Transcript to get the file

Loeng 10a
Setete transport: põhimõisted
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Settematerjali päritolu (miljardid tonnid)
(sulgudes: lahustunud/aurustunud)
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Kuidas setted rannikumeres ringi käivad
Lained
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Setete transpordi suund: sageli
aimatav ranna morfoloogia baasil
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Setete transpordi kontrollivad tegurid
Setteosakeste suurus
Setete kohesioon / nidusus
Setete tihedus
Vee liikumise kiirus & suund
Setete liikumahakkamine: läveline protsess
Algab, kui vee kiirus > uhtumise kiirus
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
2 * 3 protsessi
Setteosakesed:
 (purdosakeste)
lahtirebimine põhjast
 Transport
 Settimine
Soomere 2010
Rand tervikuna:
 Kulutus
 Transiit
 Kuhjumine
EMH0090 Rannikuprotsessid
Setteid liigutavad
Lained
 Vee liikumine pulseeruv
nii suuna kui kiiruse
poolest
 Põhjalähedane transport
kombineerituna heljumi
(re)suspensiooniga
 Transport nii piki randa
kui ka risti rannajoonega
Hoovused
 Vee liikumise suund &
kiirus püsivad
 Põhiline heljumi transport
kogu veesambas
 Peamiselt piki
samasügavusjooni
Ühine omadus: vesi liigub nii lainetes kui ka
hoovustes; ja liikuv vesi paneb setted liikuma
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Transpordi viisid
Põhjalähedane
transport
 Libisemine (sliding)
 Veeremine (rolling)
 Hüplemine (saltation)
Toimub päris põhja
lähedal
Soomere 2010
Heljumi transport
 Peenemad
setteosakesed
liiguvad koos
veemassiga
 Võimalik põhjast üsna
kõrgel
EMH0090 Rannikuprotsessid
Dünaamiline
tasakaal
Miks lained sageli olulisemad
 Muutuva suunaga liikumised haaravad kergemini
setteosakesi kaasa
 Murduvad lained tekitavad turbulentsi  kohati
väga suured vee kiirused
 Turbulents hajutab peeneteralisi setteid (sh
orgaanika) põhjast kõrgemale
 Orbitaalkiiruste ebaühtlus: pinnal  ranna poole,
põhja lähedal  sügavamale (diferentsiaalne
transport sõltuvalt terasuurusest)
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Transport lainetes
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Vee edasikanne peaaegu lineaarsetes
lainetes: trajektoorid ei ole suletud
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lainete poolt tekitatud vee transport
Vee pinnal toimuv transport:
keskmine kiirus
a 2 k 1
2
u x,  
 ak  c f
2
2
Oluline parameeter: ak
Kogu veesambas toimuv vee
netotransport (tihedus)
E
M
cf
Starr (1947)
Transport toimub veekihis laine tallast harjani
Keskmine vee kiirus
kogu veesambas
Soomere 2010
M
E
U

