POWRÓT

Falowanie wiatrowe

Falowanie głębokowodne

Falowanie płytkowodne

Falowanie oceanu najczęściej wywołuje wiatr. Badanie tego typu falowania polega na wyjaśnianiu mechanizmu przekazywania energii wiatru powierzchni wody. Skomplikowaną, dynamiczną jego strukturę, objawiającą się pulsacją prędkości i kierunku, potwierdza bardzo szerokie widmo fal o różnej częstotliwości. Przepływ powietrza nad wodą ma charakter turbulentny. Z tego powodu powstają miejscowe różnice ciśnień, prowadzące do ruchu cząsteczek. Przy długotrwałym wianiu (pod wpływem tych ściśle ze sobą powiązanych zjawisk) kształtują się fale o regularnym profilu. Z czasem rośnie ich amplituda i energia. Dzięki lepkości ruchy cząsteczek są przenoszone ku warstwom zalegającym głębiej. Przez cały czas oddziaływania wiatru na powierzchnię następuje energetyczne zasilanie fal. Prędkość wiatru musi jednak być większa od prędkości rozchodzenia fal. Gdy wieje z mniejszą siłą lub zmieni kierunek, nastąpi osłabienie falowania. Gdy z większą grzbiety fal od strony nawietrznej wydłużają się, a po zawietrznej są bardziej strome. Przy bardzo silnym wietrze wierzchołki są zrywane i przemieszczane w powietrzu w postaci piany. Na pierwotnej fali mogą tworzyć się fale drugiego, trzeciego lub wyższych rzędów.

 Analiza równania bilansu energii falowej wykazuje, że na wzrost wysokości i długości fal mają wpływ prędkość, długotrwałość wiania wiatru oraz długość drogi. Można wyodrębnić trzy stadia ewolucji falowania wiatrowego. Pierwsze obejmuje falowanie nieustalone, drugie - ustalone. W tej fazie fale przyjmują wielkości graniczne przy danej prędkości wiatru i wahają się tylko w zależności od pulsacyjnych zmian energii wiatru występujących na analizowanym odcinku.

Stadium falowania nieustalonego, w czasie którego następuje wzrost parametrów fal

  Falowanie ustalone. Fale osiągają wielkości graniczne dla danych prędkości wiatru – wiatr zrywa grzbiety fal.

Wiatry o wyjątkowej trwałości i sile generują na półkuli południowej w strefie „ryczących czterdziestek” wyjątkowo wysokie fale.

Natomiast zmiana energii fal w czasie wynosi zero. Trzecie stadium to falowanie zanikające. Wraz z malejącą prędkością wiatru postępuje redukcja elementów fal z uwagi na coraz mniejszy dopływ energii do powierzchni wody. Podczas falowania nieustalonego (przy obniżaniu prędkości wiatru) następuje określony spadek wysokości fal. Jednakże takiej samej prędkości wiatru podczas falowania zanikającego odpowiadają wyższe wysokości niż w trakcie falowania rozwijającego się. W kilka godzin po osłabnięciu wiatru w widoczny sposób postępuje zanik falowania ustalonego. Sytuacja komplikuje się, gdy na przykład wiatr zaczyna wiać w inną stronę i zmienia swoją prędkość.

Wtedy rozwój powstających fal ulega spowolnieniu i zaczyna się tworzyć zupełnie nowy system w wyniku ich interferencji. W miarę upływu czasu od chwili fluktuacji kierunku wiatru kąt między propagacją fal a wianiem wiatru zbliża się do 0°. W północnym Atlantyku zjawisko to zachodzi prawie po 12 godzinach.

W każdym stadium ewolucji fal wzrost energii wiatru powoduje zwiększenie długości, wysokości i prędkości ich rozprzestrzeniania. Wydłużenie następuje szybciej niż jej podwyższenie, co wpływa na zmniejszenie stromości.

Na podstawie długotrwałych obserwacji ustalono, że aż 66% fał ma mniejszą wysokość niż 2,1 m. Jedynie 8% charakteryzuje się wy­sokością wyższą niż 6 m. Najwyższe są związane z przemieszczaniem sztormów. Obszarem o dużym nasileniu wiatrów wywołujących wysoką falę jest strefa wokótantarktyczna na południe od 40°S,  czyli tak zwane ryczące czterdziestki.

