Морские волны и их действия на гидротехнические сооружения

Морские волны и характеристики волнения.

Волны на поверхности моря или океана могут возникать под действием ветра, колебаний атмосферного давления, приплыводействующих сил Луны и Солнца, подводных землетрясений. Согласно основной причины, вызвавшей волны, они подразделяются на ветровые, барические (сейши), приточные, сейсмические (цунами).

Ветровые волны - движение жидкости, возникающее за счет действия ветра, которая передается й непосредственно давлением воздушного потока на склоны гребней и его трением о поверхность волн. Есть три стадии ветрового волнения: ветровое волнение, что зарождается, полностью развито и затухающее.

Развитие ветровых волн начинается с ряби - множества мелких

неровностей в форме гребней, правильно чередующихся и впадин. На этой

стадии скорость распространения каждой волны (фазовая скорость) меньше

скорости ветра, способствует передаче энергии ветра волнам. По мере

накопления энергии высота и длина волны постепенно увеличиваются.

Рост высоты волн ограничено неустойчивостью их гребней; достичь некоторой предельной (критической) крутизны гребни разрушаются и передают свою энергию длиннее волнам. По мере роста длины волн фазовая

скорость их распространения превосходит скорость ветра, поэтому энергия

ветра этим волнам не передается. Однако на поверхности длинных волн вновь зарождаются короткие волны, которые увеличиваются до критической крутизны. На этой стадии волновая поверхность является суммой коротких волн, которые получаютэнергию от ветра, и длинных волн, которые получают энергию от коротких волн. Одновременно происходят потери волновой энергии на разрушение гребней и вовлечения в движение нижних слоев воды. Однако общая приток энергии превышает потери.

На стадии полностью развитого волнения устанавливается равенство между притоком энергии и ее потерями при волновом движении. В этой стадии поверхность моря оказывается покрытой множеством различных по форме и размерам волн, совокупность которых образует трехмерные волны, движущиеся в одном направлении.

Если ветер, вызвавший волнения, стихает, то отдельные короткие

волны затухают через энергетические потери, и образуются брыжейки,

характеризуются правильной двумерной формой и большими длинами. При выходе в прибрежных сооружений происходит дополнительная трансформация волн, связанная с изменением глубины и рельефа дна.

На нагрузку от ветровых волн выполняют расчет для всех без исключения типов гидротехнических сооружений на шельфе.

Сейши - стоячие волны большого периода (от нескольких минут до

десятков часов), возникающие в замкнутых водоемах (морях, заливах, озерах) в последствии многократного отражения от берегов волн образуются под действием резкого изменения атмосферного давления, ветра, сейсмических явлений и др. Сейши представляют в основном опасность для плавучих сооружений, что заякорена.

Приточные волны - периодические колебания уровня моря, обусловленные равнодействующей силами притяжения Луны и Солнца и центробежной силы. Прилывы волны имеют несколько периодов, наименьший из которых около 1/3 суток. Поэтому с точки зрения нагрузок на г / т сооружения их можно рассматривать как течения. Вместе с

тем следует учитывать, особенно для сооружений, как, опираются на дно, изменение уровня воды, вызываемое приточно-отливными явлениями, достигает в некоторого побережья + 5м.

Цунами - морские гравитационные волны очень велико, длины.

возникающие при сильных подводных и прибрежных землетрясениях,

вулканических извержениях и других тектонических процессах. В глибоководшй частей, океана эти волны имеют незначительную высоту (менее 2 м), не представляют опасности для свободно плавающих конструкций, но их следует учитывать для сооружений, которые стоят на якоре. В прибрежной зоне высота волн резко возрастает (до 10м. а в клиновидных бухтах до 50 м). В этой зоне цунами представляют

значительную угрозу для всех сооружений. На континентальном шельфе бывшего Союза опасными относительно цунами есть районы Дальнего Востока.

18. Географічні особливості розподілу температури, тиску та вітру біля Землі.

Климатические поля температуры воздуха являются характерис­тикой состояния одного из звеньев климатической системы - атмосфе­ры. Их структура определяется особенностями распределения солнеч­ной энергии по поверхности Земли, а также процессами взаимодейст­вия между звеньями климатической системы. К ним относятся особен­ности развития макропроцессов в атмосфере, вид деятельной поверх­ности и характер теплообмена ее с атмосферой, особенности распреде­ления суши и океанов, а также полей морского льда, рельефа местнос­ти. Все эти факторы определяют значительные колебания полей темпе­ратуры во времени и пространстве.

В формировании поля температуры воздуха на Земле большую роль играют океаны. Воды морей и океанов находятся в непрерывном движении и играют большую роль в межширотном переносе тепла на земном шаре. Теплые течения заметно повышают температуру высоких широт зимой, а холодные течения в низких широтах снижают температуру.

