвилі характеризуються такими елементами: підошва, схили, гребінь.

Правильна хвиля має трохоїдальну форму. Хвилі характеризуються швидкістю і періодом. Швидкість - це відстань, яку проходить гребінь (або підошва) за одиницю часу. Період - проміжок часу між проходженням через одну й ту ж точку удвох послідовних гребенів або підошв. Висота більшості вітрових океанських хвиль - 4 - 4,5 м, довжина - 90 – 100 м, період - 7 - 9 сек.

Максимальна висота хвилі - 34 м., при цьому її довжина не більше 250 м. При висоті 2 - 4 м. хвилі мають максимальну довжину – більше 1000 м.

Морські хвилі менші. Наприклад, в Азовському морі їх максимальна висота менша 4 - 6 м, на Чорному морі - менша 10 - 12 м. Висота хвиль визначається із космічних супутників за допомогою радіовисотомірів. Метод радіолокації вимірює відстань від супутника до поверхні океану. Це дані для обчислення висоти хвиль.

Але хто бачив морські хвилі, той пам’ятає їх неправильну форму. Гребінь під впливом вітру зміщується вперед і обганяє підошву. В результаті гребені перевертаються, утворюючи "білянки" з піною. Чим довша хвиля, тим більша її глибина. На глибині, більшій половини довжини хвилі, хвилювання затухає. При наближенні до берега рух частинок води уповільнюється. Орбіти стають усе більш витягнутими. Частинки починають рухатися прямолінійно й швидко до берега, гребінь зміщується вперед і хвиля руйнується. Так виникає прибій. Якщо гребінь плавно спускається вниз по схилу хвилі, то виникає бурун (на рифах).

Такі величезні маси води, що рухаються, мають величезну енергію: кінетичну в результаті руху частинок по орбітах і потенціальну при підйомі частинок над рівнем моря. Потужність морських хвиль висотою 5 м і довжиною 100 м, які проходять через переріз довжиною 10 км. і висотою 100 м. за 1 сек., становить 2 млн. кВт., що еквівалентно потужності великої електростанції. Хвилі висотою 8 м при переміщенні на 1 м по фронту розвивають потужність у 73 кінські сили. Цим пояснюється руйнівна сила хвиль.

Сила удару штормових хвиль у відкритому морі досягає 30 т/м², а на узбережжі набагато більше. На атлантичному узбережжі Америки була зафіксована сила удару хвилі 90 т/м². На узбережжі Шотландії хвилями був розбитий і розкиданий монолітний кам’яний блок вагою 135 т., а також був знесений пірс масою 1 600 т. На Чорному морі поблизу Симеїзу в 1931 році під час шторму хвилі розбили на 3 частини монолітну скелю Монах, яка простояла тисячоліття.

На підході до берега хвилі змінюють свій напрямок, намагаючись підійти до берега перпендикулярно. Переміщуючись під кутом до берега, хвиля у тій частині, яка раніше приходить на мілководдя, уповільнює рух із-за тертя, а інша частина продовжує переміщуватися з більшою швидкістю. В результаті хвиля поступово розвертається фронтом до берега. Це явище називається рефракцією хвиль.