Podstawowe wiadomości o falowaniu

Katedra Meteorologii i Oceanografii Nautycznej Wydziału Nawigacyjnego Akademii Morskiej w Gdyni

Materiały dla studentów Wydziału Nawigacyjnego; kierunek nawigacja (transport morski)

Podstawowe wiadomości o falowaniu na powierzchni morza

Na powierzchni morza zawsze występuje falowanie. Występujące falowanie (fale) można podzielić według ich genezy na:

- falowanie wiatrowe, tworzące się pod wpływem wiatru oddziałującego na powierzchnię wody. Przemieszczające się nad wodą powietrze przekazuje powierzchni wody część swojej energii kinetycznej, która następnie przemieszcza się wraz z powstałymi odkształceniami powierzchni wody (falami wiatrowymi, które są falami wymuszonymi). Fale wiatrowe po wyjściu spod działania generującego je wiatru przestają być falami wiatrowymi, stajc się falami rozkołysu (inaczej "martwymi falami") przemieszczają się dalej już jako fale swobodne, kosztem nagromadzonych w nich zasobach energii. Falowanie wiatrowe jest najczęściej obserwowanym rodzajem falowania występującego na powierzchni mórz i oceanów,

- fale pływowe, tworzą się pod wpływem grawitacyjnego oddziaływania Słońca i Księżyca. Najprościej można wyobrazić sobie to w ten sposób, że w rejonie Ziemi "najbliżej" skierowanym do Słońca i Księżyca oraz po stronie przeciwnej Ziemi, poziom wody się podnosi powyżej stanu średniego (tworzą się "wybrzuszenia" powierzchni wody). Ze względu na obrót Ziemi dookoła własnej osi, te "wybrzuszenia" opływają Ziemię, tworząc fale o bardzo dużej długości. W rzeczywistości ze wględu na rozkład lądów i oceanów, oraz odmienne położenie Słońca i Księżyca w danych momentach (i 100 jeszcze innych powodów) natura fal pływowych jest znacznie bardziej skomplikowana, niż tu, w pierwszym "naiwnym" przybliżeniu podano. Wielka długość fali pływowej (a tym samym i wielki jej okres) powoduje, że fali pływowej "nie widzimy" jako fali, lecz odbieramy jej występowanie jako zmiany poziomu morza. Te ostatnie możliwe jest do dostrzeżenia tylko w pobliżu brzegów (linii brzegowej). Na otwartym morzu czy oceanie fale pływowe nie są widoczne. Mimo, że fal tych na wodach otwartych się nie zauważa, fale pływowe występują powszechnie. Razem z falami wiatrowymi i falami rozkołysu są najpospoliciej i powszechnie występującym rodzajem falowania.

- fale anemobaryczne, powstają pod łącznym działaniem zmian ciśnienia atmosferycznego i towarzyszącemu tym zmianom wiatru. Ponieważ układy baryczne przemieszczają się w przestrzeni, generowana przez zmiany ciśnienia i wiatr odchylenia powierzchni morza również przemieszczają się, tworząc falę [ 1 ]. Fale anemobaryczne, jako fale długie, demonstrują swoją obecność jako zmiany poziomu morza. Są one szczególnie dobrze zauważalne na wybrzeżach. Na Bałtyku tak zwane "spiętrzenia sztormowe" to nic innego jak przejaw fali anemobarycznej. Na morzach pływowych (np. na Morzu Północnym) na falę anemobaryczną nakłada się zazwyczaj jeszcze fala pływowa, tworząc łącznie spiętrzenie sztormowe. Typowe dla cyklonów tropikalnych podniesienia się poziomu morza również stanowią przejaw fali anemobarycznej.

- fale sejsmiczne (fale tsunami), powstają w wyniku zmian położenia skorupy ziemskiej pod oceanem (lub inaczej - kształtu dna). Ich geneza jest związana z zachodzącymi pod dnem ruchami sejsmicznymi (trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów pod- lub nadmorskich), ale też w występowaniem zsuwów podmorskich, zsuwami materiału z obszaru nadbrzeżnego do morza, oberwaniami lodu z uchodzących do morza (fiordu) lodowców, itp. W przypadku wystąpienia fal tsunami powodowanych przez trzęsienia ziemi, fala taka może jako fala pojedyncza (rzadko) lub seria kilku po sobie nadchodzących fal, przemieszczać się na wielkie odległości. Na otwartym oceanie fala tsunami jest niezauważalna, bardzo dużą wysokość i niszczycielską siłę osiąga dochodząc do brzegu oraz na płyciznach.

