Seiche - Seiche

Для использования в других целях см. Seiche (значения).

А сейша (/ˈseɪʃ/ САЙШ ) это стоячая волна в закрытом или частично закрытом водоеме. Сейши и явления, связанные с сейшами, наблюдались на озерах, резервуары, бассейны, бухты, гавани и моря. Ключевым требованием для формирования сейши является то, чтобы водоем был хотя бы частично ограничен, что позволяло бы образование стоячей волны.

Термин был продвинут швейцарцами гидролог Франсуа-Альфонс Форель в 1890 году, который первым провел научные наблюдения эффекта в Женевское озеро, Швейцария.[1] Слово происходит от Швейцарский французский слово на диалекте, означающее «раскачиваться взад и вперед», которое, по-видимому, долгое время использовалось в этом регионе для описания колебаний в альпийских озерах. Согласно Уилсону (1972),[2][3] это Швейцарский французский Слово на диалекте происходит от латинского слова «siccus», означающего «высыхать», то есть по мере того, как вода отступает, пляж сохнет. Этот термин, вероятно, также связан с французским словом «sèche».

Сейши в портах могут быть вызваны долгий период или же инфрагравитационные волны, которые связаны с субгармоника нелинейный волновое взаимодействие с ветровые волны с периодами больше, чем у сопутствующих ветровых волн.[4]

Стоячая волна (черная) изображена как сумма двух распространяющихся волн, распространяющихся в противоположных направлениях (синяя и красная).

Причины и природа

Сейши часто незаметны невооруженным глазом, и наблюдатели в лодках на поверхности могут не заметить, что сейши происходят из-за чрезвычайно длинных волн.

Эффект вызван резонансами в водоеме, который был нарушен одним или несколькими факторами, чаще всего метеорологическими эффектами (колебания ветра и атмосферного давления), сейсмической активностью или цунами.[5] Сила тяжести всегда стремится восстановить горизонтальную поверхность тела жидкой воды, поскольку это представляет конфигурацию, в которой вода находится в гидростатическое равновесие.

В результате возникает вертикальное гармоническое движение, создающее импульс, который проходит по длине бассейна со скоростью, которая зависит от глубины воды. Импульс отражается от конца бассейна, создавая помехи. Повторяющиеся отражения создают стоячие волны с одним или несколькими узлами или точками, которые не испытывают вертикального движения. Частота колебаний определяется размером бассейна, его глубиной и контурами, а также температурой воды.

Самый длинный натуральный период сейши - это период, связанный с фундаментальным резонансом для водоема, соответствующий самой длинной стоячей волне. Для поверхностной сейши в замкнутом прямоугольном водоеме это можно оценить с помощью формулы Мериана:[6][7]

куда Т самый продолжительный естественный период, L длина, час средняя глубина водоема, и грамм в ускорение свободного падения.[8]

Наблюдаются также гармоники высших порядков. Период второй гармоники будет половиной собственного периода, период третьей гармоники будет составлять треть естественного периода и так далее.

Вхождение

Сейши наблюдались как на озерах, так и на морях. Ключевым требованием является то, что водоем должен быть частично ограничен для образования стоячих волн. Не требуется регулярности геометрии; даже гавани чрезвычайно неправильной формы обычно колеблются с очень стабильными частотами.

Озеро сейш

На более крупных озерах почти всегда присутствуют сейши с низким ритмом. Обычно они незаметны среди обычных волновых паттернов, за исключением периодов необычного затишья. Гавани, заливы и эстуарии часто подвержены мелким сейшам с амплитудой в несколько сантиметров и периодами в несколько минут.

Оригинальные исследования в Женевское озеро к Франсуа-Альфонс Форель обнаружили, что продольный период имеет цикл 73 минуты, а поперечная сейша - около 10 минут.[9] Другие озера, известные своими регулярными сейшами, - это новозеландские озера. Озеро Вакатипу, которая меняет высоту своей поверхности на Квинстаун на 20 сантиметров за 27-минутный цикл. Сейши могут образовываться и в полузамкнутых морях; в Северное море часто наблюдается продольная сейша с периодом около 36 часов.

