Bølgjebryting

Stor bølgje som bryt.

Bølgjebryting eller brenning er i væskedynamikk ei bølgje der amplituden har nådd eit kritisk nivå der somme prosessar brått startar slik at store mengder bølgjeenergi vert omforma til turbulent kinetisk energi. På dette stadiet gjeld ikkje lengre enkle fysiske modellar som skildrar bølgjedynamikk, særleg dei som tar utgangspunkt i lineær oppførsel.

Den mest kjende sorten bølgjebryting er brenningane som havbølgjer skapar langs kysten. På grunn av den horisontale komponenten av væskesnøggleiken til bølgjerørsla, vil bølgjeryggen verte brattare når amplituden aukar. Generelt bryt bølgjene når amplituden når eit punkt der bølgjeryggen faktisk veltar. Visse andre effektar i væskedynamikk vert òg kalla «brytande bølgje», og er delvis analogt til havbølgjer. I meteorologi vert atmosfæriske tyngdebølgjer sagt å bryte når bølgjene skapar område der den potensielle temperaturen minkar med høgda. Dette fører til oppløysing av energi via konvektiv instabilitet. På same måte vert rossbybølgjer sagt å bryte når den potensielle virvlingsgradienten snur om. Bølgjebryting skjer òg i plasmaer, når partikkelsnøggleiken går forbi fasefarten til bølgja.

Brytande havbølgjer

Bølgjer bryt ved landsbyen Porto Covo på vestkysten av Portugal.

Bølgjer bryt i ein bølgjekanal i eit laboratorium (film).

Brytande vassbølgjer kan skje alle stader der amplituden vert stor nok, sjølv midt på havet. Det er derimot særleg vanleg på strender fordi bølgjehøgda aukar i område med grunnare vatn (sidan gruppesnøggleiken vert lågare der).

Det er fire hovudtypar brytande bølgjer. Dei er overløpande, stupande, kollapsande og brusande.

Overløpande bølgjer

Når sjøbotn heller gradvis, vil bølgja vert brattare fram til ryggen vert ustabil, noko som fører til turbulent kvitvatn som renn nedover bølgjesida. Dette held fram til bølgja når kysten, og bølgjeenergien sakte vert oppløyst i kvitvatnet. På grunn av dette tar det lengre tid å bryte ned slike bølgjer enn andre bølgjer, og dei skapar ei relativt dempa bølgje. Pålandsvind fører typisk til slike bølgjer.

Stupande bølgjer

Ei stupande bølgje får ein når sjøbotnen er bratt, eller djupna brått endrar seg, slik som eit rev eller ein sandbanke. Bølgjeryggen vert mykje brattare enn for ei overløpande bølgje, vert vertikal, før ryggen krummar seg over og fell gjennom bølgja. Det meste av energien vert frigjort på ein gong i ein relativt kraftig samanstøyt. Ei stupande bølgje bryt med meir energi enn sjølv store overløpande bølgjer. Bølgja kan fange og komprimere luft når ho stupar, og skapar den «kræsjande» lyden ein ofte har med bølgjer. Med store bølgjer kan ein kjenne denne samanstøyten om ein står på land. Frålandsvind fører til at stupande bølgjer oppstår lettare.

Om ei stupande bølgje ikkje er parallell til strande (eller havbotn), vil delen av bølgja som når grunnare vatn bryte først, og den brytande delen (eller krumminga) vil så flytte seg sidevegs langs bølgja, medan bølgja held fram innover. Det er denne «tunnelen» surfarane søker. Surfarane prøver å halde seg nær eller under krumminga, og prøver å ofte å kome så langt inn i «tunnelen» som mogeleg for så å skyte framover og ut før tunnelen lukkar seg. Ei stupande bølgje som kjem inn parallelt til stranda kan bryte langs heile lengda samstundes. Dette gjer at ho ikkje er mogeleg å surfe på og er langt farlegare.

Kollapsande bølgjer

Kollapsande bølgjer er ei blanding mellom stupande og brusande bølgjer, der toppen aldri heilt bryt, men botn av bølgja likevel vert brattare og kollapsar, noko som skapar skum.

Brusande bølgjer

På brattare strender kan bølgjeenergien reflekterast av botnen tilbake til havet og skape ståande bølgjer. Dette kan føre til ein særs smal surfesone eller ingen brytande bølgjer i det heile.

Fysikk

Under brytinga dannar det seg ein deformasjon (vanlegvis ein bul) på bølgjeryggen, som vert kalla «tåa» der han oppstår først. Det vert skapt kapillærbølgjer med korte bølgjelengder. Dei som er over «tåa» brukar å ha mykje lenger bølgjelengd. Denne teorien er langt frå perfekt, sidan han er lineær. Det finst nokre ikkje-lineære teoriar for rørsle (for bølgjer). Ein nyttar seg av ein perturbasjonsanalyse for å utvide skildringa heile vegen til tredje orden, og betre løysingar er funnen sidan. For bølgjedeformasjon nyttar ein metodar som grenseelementmetoden og boussinesqapproksimasjon.

Ein har funne ut at dei høgfrekvente bølgjene som ein finn i brytande bølgjer spelar ei rolle i deformasjonen og destabiliseringa av ryggen. Teorien seier at bølgjebotnane til kapillærbølgjene er ei kjelde for virvling. Det vert sagt at oversflatespenninga (og viskositeten) er viktige for bølgjer med ei bølgjelengd opp til to meter.

Desse modellane er ikkje perfekte, fordi dei ikkje seier noko om kav som skjer med vatnet etter at bølgja bryt. Det vert danna virvlar og turbulens når bølgja bryt, og desse er stort sett uutforska.

Etter at toppen av bølgja veltar og jetten kollapsar, vert det skapt eit særs samanhengande og definert horisontalt toppunkt. Stupande bølgjer skapar sekundære virvlar nedover bølgja. Små horisontale og tilfeldige virvlar som oppstår på kvar side av bølgja indikerer at vass-snøggleiken før bølgja bryt kanskje er meir eller mindre todimensjonal. Denne vert tredimensjonal når bølgja bryt.

Hovudvirvelen langs fronten av bølgja vert raskt spreidd inn i det indre av bølgja etter ho bryt, sidan virvlane på overflata vert meir viskøse. Adveksjon og molekylær diffusjon spelar ei rolle i virvelstrekkinga og omfordeling av virvlinga, samt i å skape turbulente kaskadar. Energien i dei store virvlane vert etter denne metoden overført til langt mindre isotrope virvlar.

Ein har utført eksperiment for å finne ut kva som skjer med turbulensen etter at bølgja bryt, både på djupt vatn og på ei strand.

Sjå òg

• Bølgjeturbulens

Kjelder

• Denne artikkelen bygger på «Breaking wave» frå Wikipedia på engelsk, den 6. september 2011.
  • Wikipedia på engelsk oppgav desse kjeldene:

Bakgrunnsstoff

• Oceans and margins, Earth Science Australia
• Slow Motion Laboratory Wave Breaking: Side View. Merk: krev Flash
• Slow Motion Laboratory Wave Breaking: Underwater View of Turbulence. Merk: krev Flash