- fale wymuszone przez działanie przemieszczających się po wodzie obiektów (np. statków). Te ostatnie nie odgrywają na otwartych wodach żadnej istotnej roli, mogą jednak wpływać na różne procesy (np. rozmywanie brzegów) w kanałach i na farwaterach.

Pod względem stosunku długości fali ( l ) do głębokości akwenu ( H ), na którym przemieszcza się fala wszystkie fale można podzielić na fale długie i fale krótkie. Falami długimi nazywa się fale, których długość jest większa od głębokości akwenu ( l > H oraz l >> H ). Falami długimi są fale tsunami, fale anembaryczne i fale pływowe. Fale krótkie to fale których długość jest mniejsza od głębokości akwenu ( l < H). Fale wiatrowe, w zależności od swojej długości i głębokości akwenu mogą być zarówno falami długimi (np. fala o długości 100 m przemieszczająca się po akwenie o głębokości 50 m), jak i falami krótkimi (np. fala o długości 100 m przemieszczająca się na powierzchni akwenu o głębokości 3000 m).
Fala dwuwymiarowa to fala, której grzbiet jest wielokrotnie dłuższy od jej długości, fala trójwymiarowa to fala, której długość grzbietu jest krótsza lub współmierna z długością fali. Fale trówymiarowe powstają jako rezultat interferencji dwóch lub więcej systemów falowania. Na ogół na powierzchni morza interferują fale wiatrowe z falami rozkołysu.

Pojęcia:
grzbiet fali - część powierzchni wody, najczęściej linearnie rozciągnięta, znajdująca się powyżej średniego poziomu wody,
wierzchołek grzbietu fali - najwyższa część grzbietu,
dolina fali - część powierzchni wody, najczęściej linearnie wyciągnia, mniej lub bardziej równoległa do grzbietu fali, znajdująca sę poniżej średniego poziomu wody,
dno doliny fali - najniższa część doliny fali.

Rozmiary każdej fali postępującącej (postępowej; przemieszczającej się w przestrzeni) mogą być opisane za pomocą kilku charakterystycznych wielkości, którymi są:
długość fali (oznaczenie najczęściej małą grecką literą lambda), jest to odległość między dwoma charakterystycznymi punktami (elementami) sąsiadujących ze sobą fal. Najczęściej liczona jest jako odległość między najwyższą częścią grzbietu jednej, do najwższej części grzbietu następnej fali. Mierzymy w metrach (m).
okres fali (oznaczany najczęściej małą grecką literą tau). Jest to czas, jaki upływa między przejściem charakterystycznych elementów dwu kolejno po sobie przechodzących fal względem nieruchomego punktu (np. czas jaki jest potrzebny, aby względem danego punktu przez który właśnie przechodzi grzbiet fali przeszedł grzbiet następnej fali). Inna prosta definicja okresu - to czas, w którym fala przemieszcza się o swoją długość. Mierzymy w sekunadach (s).
prędkość fali (oznaczana najczęściej małą literą c). Jest to prędkość z jaką przemieszcza się w przestrzeni charakterystyczny element fali (np. grzbiet). Określamy w m/s [m·s^-1]. Nie trudno domyślić się, że c = lambda / tau.
wysokość fali (oznaczona najczęściej małą lierą h) jest różnicą wysokości między najniższym fragmentem dna doliny fali a najwyższym fragmentem grzbietu fali. Inaczej amplituda poziomu wody poszczególnej fali.