Перепады уровня воды из-за сейши на Озеро Эри, записано между Буффало, Нью-Йорк (красный) и Толедо, Огайо (синий) 14 ноября 2003 г.

В Национальная служба погоды выдает рекомендации по маловодью для частей Великих озер, когда возможны сейши высотой 2 фута или более.[10] Озеро Эри особенно подвержен сейшам, вызываемым ветром, из-за его мелкости и вытянутости по оси северо-восток-юго-запад, которая часто совпадает с направлением преобладающих ветров и, следовательно, максимизирует принести этих ветров. Это может привести к сильным сейшам на глубине до 5 метров (16 футов) между краями озера.

Эффект похож на штормовая волна подобно тому, что вызвано ураганами вдоль побережья океана, но эффект сейши может вызывать колебания взад и вперед через озеро в течение некоторого времени. В 1954 г. остатки Ураган Хейзел скопилась вода вдоль северо-западного Озеро Онтарио береговая линия рядом Торонто, вызвав обширное наводнение и установив сейшу, которая впоследствии вызвала наводнение на южном берегу.

Озерные сейши могут возникать очень быстро: 13 июля 1995 г. Озеро Верхнее заставили уровень воды упасть, а затем снова подняться на три фута (один метр) в течение пятнадцати минут, в результате чего некоторые лодки оставались свисающими с причалов на своих швартовных тросах, когда вода отступала.[11] Та же штормовая система, которая вызвала сейшу 1995 г. на озере Верхнее, произвела аналогичный эффект в Озеро Гурон, в котором уровень воды на Порт-Гурон изменился на 6 футов (1,8 м) за два часа.[12] На озеро Мичиган, восемь рыбаков были сметены с пирсов на пляжах Монтроуз и Норт-Авеню и утонули, когда сейша длиной 3,0 м попала в воду. Чикаго набережная 26 июня 1954 года.[13]

Озера в сейсмически активных районах, таких как озеро Тахо в Калифорния /Невада, значительно рискуют сейшами. Геологические данные указывают на то, что берега озера Тахо могли пострадать от сейш и цунами высотой до 10 метров (33 фута) в доисторические времена, и местные исследователи призвали учитывать этот риск в планах действий в чрезвычайных ситуациях для региона.[14]

Землетрясение -генерированные сейши можно наблюдать за тысячи миль от эпицентра землетрясения. Бассейны особенно подвержены сейшам, вызванным землетрясениями, поскольку подземные толчки часто совпадают с резонансными частотами небольших водоемов. 1994 год Землетрясение северного моста в Калифорния вызвал переполнение бассейнов по всей южной Калифорнии. Массивный Страстная пятница, землетрясение этот удар Аляска в 1964 г. вызвал сейш в плавательных бассейнах на Пуэрто-Рико.[15] В землетрясение в Лиссабоне, Португалия в 1755 году вызвал сейши на расстоянии 2000 миль (3200 км) в Лох-Ломонд, Лох-Лонг, Лох-Катрин и Лох-Несс в Шотландия[16] И в каналы в Швеция. В Землетрясение 2004 года в Индийском океане вызвали сейши в стоячих водоемах во многих штатах Индии, а также в Бангладеш, Непал и северный Таиланд.[17] Сейши снова наблюдались в Уттар-Прадеш, Тамил Наду и Западная Бенгалия в Индия а также во многих местах в Бангладеш вовремя Кашмирское землетрясение 2005 г..[18]

В Землетрясение 1950 г. в Ассаме и Тибете Известно, что сейши генерировали так далеко, как Норвегия и южный Англия. Другие землетрясения на Индийском субконтиненте, которые, как известно, привели к сейшам, включают Кумаон-Барахат 1803 года, 1819 Аллах Бунд, 1842 Центральная Бенгалия, 1905 Кангра, 1930 Дхубри, 1934 Непал-Бихар, 2001 Бхудж, 2005 Ниас, 2005 Землетрясения на острове Тереза. В 27 февраля 2010 г., землетрясение в Чили. произвел сейшу на Озеро Пончартрейн, Луизиана высотой около 0,5 футов. В Землетрясение 2010 года в Сьерра-эль-Майоре произвел большие сейши, которые быстро стали интернет-феноменом.[19]