Nieliczne fale w strefie sztormu mają rozmiary przekraczające wartości średnie. Podczas wyjątkowo silnych sztormów osiągają wysokość 15 m przy długości 400 m i więcej w okresie 17-18 s i prędkości 16-17 m x s-1. W morzach parametry te są znacznie mniejsze. Maksymalna wysokość sięga najwyżej 9 m, a długość nie przekracza 150 m. W Bałtyku fale sztormowe mają 3-4 m wysokości przy długości 50-60 m, natomiast maksymalna wysokość nie przekracza 6 m. Najwyższa zaobserwowana fala oceaniczna sięgała 34 m, a jej okres wynosił 14,8 s. Spotkał ją na północnym Pacyfiku, płynący z Manili do San Diego w lutym 1935 r., zbiornikowiec "Ramapo". Bardzo często wśród wodnych watów o przeciętnych wysokościach (np. 3 m) pojawiają się; 2-3 razy wyższe. Tłumaczy się to nakładaniem fal o różnej charakterystyce, które prowadzi do zjawiska pulsacji. Za tworzenie się grupy większych wzniesień wodnych, przedzielonych pasami grup mniejszych, są odpowiedzialne zmiany prędkości wiatru i inne prędkości danych fal. W wyniku interferencji powstają ich grupy. Stąd zrodziło się domniemanie występowania dziewiątej fali. W różnych częściach oceanu jako największe mogą się objawiać na przykład fala trzecia, dziesiąta, n-ta, w tym także dziewiąta. Z obliczeń wynika, że co 23. osiąga wysokość dwa razy większą od przeciętnej, co 1175. - trzy razy wyższą, a tylko jedna fala na 300 000 jest cztery razy większa. Wyjątkowo wysokie wały nie pojawiają się zazwyczaj samotnie, lecz towarzyszy im najczęściej kilka fal o wysokościach znacznie przewyższających wielkości średnie. Badanie wodnych wzniesień o monstrualnych kształtach ma pełne uzasadnienie i wynika z przesłanek praktycznych. Pojawianie się niespotykanych na co dzień falowych wzniesień musi być brane pod uwagę przy projektowaniu jednostek pływających czy na przykład wież wiertniczych.

Ciekawe jest zjawisko fal martwych, zwane inaczej rozkołysem. Mogą one pojawiać się w dwóch sytuacjach. Pierwsza zachodzi wówczas, gdy w strefie sztormu istnieją warunki sprzyjające ich powstawaniu. Gdy wiatr na tyle osłabnie, że prędkość pewnych fal jest większa od jego prędkości, wówczas przeobrażają się one w fale martwe. Jeśli prędkość wiatru wzrośnie, niektóre z nich ponownie stają się falami wiatrowymi.

Przykład fali martwej, która w strefie przybrzeżnej stanowi duże niebezpieczeństwo.

Gdy stosunek prędkości rozchodzenia się fali, czyli prędkości fazowej (c) do prędkości wiatru (v) jest równy 1,0, wówczas liczba fal martwych i wiatrowych jest szacunkowo równa. Jeśli c/v = 2,0, wtedy martwe stanowią aż 95% wszystkich wodnych wzniesień. Kiedy wiatr słabnie lub całkowicie zaniknie, na całym obszarze objętym poprzednio sztormem pojawią się silnie rozwinięte fale martwe, określane wówczas najczęściej mianem rozkołysu. Druga możliwość ich utworzenia zachodzi wtedy, gdy fale opuszczają strefę działalności wiatru, w której powstały.

Związane to jest często z cyklonami tropikalnymi lub głębokimi niżami pozazwrotnikowymi. W tych układach wiatr osiąga duże prędkości, a fale przemieszczają się poza obszar cyklonu, przeobrażając się w fale martwe. Jeśli fale opuszczają obszar, na którym są generowane, zmieniają się ich parametry. Energia fal jest proporcjonalna do kwadratu ich wysokości, a wraz z jej utratą spowodowaną tarciem wewnętrznym, maleje wysokość. Następstwem tego jest spadek ich stromości, ponieważ przybierają kształt podobny do fal regularnych  (tzn. są bardziej połogie od wiatrowych i bardziej od nich symetryczne). Charakterystyczną cechą fal martwych jest brak grzywaczy. Ich grzbiety są równoległe względem siebie, czyli stanowią przykład falowania dwuwymiarowego. Dłuższe i poruszające się z większą prędkością doganiają wolniejsze i krótsze, a następnie pokrywają je. Z tego powodu mogą one mieć znacznie większe długości niż fale wiatrowe, z których powstały.