Благодаря влиянию материков и океанов разница температур на одинаковых широтах Северного и Южного полушария в одни и те же сезоны весьма значительна. Зимой в умеренных широтах Северного полушария холоднее, чем на тех же широтах Южного полушария, а летом, наоборот, теплее, чем в Южной. Это объясняется тем, что в средних широтах Северного полушария суша занимает 45-61 % поверхности, а в Южном полушарии около 4 %.

Тепло, которое в течение теплого полугодия накопилось в океанах, зимой медленно расходуется на нагрев воздуха. Материки нагреваются и охлаждаются быстрее. Поскольку в Северном полушарии материки занимают значительную часть земной поверхности, то быстрое охлаждение их зимой и нагревание летом сказывается на величинах средних широтных температур. Поэтому в умеренной зоне Южного полушария, где преобладает водная поверхность, зимой температура выше, чем на соответствующих широтах Северного полушария. Летом, наоборот, вследствие быстрого нагрева материков Северного полушария температура здесь выше, чем в Южном полушарии.

Тропики и полярные круги, ограничивающие пояса освещенности, лишь в общих чертах отражают пределы тепловых поясов. Поскольку на распределение температуры, кроме фигуры Земли и положение ее относительно Солнца, влияет распределение суши и воды, океанические и воздушные течения, то за пределы тепловых (температурных) поясов принимаются изотермы (годовые и самого теплого месяца). По этому принципу на Земле различаются такие тепловые пояса:

1) жаркий, расположенный между летней изотермой 20 ° С Северного и Южного полушария;

2) два умеренных пояса, расположенных между годовой изотермой 20 ° С и изотермой 10 ° С самого теплого месяца (соответственно июля или января);

3) два холодных пояса, они находятся между изотермами 10 ° С и 0 ° С самого теплого месяца.

Иногда в пределах холодных поясов выделяются две области вечного мороза со средней температурой самого теплого месяца ниже 0 ° С. В Северном полушарии - это внутренняя часть Гренландии и пространство вблизи полюса, а в Южной - область южнее 60 - й параллели.

Мировой океан и атмосфера образуют единую систему. Океан -аккумулятор солнечного тепла на Земле, мощной преобразователь лучистой энергии в тепловую. Атмосфера большую часть тепла и влаги, получает от океана, главным образом, в тропических широтах путем испарения. Тепло, которое поступает в атмосферу, влияет на распределение плотности и давления атмосферы. Часть тепловой энергии, которую получает атмосфера, превращается в механическую - возникает ветер. Ветер передает энергию водной поверхности, вызывая образование волн и океанических течений. Последние переносят тепло из низких широт в высокие.

Распределение атмосферного давления по земной поверхности носит четко выраженный зональный характер, что вызвано неравномерным нагреванием земной поверхности, и, как следствие, изменением давления. Изменение давления объясняется перемещением воздуха. Он высокий там, где воздух становится более низкий там, откуда воздух перемещается. Нагреваясь от поверхности, воздух направляется вверх и давление на тепловую поверхность снижается. Но на высоте воздух охлаждается и начинает опускаться на соседние холодные участки, где давление растет. Таким образом нагрева и охлаждения воздуха от земной поверхности сопровождается его перераспределением и изменением давления.

В екваториальних широтах температура постоянно высокая, воздух, нагреваясь, поднимаются и направляются в тропические широты. Поэтому в экваториальной зоне давление постоянно низкое. В тропических широтах в результате притока воздуха возникает область повышенного атмосферного давления. Над постоянно холодной поверхностью полюсов (в Арктике и Антарктике) давление воздуха повышено, его создает воздух, который приходит из умеренных широт. Вместе с тем отток воздуха создает в умеренных широтах область пониженного атмосферного давления. В результате на Земле формируются пояса пониженного (экваториальный и два умеренных) и повышенного (два тропических и два полярных) давления. В зависимости от сезона они несколько смещаются.

Полярные области высокого давления зимой расширяются, летом уменьшаются, но существуют весь год. Пояса пониженного давления весь год сохраняются близ экватора и в умеренных широтах южного полушария. Иная картина в северном полушарии. Здесь зимой в умеренных широтах над материками давление сильно повышается и поле низкого давления "разрывается ": оно сохраняется только над океанами в виде замкнутых областей пониженного атмосферного давления - Исландского и Алеутского минимумов. Но над материками, где давление заметно повысилось, образуются так называемые зимние максимумы: Азиатский (Сибирский) и Северо - Американский (Канадский). Летом в умеренных широтах северного полушария поле пониженного давления восстанавливается. При этом огромная область пониженного давления формируется над Азией - Азиатский минимум.