Сейши высотой не менее 1,8 м (6 футов) наблюдались в Согне-фьорд, Норвегия вовремя Землетрясение Тохоку 2011 г. в Японии.[20][21]

Морские и заливные сейши

Сейши наблюдались в таких морях, как Адриатическое море и Балтийское море. Это приводит к затоплению Венеция и Санкт-Петербург соответственно, поскольку оба города построены на бывшей заболоченной территории. В Санкт-Петербурге наводнения, вызванные сейшами, распространены на всем протяжении река Нева осенью. Сейшу движет область низкого давления в Североатлантический перемещение на сушу, вызывающее циклонический минимумы на Балтийское море. Низкое давление циклона втягивает большее, чем обычно, количество воды в Балтийский регион, практически не имеющий выхода к морю. По мере того как циклон продолжается вглубь суши, в Балтийском море устанавливаются длинные низкочастотные сейшевые волны с длинами волн до нескольких сотен километров. Когда волны достигают узкой и мелкой Невской губы, они становятся намного выше и в конечном итоге затопляют набережные Невы.[22] Подобные явления наблюдаются в Венеции, в результате чего Проект MOSE, система из 79 мобильных заграждений, предназначенная для защиты трех входов в Венецианская лагуна.

Нагасаки Бэй - типичный район Японии, где время от времени наблюдаются сейши, чаще всего весной, особенно в марте. 31 марта 1979 г. Нагасаки Станция приливов и отливов зафиксировала максимальное смещение уровня воды 2,78 метра (9,1 фута) в этом месте из-за сейши. Предполагается, что максимальное смещение уровня воды во всем заливе во время этого сейшевого события достигло 4,70 м (15,4 фута) на дне залива. Сейши в Западной Кюсю - включая залив Нагасаки - часто вызваны низким атмосферным давлением, проходящим к югу от острова Кюсю.[23] Сейши в заливе Нагасаки имеют период примерно от 30 до 40 минут. Локально, seiche (副 振動, фукусиндō) называется абики (あ び き). Слово абики считается производным от 網 引 き (амибики), что буквально означает: увлечение (引 き (бики)) рыболовной сети (網 (ами)). Сейши не только наносят ущерб местному рыболовству, но также могут привести к затоплению побережья вокруг залива, а также к уничтожению порт удобства.

По случаю, цунами может производить сейши в результате местных географических особенностей. Например, цунами, обрушившееся на Гавайи в 1946 году между фронтами волн был пятнадцатиминутный интервал. Естественный резонансный период Хило Бэй около тридцати минут. Это означало, что каждая вторая волна была в фазе с движением залива Хило, создавая сейшу в заливе. В результате Хило пострадал больше, чем любое другое место на Гавайях: цунами и сейша достигли высоты 26 футов вдоль набережной Хило, убив 96 человек в одном только городе. Волны сейш могут продолжаться несколько дней после цунами.

Внутренние уединенные волны, генерируемые приливом (солитоны ) может вызывать прибрежные сейши в следующих местах: Остров Магуэ в Пуэрто-Рико,[24][25][26]Пуэрто-Принсеса на острове Палаван,[27]Залив Тринкомали в Шри-Ланке,[28][29]и в Залив Фанди в восточной части Канады, где сейши вызывают одни из самых высоких зарегистрированных приливных колебаний в мире.[30]Существует динамический механизм генерации прибрежных сейш глубоководными внутренними волнами. Эти волны могут генерировать достаточное течение на разломе шельфа, чтобы возбуждать прибрежные сейши.[31]

Иллюстрация возникновения поверхностных и подземных термоклинных сейш.

