Dự báo sóng biển
5.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SÓNG BIỂN VÀ CÁC YẾU TỐ TẠO SÓNG
Do tác động của dòng không khí trên mặt biển lúc đầu phẳng lặng hình thành dao động của các hạt nước. Trên mặt biển xuất hiện những sóng nhỏ hình dạng đều đặn - gọi là các sóng mao dẫn vì vai trò quyết định đối với hình thành các sóng này là lực căng bề mặt của nước. Những sóng này không ổn định và sau khi ngừng gió chúng tắt nhanh do độ nhớt của nước. Nếu gió tiếp tục truyền động năng cho sóng thì dưới tác động của
trọng lực và lực căng bề mặt các sóng phát triển dần và chuyển thành sóng trọng lực. Năng lượng tổng cộng của sóng liên tục tăng. Hình thành chuyển động sóng phức tạp. Xuất hiện những sóng với chu kỳ, độ cao, độ dài và tốc độ truyền rất khác nhau, tức hình thành phổ sóng gió.
Cơ chế truyền năng lượng gió cho sóng được các nhà nghiên cứu quan niệm rất khác nhau [18]. V. M. Makaveev cho rằng gió truyền năng lượng cho sóng nhờ ứng suất tiếp tuyến của gió. Iu. M. Krưlov giải thích cơ chế truyền năng lượng bằng ứng suất pháp tuyến và tiếp tuyến của gió. V. V. Shuleikin bằng thực nghiệm đã chỉ ra rằng năng lượng truyền cho sóng chủ yếu nhờ áp suất pháp tuyến của gió lên sườn đón gió của sóng. Theo lý thuyết của Phillips và Miles thì sự phát triển phổ sóng gió diễn ra do hai cơ chế vật lý ứng với những giai đoạn phát triển sóng. Cơ chế cộng hưởng của Phillips giải thích sự phát sinh các sóng gió. Nhờ những tính chất rối của gió, những kích thước của những cuộn xoáy trong gió trùng với độ dài sóng thì xảy ra sự cộng hưởng làm sóng mạnh lên, năng lượng của các thành phần phổ tăng tuyến tính với thời gian cho đến khi sự bất đồng đều của mặt nước dậy sóng tác động trở lại trường áp suất trong lớp không khí sát mặt nước. Sự tăng trưởng tiếp theo của sóng, khi bắt đầu có sự phản ứng lại của sóng đối với những thăng giáng áp suất không khí được giải thích bằng lý thuyết Miles. Theo Miles áp suất không khí tỷ lệ với năng lượng sóng và sự tăng trưởng sóng diễn ra theo quy luật hàm mũ. Sự chuyển hoá từ tăng trưởng tuyến tính sang tăng trưởng theo quy luật hàm mũ được quyết định bởi tương quan giữa vận tốc đối lưu của gió υ
và tốc độ pha sóngC. Sự tăng trưởng theo hàm mũ diễn ra cho đến khi những hiệu ứng phi tuyến do sóng đổ bắt đầu đóng vai trò chủ yếu. Cơ chế Miles tỏ ra hiệu quả nhất với những tần số sóng cao. Với những tần số sóng trung bình và thấp, tức khi suy giảm tương tác giữa rối khí quyển và sóng thì lý thuyết Miles khác nhiều so với quan trắc. Những nhân tố chính quyết định sự phát triển sóng gồm: tốc độ gió, thời gian hoạt động của gió, đà ? độ dài khoảng không gian kể từ điểm tính sóng về phía ngược chiều gió tác động cho tới nơi gió thay đổi đáng kể về hướng hoặc tới đường bờ khuất gió, và độ sâu biển nơi tính sóng. Nếu gió cường độ và hướng không đổi tác động trên khoảng không gian rất lớn trên đại dương trong thời gian đủ dài, thì sóng sẽ tăng trưởng cho đến khi đạt trạng thái phát triển hoàn toàn ứng với tốc độ gió đang xét. Khi đó phổ sóng sẽ bao gồm toàn dải chu kỳ, độ dài và tốc độ sóng (về lý thuyết từ 0 đến ∞). Độ cao, chu kỳ, độ dài và tốc độ sóng sẽ chỉ phụ thuộc vào một tham số ? tốc độ gióν. Trong trường hợp này tốc độ gió càng lớn thì thời gian cần để sóng phát triển hoàn toàn càng lớn. Vì vậy với những tốc độ gió rất lớn, sóng rất ít khi đạt sự phát triển hoàn toàn bởi các gió lớn thường không kéo dài.
Nếu sóng chưa đạt sự phát triển hoàn toàn thì ngoài tốc độ gió, sự tăng trưởng sẽ phụ thuộc vào thời gian tác động của gió và đà, và xảy ra ba tình huống chính:
1. Gió cường độ và hướng không đổi tác động trên khoảng không gian lớn, nhưng thời gian hoạt động nhỏ. Sự phát triển của sóng bị hạn chế bởi thời gian hoạt động của gió. 2. Gió cường độ và hướng không đổi hoạt động trong khoảng thời gian đủ dài, nhưng đà nhỏ, thì sự phát triển của sóng bị hạn chế bởi đà.
3. Nếu cả thời gian tác động của gió và đà đều có hạn, thì sự phát triển của sóng phụ thuộc vào yếu tố nào hạn chế sự tăng trưởng của sóng nhiều hơn.