H Hc f
EMH0090 Rannikuprotsessid
Mittelineaarsed efektid lineaarsete lainete
juures: Radiation stress ehk kiirguspinge
 Lainepinge dimensioon: jõud pinnaühikule (tüüpiline
pinnajõud, vektor)
 Tekib siis, kuid lained põhjustavad impulsi / massi levikut
 Impulsi voog on suurem laine harja juures (lainelevi
suunas) ja väiksem talla all (vastassuunas)
 Tekib seetõttu, et lainete kõrgus on lõplik – s.t.
mittelineaarne efekt;
 Ometi kasutatakse selle omaduste selgitamiseks
lineaarset laineteooriat
 Põhjustab: veetaseme tõusu rannal, langust murdlainete
tsoonis ning piki randa suunatud hoovuseid
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lained rannas
 muutuvad ebasümmeetriliseks ja
murduvad  vee transport ranna suunas
laine harja lähistel
 tekitavad lokaalse veetõusu (wave set-up)
 tekitavad tagasivoolu põhja lähedal
 tekitavad rannaga risti olevaid hoovuseid
(rip currents)
 tekitavad piki randa liikuvaid hoovuseid
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Kõrge laine ranna lähistel: ei ole
siinusekujulise profiiliga
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lineaarne – knoidaalne – soliton
Pikad lained
Väga pikad lained madalas
vees: KdV solitonid
madalas vees:
sobib Kortewegde Vriesi võrrand,
knoidaalsed lained
Veepind
klassikalises
lineaarses laines
on
siinusekujuline
Piisavalt lühikesed lained –
Veel pikemad lained  solitonid
praktiliselt
lineaarsed
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Vee & setete edasikanne tugevalt
asümmeetrilistes lainetes ranna lähistel
(peenemad osakesed,
mis paiknevad
pinnakihis)
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lained rannas
 muutuvad ebasümmeetriliseks ja
murduvad  vee transport ranna suunas
laine harja lähistel
 tekitavad lokaalse veetõusu (wave set-up)
 tekitavad tagasivoolu põhja lähedal
 tekitavad rannaga risti olevaid hoovuseid
(rip currents)
 tekitavad piki randa liikuvaid hoovuseid
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Laine rannas: vee liikumine edasi-tagasi
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lokaalne veetõus rannas
(lähemalt vaadeldud
veetaseme loengus)
(põhja lähedal: undertow ehk tagasivedu)
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lained rannas
 muutuvad ebasümmeetriliseks ja
murduvad  vee transport ranna suunas
laine harja lähistel
 tekitavad lokaalse veetõusu (wave set-up)
 tekitavad tagasivoolu põhja lähedal
 tekitavad rannaga risti olevaid hoovuseid
(rip currents)
tekitavad piki randa liikuvaid hoovuseid
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Rip currents
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Rip currents: Küpros, 2010
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Rip currents: Küpros, 2010
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lained rannas
 muutuvad ebasümmeetriliseks ja
murduvad  vee transport ranna suunas
laine harja lähistel
 tekitavad lokaalse veetõusu (wave set-up)
 tekitavad tagasivoolu põhja lähedal
 tekitavad rannaga risti olevaid hoovuseid
(rip currents)
 tekitavad piki randa liikuvaid hoovuseid
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Risti rannaga: keskväärtus =0
Lained
ranna
ääres:
hoovused
USACE 2002
Piki randa: keskväärtus >0  tõeline hoovus
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lained ranna
ääres:
hoovused II
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lainete poolt tekitatud hoovuste süsteem
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lainete poolt tekitatud hoovuse kiirus
sõltub:
Lainekõrgusest
Lainete levikusuunast: ~sin(α)
Laineenergia randa jõudmise kiirusest:
~cos(α)
Ranna omadustest
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Sõltuvus on üsna keerukas
5 tan 
V
 b gh sin  cos
16 C
*
tan  * 
b 
tan 
1  0.375 b2

hb
 0.6  1.5
Hb

(Longuet-Higgins)
Modifitseeritud rannanõlva kalle tanβ
Murdumissügavuse indeks = murduva laine
kõrgus / vee sügavus murdumiskohal
C ~ 0.005-0.01 – põhjahõõrde koefitsient
Vmid  1.17 ghrms sin  cos
Soomere 2010
(Komar 1979,
kehtib murdlainete
tsooni keskel)
EMH0090 Rannikuprotsessid
Kuidas lained transpordivad
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Laine kiirus I: liiguvad laineharjad
DEFINITSIOON
FAASIKIIRUS on laineharjade leviku kiirus
t0
L
t1
T  t1  t0 
2

2
L  
2
2
2

k l
tee pikkus
L
cf 

kulunud aeg T
  a sin kx  ly  t 

 ( )  gk tanh kh L 2  

cf  
  2 2
T 2  
k l
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Kiirus 2: vesi liigub laine sees
ag cosh k  z  H 
f z  
 cosh kH
Lõpliku sügavusega vesi
 agk cosh k  z  H 
Horisontaal

u


cos
kx


t
suund
x

cosh kH
 agk sinh k  z  H 
Vertikaal


w


sin
kx


t
-suund
z

cosh kH
  f  z sin kx  t 
Kiirus 3: energia liigub rühmakiirusega
cg   / k
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Laine poolt tekitatud maksimaalne
põhjalähedane kiirus
agk
V z   u w 