Подводные (внутренние) волны

Также наблюдаются сейши под поверхностью озера, действующие по термоклин[32] в стесненных водоемах.

По аналогии с формулой Мериана ожидаемый период внутренней волны можно выразить как:[33]

с

куда Т это естественно период, L длина водоема, средняя толщина двух слоев, разделенных стратификация (например. эпилимнион и гиполимнион ), в плотности этих двух слоев и грамм в ускорение свободного падения.

Как термоклин перемещается вверх и вниз по наклонному дну озера, он создает на дне озера «зону перекоса», где температура может быстро меняться,[34] потенциально влияющие на использование среды обитания рыб. Когда термоклин поднимается вверх по наклонному дну озера, он также может вызывать усиление бентосной турбулентности из-за конвективного опрокидывания, тогда как падающий термоклин испытывает большую стратификацию и низкую турбулентность на дне озера.[35][36] Внутренние волны также могут переходить в нелинейные внутренние волны на наклонных днах озер.[37] Когда такие нелинейные волны разбиваются о дно озера, они могут быть важным источником турбулентности и иметь потенциал для повторного взвешивания наносов.[38]

Инжиниринг для защиты от сейш

Смотрите также: Прибрежная инженерия

Инженеры учитывают сейшевые явления при проектировании защитных сооружений от наводнений (например, Санкт-Петербургская плотина ), резервуары и плотины (например, Плотина Гранд-Кули ), бассейны для хранения питьевой воды, гавани и даже бассейны для хранения отработавшего ядерного топлива.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Дарвин, Г. Х. (1898). Приливы и родственные явления в Солнечной системе. Лондон: Джон Мюррей. С. 21–31.
  2. ^ Рабинович, Александр Б. (2018), «Сейши и портовые колебания», Справочник по прибрежной и океанской инженерии, МИРОВАЯ НАУЧНАЯ, стр. 243–286, Дои:10.1142/9789813204027_0011, ISBN  978-981-320-401-0
  3. ^ УИЛСОН, БЭЗИЛ В. (1972), Сейш, Достижения в гидрологии, 8, Elsevier, стр. 1–94, Дои:10.1016 / b978-0-12-021808-0.50006-1, ISBN  978-0-12-021808-0
  4. ^ Мунк, Уолтер Х. (1950). Происхождение и генерация волн. 1-я Международная конференция по прибрежной инженерии, Лонг-Бич, Калифорния. Совет по волновым исследованиям, Американское общество инженеров-строителей. Дои:10.9753 / icce.v1.1. ISSN  2156-1028.
  5. ^ Цунами обычно связаны с землетрясениями, но оползни, извержения вулканов и удары метеоритов могут вызвать цунами.
  6. ^ Праудмен, Дж. (1953). Динамическая океанография. Лондон: Метуэн. §117 (с. 225). OCLC  223124129.
  7. ^ Мериан, Дж. Р. (1828). Ueber die Bewegung tropfbarer Flüssigkeiten в Гефессене [О движении капающих жидкостей в контейнерах] (диссертация) (на немецком языке). Базель: Schweighauser. OCLC  46229431.
  8. ^ Например, период сейшевой волны в водоеме глубиной 10 метров и длиной 5 километров будет составлять 1000 секунд или около 17 минут, в то время как тело длиной около 300 км (например, Финский залив ) и несколько глубже имеет период ближе к 12 часам.
