Swell Lyttelton Harbour közelében, Új-Zéland
A parton megfigyelhető nagy hullámverések a megszakítás nélküli óceán bizonyos távolságában lévő távoli időjárási rendszerek eredménye lehet. Öt tényező befolyásolja a szélhullámok kialakulását, amelyekből aztán óceáni hullámzás lesz:
- A szél sebessége vagy erőssége a hullámsebességhez képest – a szélnek gyorsabban kell mozognia, mint a hullámhegy (abban az irányban, amerre a hullámhegy halad) a levegőből a vízbe történő nettó energiaátadáshoz; az erősebb, hosszan tartó szél nagyobb hullámokat hoz létre
- A nyílt víz megszakítás nélküli távolsága, amelyen a szél jelentős irányváltozás nélkül átfúj (úgynevezett fetch)
- A vízfelület szélessége a fetchben
- A szél időtartama – az az idő, amely alatt a szél a fetch felett fújt
- Vízmélység
Mindezen tényezők együttesen határozzák meg a szélhullámok méretét:
- Hullámmagasság (a hullámvölgytől a hullámhegyig)
- Hullámhossz (a hullámhegytől a hullámhegyig)
- Hullámperiódus (az egymást követő hullámhegyek egy helyhez kötött pontra való megérkezése közötti időintervallum)
- Hullámterjedési irány
A mélyvízi hullámok hatása a vízrészecskék mozgására (Stokes sodródás).
Egy teljesen kifejlett tenger hullámmérete az adott erősségű szél és fetch esetén elméletileg lehetséges legnagyobb hullámméret. Az adott szélnek való további kitettség az állandósult állapotot adó energiabevitellel megegyező energiaveszteséget eredményezne a viszkozitásból és a hullámhegyek “whitecaps”-ként való letöréséből származó energia disszipáció miatt. Egy adott területen a hullámok jellemzően különböző magasságúak. Az időjárás-jelentésekhez és a szélhullám-statisztikák tudományos elemzéséhez az időintervallumra jellemző magasságukat általában szignifikáns hullámmagasságként fejezik ki. Ez a szám a hullámok legmagasabb egyharmadának átlagos magasságát jelenti egy adott időintervallumban (amelyet általában valahol a 20 perc és tizenkét óra közötti tartományban választanak ki), vagy egy adott hullám- vagy viharrendszerben. A szignifikáns hullámmagasság egyben az az érték is, amelyet egy “képzett megfigyelő” (pl. egy hajó legénységéből) a tengeri állapot vizuális megfigyelése alapján becsülne meg. Tekintettel a hullámmagasság változékonyságára, a legnagyobb egyedi hullámok valószínűleg valamivel kisebbek, mint a szignifikáns hullámmagasság kétszerese.
A tengerfelszíni hullám fázisai: 1. Hullámcsúcs, amikor a felszíni réteg víztömegei vízszintesen a terjedő hullámfront irányába mozognak. 2. Zuhanó hullám. 3. Völgy, ahol a felszíni réteg víztömegei a hullámfront irányával ellentétes irányban mozognak vízszintesen. 4. Felszálló hullám.
A szélhullámok keletkezésének forrásaiSzerkesztés
Sekélyvízi hullámok kereszttengere a Bálnák világítótornya (Phare des Baleines) közelében, Île de Ré
A szélhullámokat a szél generálja. Másfajta zavarok, például szeizmikus események is okozhatnak gravitációs hullámokat, de ezek nem szélhullámok, és általában nem eredményeznek hullámverést. A szélhullámok keletkezését a víz felszínén lévő keresztszélmező zavarai indítják el.
Ha azonban sík vízfelületet (Beaufort-skála 0) és a víz felszínén hirtelen keresztáramlást állítunk be, akkor a felszíni szélhullámok keletkezése két mechanizmussal magyarázható, amelyeket a turbulens szelek normál nyomásingadozásai és a párhuzamos szélnyíró áramlások indítanak el.
Felszíni hullámok keletkezése a szelek általSzerkesztés
A hullámképződési mechanizmus
A “szélingadozásból”: A szélhullámok kialakulását a szél által a vízre ható normálnyomás véletlenszerű eloszlása indítja el. Az O.M. Phillips által 1957-ben javasolt mechanizmus szerint a vízfelület kezdetben nyugalomban van, és a hullám keletkezését a turbulens széláramlás, majd a szél ingadozása, a vízfelületre ható normálnyomás indítja el. Ennek a nyomásingadozásnak köszönhetően normál és érintőleges feszültségek keletkeznek, amelyek a vízfelületen a hullámok viselkedését generálják.
A mechanizmus feltételezései a következők:
- A víz eredetileg nyugalomban van;
- A víz inviscid;
- A víz irrotációs;
- A turbulens szél által a vízfelületre ható normálnyomás véletlenszerűen oszlik el; és
- A levegő és a víz mozgása közötti korrelációkat elhanyagoljuk.
A mechanizmus feltételezései a következők:
Általában ezek a hullámképződési mechanizmusok együttesen fordulnak elő az óceán felszínén, így szélhullámok keletkeznek, amelyek végül teljesen kifejlett hullámokká nőnek. Ha feltételezzük, hogy a tengerfelszín nagyon sík (Beaufort-szám, 0), és a hirtelen széláramlás egyenletesen átfúj rajta, akkor a fizikai hullámképződési folyamat a következőképpen néz ki:
- Turbulens széláramlások véletlenszerű nyomásingadozásokat alakítanak ki a tengerfelszínen. A nyomásingadozások hatására kis, néhány centiméteres hullámhosszúságú hullámok keletkeznek (Phillips-mechanizmus).
- A keresztszél továbbra is hat a kezdetben ingadozó tengerfelszínre. Ezután a hullámok nagyobbak lesznek, és ennek során a nyomáskülönbségek megnőnek, és az ebből eredő nyírási instabilitás exponenciálisan felgyorsítja a hullámok növekedését (Miles-mechanizmus).
- A hullámok közötti kölcsönhatás a felszínen hosszabb hullámokat generál (Hasselmann et al., 1973), és ez a kölcsönhatás energiát ad át a Miles-mechanizmus által generált rövidebb hullámokból olyan hullámokba, amelyek frekvenciája valamivel alacsonyabb, mint a hullámok csúcsnagyságánál. Végül a hullámsebesség nagyobb lesz, mint a keresztszélé (Pierson & Moskowitz).
- (Megjegyzés: A hullámhossz és a periódus hányadosából számított hullámsebességek többsége a hossz négyzetgyökével arányos. Így a legrövidebb hullámhossz kivételével a hullámok a következő fejezetben ismertetett mélyvízi elméletet követik. A 8,5 m hosszú hullámnak vagy sekély vízben, vagy a mély és a sekély víz között kell lennie.)