В тропических широтах - поясе повышенного давления - материки всегда нагреваются сильнее, как океаны, и давление над ними ниже. Это приводит к возникновению субтропических максимумов над океанами: Северо - Атлантический (Азорский), Северо - Тихоокеанский, Южно - Атлантический, Южно - Тихоокеанский и Индийский.

Иначе говоря, пояса повышенного и пониженного давления Земли, несмотря на сезонные изменения своих показателей, достаточно устойчивыми.

Изменение давления на единицу расстояния в горизонтальном направлении называют горизонтальным барическим градиентом. Направление горизонтального барического градиента соответствует наклону изобарической поверхности.

Разница атмосферного давления между двумя точками вызывает горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности, который называют ветром. Ветер характеризуют скоростью и направлением. Скорость ветра прямо пропорциональна горизонтальном барическом градиента и измеряется в метрах в секунду или в милях в час, узлах.

Кроме барического градиента и трения, на ветер влияют вращения Земли или сила Кориолиса и центробежная сила. Благодаря силе Кориолиса ветер в северном полушарии отклоняется вправо, а в южном - влево от направления барического градиента. Угол отклонения увеличивается с широтой и в среднем равен 45 - 50 ° над сушей и 70 - 80 ° над морем. Центробежная сила возникает в замкнутых барических системах, циклонах и антициклонах, и направлена ​​от центра к периферии. Сила трения обратная относительно силы барического градиента. Трения влияет на ветер примерно до высоты 1000 м - это слой атмосферы называют слоем трения.

Движение воздуха в атмосфере отличается по своим масштабам - от величин порядка сотни метров, до тысяч километров в системе крупнейших вихрей атмосферы - циклонов и антициклонов, пассатов, муссонов, струйных течений. Во всех случаях он предопределяется разницей температуры и давления. Там, где создаются условия для возникновения горизонтального градиента давления, появляются воздушные течения, которые пытаются выровнять неоднородности температуры и давления.

На небольших участках деятельной поверхности вследствие неравномерного ее нагрева возникают местные ветры - бризы, горно - долинные, фены и др.. Сезонные изменения движения воздуха больших масштабов, которые возникают вследствие неравномерного нагрева и охлаждения суши и океанов, называют муссонами. Система крупномасштабных воздушных течений, которые по своим размерам сопоставимы с большими частями материков и океанов, называется общей циркуляцией атмосферы.

Планетарными масштабами выделяется циркуляция атмосферы между экватором и полюсами, которая обусловлена ​​зональным распределением тепла на земной поверхности. Холодные воздушные течения направляются из высоких широт Северного и Южного полушария к низким, а теплые воздушные течения с экваториальной и тропической зоны - в высоких. Такой обмен воздухом между различными широтами наблюдается в течение всего года в обоих полушариях. Он послабее летом и усиливается зимой и является основной циркуляцией воздуха на земном шаре.

Ветер (движение воздуха) имеет направления не от высокого до низкого давления, а отклоняется от него в Северном полушарии вправо, а в Южной влево.

В связи с наличием двух областей высокого давления в полярных и субтропических широтах в нижних слоях воздуха движется к районам с пониженным давлением, то есть до умеренных широт и экватора. Движение воздуха из полярных районов в умеренные широты, а также из субтропиков к экватору совершается с северо-востока в Северном полушарии, а в Южном полушарии - с юго-востока. Направление движения воздуха, который царит в поясе между субтропиками и умеренными широтами - юго - западный и западный в Северном полушарии и северо - западный и западный в Южной.

В системе общей циркуляции атмосферы в каждом полушарии можно выделить по три незамкнутые звена, которые связаны между собой и с выше расположенными слоями: полярная, умеренная и тропическая.

Полярная (высокоширотная) звено ограничена широтой 65 °. Здесь до высоты 1-2 км преобладают сильные восточные ветры. Умеренная (середньоширотна) звено находится между 65 и 25-30 ° широты. Преобладает перенос воздуха с запада, которое усиливается с высотой. Низкоширотных (тропическая) звено расположена между 25-30 ° и экватором. Общее движение воздуха до высоты 1-2 км в тропиках имеет направление с востока на запад, а вблизи экватора - и к верхней границе тропосферы. Для этого звена характерны пассаты. Это ветры, направленные от субтропических широт к экватору. Фактически - это ветры периферийных частей субтропических антициклонов, южных частей Северной и северных в Южном полушарии.

Пассаты противоположных полушарий, двигаясь навстречу друг другу, сходятся вблизи экватора. В области их сходимости (восхождение) в так называемой внутритропической зоне конвергенции возникают сильные восходящие движения воздуха. Они обусловливают образование мощных кучево - дождевых облаков, из которых выпадают сильные ливневые осадки.