  9. ^ Леммин, Ульрих (2012), «Surface Seiches», в Bengtsson, Lars; Херши, Реджинальд У .; Fairbridge, Rhodes W. (ред.), Энциклопедия озер и водохранилищ, Энциклопедия серии наук о Земле, Springer, Нидерланды, стр. 751–753, Дои:10.1007/978-1-4020-4410-6_226, ISBN  978-1-4020-4410-6
  10. ^ Пирс, Т. (5 июля 2006 г.). «СОКРАЩЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРСКИХ И ПРИБРЕЖНЫХ УСЛУГ» (PDF). Национальная служба погоды, Управление климата, воды и погоды. Архивировано из оригинал (PDF) 17 мая 2008 г.. Получено 19 апреля, 2017.
  11. ^ Бен Корген. Бонанза для озера Верхнее: сейши не только перемещают воду. Проверено 31 января 2008 г.
  12. ^ "Штормовая волна на озере Гурон, 13 июля 1995 г.". NOAA. Получено 2009-03-13.
  13. ^ Геологическая служба штата Иллинойс. Сейш: внезапные большие волны - опасность для озера Мичиган. В архиве 2008-07-08 на Wayback Machine Проверено 31 января 2008.
  14. ^ Браун, Кэтрин (6 декабря 2002 г.). «Цунами! На озере Тахо?». Новости науки. Общество науки и общественности.
  15. ^ "Сейше". www.soest.hawaii.edu.
  16. ^ «Сейсмические сейши». Программа сейсмической опасности USGS. По материалам Бюллетеня информации о землетрясениях, январь – февраль 1976 г., том 8, номер 1. Получено 19 апреля 2017.
  17. ^ Фактически, «один человек утонул в пруду в результате сейши в Надии, Западная Бенгалия». «26 декабря 2004 года, M9.1,« День подарков », землетрясение и цунами / Суматра-Андаманское землетрясение / цунами в Индийском океане». Любительский сейсмический центр. Пуна. 22 февраля 2008 г.. Получено 19 апреля 2017.
  18. ^ «Кашмирско-Кохистанское землетрясение M7.6, 2005 г.». Любительский сейсмический центр. Пуна. 31 октября 2008 г.. Получено 19 апреля 2017.
  19. ^ "Геология Аризоны: Видео сейши в пруду с рыбой-куколкой в ​​Девилс-Хоул. (Опубликовано: 27 апреля 2010 г.)". 2010-04-27. Получено 17 октября 2014.
  20. ^ Fjorden svinga av skjelvet В архиве 2011-03-18 на Wayback Machine Проверено 17 марта 2011.
  21. ^ Джонсон, Скотт К. (30 июня 2013 г.). «Японское землетрясение буквально всколыхнуло Норвегию». Ars Technica.
  22. ^ Это ведет себя аналогично приливная скважина где набегающие приливы попадают в мелкую сужающуюся реку через широкий залив. Форма воронки увеличивает высоту прилива выше нормы, и наводнение выглядит как относительно быстрое повышение уровня воды.
  23. ^ Хибия, Тошиюки; Киндзиро Кадзиура (1982). "Происхождение Абики Феномен (разновидность сейши) в заливе Нагасаки » (PDF). Журнал океанографического общества Японии. 38 (3): 172–182. Дои:10.1007 / BF02110288. S2CID  198197231. Получено 2009-02-26.
  24. ^ Giese, Graham S .; Р. Б. Холландер; Дж. Э. Фэнчер; Б. С. Гизе (1982). «Свидетельства возбуждения прибрежных сейш внутренними уединенными волнами, создаваемыми приливом». Письма о геофизических исследованиях. 9 (12): 1305–1308. Bibcode:1982GeoRL ... 9.1305G. Дои:10.1029 / GL009i012p01305.
  25. ^ Giese, Graham S .; Дэвид С. Чепмен; Питер Г. Блэк; Джон А. Форншелл (1990). "Причина прибрежных сейш большой амплитуды на Карибском побережье Пуэрто-Рико". J. Phys. Oceanogr. 20 (9): 1449–1458. Bibcode:1990JPO .... 20.1449G. Дои:10.1175 / 1520-0485 (1990) 020 <1449: COLACS> 2.0.CO; 2.