Pomiędzy długością fali, okresem fali i prędkością fali występują ścisłe związki funkcjonalne. Pozwala to, przy znajomości jednego parametru fali obliczyć dwa pozostałe parametry (na przykład znając okres fali możemy bez problemu obliczyć jej długość i prędkość).

	l	t	c
l =	-	1.56·t²	0.64·c²
t =	0.8·l^0.5	-	0.64·c
c =	1.25·l^0.5	1.56·t	-

gdzie: l - długość fali (m), t - okres fali (s), c - prędkość fali (m·s^-1)

Wysokość fali nie jest funkcjonalnie związana z wymienionymi parametrami. Oznacza to, że z długości fali nie możemy w sposób ścisły wnioskować o wysokości fali, i odwrotnie - z wysokości fali nie wynika [ 2 ] ani jej długość, okres ani też prędkość. Istniejące związki między wysokością a długością fali i innymi jej parametrami mają charakter statystyczny i wynikają z analizy obserwacji empirycznych

Stromość fali jest współczynnikiem bezwymiarowym, najczęściej definiowanym jako h/l (stosunek wysokości fali do jej długości. Wartość ta nie ma sensu fizycznego. Znacznie rzadziej możemy spotkać się ze stromością fali definiowaną jako h/0.5·l (stosunek wysokości fali do połowy jej długości). Taka warość informuje o nachyleniu powierzchni wody w obrębie fali - od doliny do grzbietu. Wartość ta stanowi średni tangens nachylenia powierzchni wody.

Słownik. Informacje dodatkowe
Omawiane fale są falami powierzchniowymi. Oprócz fal powierzchniowych występują w oceanie fale wewnętrzne, tworzące się na granicach mas wód o różnych gęstościach, jeśli te [granice] są ostre.
Fala pojedyncza - fala, przemieszczająca się jako pojedynczy grzbiet (często niewidoczny na otwartym oceanie)
Fala postępowa (postępująca) - fala, której grzbiet i dolina wykazuje ruch postępowy w przestrzeni.
Fala stojąca - fala, która tworzy się wyłącznie w rezultacie pionowych ruchów wody, nie wykazuje przemieszczania w przestrzeni. W tym samym miejscu powierzchnia wody raz się pdonosi tworząc grzbiet fali lub "pagór" wodny, następnie opada i w tym samym miejscu powstaje dolina fali lub "zagłębienie bezodpływowe". Obok następuje taki sam ruch wody, przesunięty w fazie o 180°. Powierzchnia morza jakby pulsowała. Obserwujemy często w sytuacji odbijania się fali od pionowej ścianki, na przedpolu takiej ścianki często tworzy się fala stojąca, podobnie przed pionowymi skalnymi klifami. Wielokrotnie było opisywane występowanie stojących w oku cyklonu tropikalnego.

Odnośniki:

[ 1 ] Powierzchnia morza jest powierzchnią izobaryczną, czyli jednakowego ciśnienia. W przypadku, gdy nad wodą spada ciśnienie, swobodna powierzchnia morza podnosi się, aby zrekompensować ten spadek ciśnienia, i znaleźć się w stanie równowagi (i odwrotnie - gdy ciśnienie atmosferyczne wzrasta, poziom morza się obniża). Spadek ciśnienia o 1 hPa powoduje statyczny wzrost powierzchni morza o około 10 mm, wzrost ciśnienia o 1 hPa - obniżenie się powierzchni morza o 10 mm. Jeśli przemieszcza się układ niżowy, wraz z układem przemieszcza się, jako fala anemobaryczna znajdująca się pod niżem "kopuła wody". Dodatkowo na podniesienie się poziomu wody wpływają naprężenia styczne wiatru, które przemieszczają wodę. W rezultacie wysokość fali anemobarycznej może być większa (ale też może być mniejsza) od od samej wysokości generowanej przez zmiany ciśnienia. Zazwyczaj przed podniesieniem się poziomu morza związanego z falą anemobaryczną obserwuje się obniżenie poziomu morza. Fala anebaryczna reperezentuje tak zwaną falę pojedynczą.

[ 2 ] Podobnie jak z częstotliwości wysyłanego sygnału radiowego nie wynika jego amplituda (częstotliwość nic nie mówi o amplitudzie), ani też natężenie sygnału w punkcie (mV/m) nie ma związku z częstotliwością odbieranego sygnału.