Пассатная циркуляция проявляется в течение всего года и только в Северном полушарии она перекрывается муссонной циркуляцией. Так, например, в Индии летом наблюдаются муссонные ветры южного и юго - западного направлений. Они представляют собой как бы продолжение Южного пассата Южного полушария. Пассат Северного полушария летом в Индии отсутствует.

Ограниченность пассатной циркуляции 30 - й параллелью обусловлена ​​динамичными причинами (поступлением воздуха со стороны экватора), объясняется условиями движения воздуха. Так вблизи экватора движение воздуха имеет юго - восточное направление, затем - южное (вблизи 20 ° с.ш.), далее – юго- западный и, наконец - западное направление (в районе 30 ° с.ш.). Постепенный поворот вправо объясняется быстрым увеличением действия отклоняющей силы вращения Земли по мере удаления от экватора. К тому пока происходит поворот вправо (от южного направления к западному), можно считать, что в каждой параллели с юга поступает больше воздуха, чем оттекает от нее на север. Там же, где антипассат принимает точно западное направление, отсутствует приток и отток воздуха, не может быть и накопления воздуха. Поэтому рост давления ограничивается субтропическими широтами, 30-35 °. Здесь образуется пояс максимального давления - субтропический максимум, для которого характерны нисходящие движения воздуха. В связи с этим климат в этих районах засушливый, что приводит к образованию больших пустынь.

Кроме зонального типа циркуляции (перенос воздуха вдоль параллелей), существует и меридиональное тип переноса воздушных масс из высоких широт в низкие и наоборот. В некоторых районах земного шара под влиянием температуры контрастов между сушей и морем и между Северной и Южной возникают муссоны - устойчивые воздушные течения сезонного характера. В средних широтах обоих полушарий, главным образом, в полосе между 40-й и 60-й параллелями на фронтальных разделах зарождаются циклоны и движутся на восток. Область зарождения тропических циклонов находится между 10 и 20 ° северной и южной широты, над наиболее нагретыми частями океанов. Эти циклоны перемешиваются в западном направлении (по периферии субтропических антициклонов).

19.Вимірювання основних метеорологічних параметрів, прилади й методика вимірювань.

Для того чтобы постоянно иметь возможно полное представ­ление о состоянии атмосферы, необходима широкая постановка систематических измерений многих физических величин, харак­теризующих как состояние атмосферы, так и подстилающей по­верхности (суши и гидросферы), оказывающей большое влияние на развитие атмосферных процессов.

Измерения должны быть организованы таким образом, чтобы их результаты служили основой для прогнозов погоды, формиро­вания метеорологической информации для удовлетворения за­просов сельского хозяйства, градостроительства, здравоохране­ния, транспорта и многих других отраслей народного хозяй­ства.

Метеорологические наблюдения — это измерения метеоро­логических величин, а также регистрация атмосферных явлений. К метеорологическим величинам относятся: температура и влаж­ность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, количество и высота облаков, количество осадков, потоки тепла и др.

Метеорологические наблюдения над состоянием атмосферы вне приземного слоя и до высот около 40 км носят название аэрологических наблюдений. Наблюдения над состоянием высоких слоев атмосферы можно назвать аэрономическими ..

Метеорологические наблюдения производятся приборами, установленными на метеорологических станциях у поверхности Земли. Цель аэрологических наблюдений заключается в получении сведений о значении метеорологических величин во всей толще атмосферы.К наиболее важным величинам относятся атмосферное давление, скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха.

Набор измерительных средств, использующихся для на­блюдения за состоянием атмосферы и для ее исследования, не­обычайно широк: от простейших термометров и до зондирующих лазерных установок и специальных метеорологических спутников. Метеорологическими приборами обычно называют такие приборы, которые используются для проведения измерений на метеорологиче­ских станциях (на суше и на кораблях). Эти приборы сравнительно просты, они удовлетворяют требованию однотипности, позволяю­щему сравнивать наблюдения разных станций.

Метеорологические приборы устанавливаются на площадке станции под открытым небом. Только приборы для измерения давления (барометры) устанавливаются в помещении станции, поскольку разница между давлением воздуха под открытым небом и внутри помещения практически отсутствует.

Приборы для определения температуры и влажности воздуха должны быть защищены от действия солнечной радиации, осад­ков и порывов ветра. Поэтому их помешают в будках особой кон­струкции, так называемых метеорологических будках. На станциях устанавливаются также самопишущие приборы, дающие непрерыв­ную автоматическую регистрацию важнейших метеорологических величин (температуры и влажности воздуха, атмосферного давле­ния и ветра). Самопишущие приборы нередко сконструированы так, что их датчики находятся на площадке или крыше здания на открытом воздухе, а регистрирующие части, связанные с датчика­ми электрической передачей, внутри здания.