  26. ^ Альфонсо-Соса, Эдвин (2012). «Расчетная скорость пакетов солитонов хребта Авес путем анализа последовательных изображений, полученных с помощью спектрорадиометра с умеренным разрешением (MODIS)» (PDF ): 1–11. Получено 2014-04-16. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  27. ^ Giese, Graham S .; Дэвид С. Чепмен; Маргарет Гуд Коллинз; Ролу Энкарнасьон; Хиль Хасинто (1998). «Связь между сейшами гавани на острове Палаван и внутренними солитонами моря Сулу». J. Phys. Oceanogr. 28 (12): 2418–2426. Bibcode:1998JPO .... 28.2418G. Дои:10.1175 / 1520-0485 (1998) 028 <2418: TCBHSA> 2.0.CO; 2.
  28. ^ Wijeratne, E.M.S .; П. Л. Вудворт; Д. Т. Пью (2010). «Метеорологическое и внутреннее волновое воздействие сейш вдоль побережья Шри-Ланки». Журнал геофизических исследований: океаны. 115 (C3): C03014. Bibcode:2010JGRC..115.3014W. Дои:10.1029 / 2009JC005673.
  29. ^ Альфонсо-Соса, Эдвин (2014). «Внутренние солитоны, генерируемые приливом и отливом в Бенгальском заливе, возбуждают прибрежные сейши в заливе Тринкомали» (PDF ): 1–16. Получено 2014-04-16. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  30. ^ Канада, Агентство парков Канады, Правительство (2017-03-28). "индекс". www.pc.gc.ca. Получено 9 апреля 2018.
  31. ^ Чепмен, Дэвид С .; Грэм С. Гиз (1990). «Модель генерации прибрежных сейш глубоководными внутренними волнами». J. Phys. Oceanogr. 20 (9): 1459–1467. Bibcode:1990JPO .... 20.1459C. Дои:10.1175 / 1520-0485 (1990) 020 <1459: AMFTGO> 2.0.CO; 2.
  32. ^ В термоклин это граница между более холодным нижним слоем (гиполимнион ) и более теплый верхний слой (эпилимнион ).
  33. ^ Мортимер, К. Х. (1974). Гидродинамика озер. Mitt. Междунар. Verein. Лимнол. 20, 124–197.
  34. ^ Cossu, R .; Ridgway, M.S .; Li, J.Z .; Чоудхури, M.R .; Уэллс, М. (2017). «Динамика зоны размыва термоклина в озере Симко, Онтарио». Журнал исследований Великих озер. 43 (4): 689–699. Дои:10.1016 / j.jglr.2017.05.002. ISSN  0380-1330.
  35. ^ Коссу, Ремо; Уэллс, Мэтью Г. (05.03.2013). "Взаимодействие внутренних сейш большой амплитуды с пологим дном озера: наблюдения бентосной турбулентности в озере Симко, Онтарио, Канада". PLOS ONE. 8 (3): e57444. Дои:10.1371 / journal.pone.0057444. ISSN  1932-6203. ЧВК  3589419. PMID  23472085.
  36. ^ Буффар, Дэмиен; Вюэст, Альфред (05.01.2019). «Конвекция в озерах» (PDF). Ежегодный обзор гидромеханики. 51 (1): 189–215. Дои:10.1146 / аннурьев-жидкость-010518-040506. ISSN  0066-4189.
  37. ^ Boegman, L .; Айви, Г. Н .; Имбергер, Дж. (Сентябрь 2005 г.). «Вырождение внутренних волн в озерах с пологим рельефом» (PDF). Лимнология и океанография. 50 (5): 1620–1637. Дои:10.4319 / lo.2005.50.5.1620. ISSN  0024-3590.
  38. ^ Бегман, Леон; Стастна, Марек (05.01.2019). «Возбуждение и перенос осадка внутренними уединенными волнами». Ежегодный обзор гидромеханики. 51 (1): 129–154. Дои:10.1146 / аннурьев-жидкость-122316-045049. ISSN  0066-4189.

дальнейшее чтение

  • Джексон, Дж. Р. (1833). «На сейшах озер». Журнал Лондонского королевского географического общества. 3: 271–275. Дои:10.2307/1797612. JSTOR  1797612.

внешняя ссылка

Общий

Отношение к водным «монстрам»