 cosh kH
2
2
Vmean 
2Vmaxb

 cos kx  t   sinh k  z  H 
1 x x
agk
sinh x  e  e  Vmax  z   H  
2
 cosh kH
agk
1  kH
Veeosakeste kiirus laines (ka
kH
e  e 
V  kH
lõpmata sügavas meres)
e
2
sügavusel -H: sõltub nii
a
mere sügavusest,
Vmax  H  
lainekõrgusest kui perioodist
sinh kH
2
Soomere 2010
2
EMH0090 Rannikuprotsessid
Kui suur on põhjalähedane kiirus?
Lainekõrgus 1 m
Looduslike lainete
tavaline periood 3s
Kiirlaevalainete
tavaline periood >9s
1
Maximum bottom velocity, m/s
0.9
0.8
H=3m
0.7
0.6
H=5m
0.5
0.4
H=10m
0.3
0.2
H=20m
0.1
0
0
Soomere 2010
2
4
6
8
Wave
period, s
EMH0090
Rannikuprotsessid
10
12
Vesi liigub põhja lähedal: piirikiht
Põhjast kõrgemal: põhja olemasolu
vee liikumist ei mõjuta (nagu
eeldatud lineaarses laineteoorias)
Kihtide vahel: nihkepinge
Põhja lähistel: vee kiirus väheneb
seda enam, mida lähemal on
veeosake põhjale
Setteosakesi paneb liikuma kõige alumise
veekihi liikumisest tingitud nihkepinge
Põhi
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Piirikihi käsitlus
 Nihkepinget põhjas (enamasti) otseselt ei mõõdeta
– see arvutatakse selle kaudu, kuidas vee kiirus
muutub põhja lähedal
 Eeldatakse, et vee kiirus väheneb logaritmiliselt
 Kusjuures vesi jääb ‘seisma’ veidi põhjast kõrgemal
 ‘Seisva’ veekihi kõrgus põhjast = põhja karedus
 mis EI OLE otseselt seotud põhja ebatasasuste
kõrguse või setete terasuurusega
2
 Nihkepinge  0  uˆ , kus uˆ on mingi kiirus (mida
püüame edasises määratleda)
 Nihkepinge ühik – sama, mis rõhu ühik
kg m 2
kg
N
 2 
 2
3
2
m s
ms
m
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Kuidas piirikihti
käsitleda
Lineaarne skaala: vesi jääb
seisma veidi põhjast kõrgemal
Soomere 2010
Poollogaritmiline skaala:
võimaldab määratleda, kui
kõrgel põhjast vesi päriselt
seisma jääb
EMH0090 Rannikuprotsessid
Vee kiirus muutus
põhja lähistel:
teadmine baseerub
katsetel
(aga et päris põhja lähedal ei
saa kiirust tegelikult mõõta,
siis arvatakse [eeldatakse], et
päris põhja lähedal muutub
kiirus samade seaduste järgi,
mis põhjast veidi kõrgemal)
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Mõõdetud
andmed
Hüpotees
Piirikiht ja nihkepinge:
alternatiivne definitsioon
u
Nihkepinge põhjas (=mõjub sette osakestele)
du
 0     
dz
Molekulaarne
viskoossus
Kiiruse gradient
vahetult põhja
lähedal (väga
raske määrata)
Eddy viscosity
(turbulentne viskoossus)
Molekulaarne viskoossus: vedeliku omadus
Turbulentne viskoossus: vedeliku liikumise omadus
Mõlemaid on võimalik mõõta või hinnata
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
v  Kv1  v0
Nihkekiirus: kiirus,
mida pole olemas!
Kiiruse vertikaalset
muutumist peegeldava sirge
tõus poollogaritmilistes
koordinaatides
1
u* 
K
5.75
Nihkekiirus
Katseliselt
määratud
(empiiriline)
konstant
(sõltub log alusest!)
Soomere 2010
du
du
K
 z ln 10
pinna karedus
d (log z )
dz
EMH0090 Rannikuprotsessid
Probleeme nihkekiirusega
z0 ja u* on teatavad tuletatud suurused,
mitte reaalsed
Teooria kehtib ainult laminaarse voolamise
korral
Kiiruse profiil ei pruugi olla sirge, eriti ajas
muutuva hoovuse/laine tingimustes
Teooria kehtib ainult horisontaalse põhja
jaoks
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Vee kiirus ja ja setete liikumine
Osakeste lahtirebimine raskendatud tänu nidususele
Suuremad
osakesed: vaid
põhjalähedane
transport
Väiksemad
osakesed:
transport vaid
heljuvas olekus
Suurte osakeste
liigutamiseks
vajalik suur vee
kiirus
Suured osakesed + väike
vee kiirus settimine
Väljasettimise kiirus
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Nihkekiirused liiva & kruusa jaoks
(nidusus ebaoluline)
Tegelikult
nidusus oluline
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Transpordi intensiivsus (empiirika)
Põhjalähedane
Heljuvas olekus
 ~nihkekiirus kuubis
 Setteosakeste
kontsentratsioon * hoovuse
  ~hoovuse kiirus /
kiirus
orbitaalkiirus kuubis
 Proportsionaalne hoovuse  Sõltub (re)suspensiooni ja
settimise bilansist
/ lainetuse poolt
arendatava võimsusega
 (Re)suspensioon
~hoovuse kiirus ruudus
 Väikesed muutused
kiiruses  suur muutus
Rannaprotsessid
transpordis
ebaproportsionaalselt intensiivsed
tugevate tormide ajal
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Erineva terasuurusega setted:
kantakse edasi erinevatel kõrgustel
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lainete põhjustatud transpordi
iseärasused: sõltuvus ka perioodist
Põhjalähedane
kiirus erineva
perioodiga
lainetes, mis
paneb kvartsliiva
liikuma
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Pikad lained: “ulatuvad” sügavale
15s perioodiga laine kõrgus,
mis paneb setteosakesed
liikuma (horisontaalne põhi)
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Laine tekitatud hoovus: tekitab ka
transpordi
Lainete võimsus rannajoone sihis
1

P1  cg  gh2  sin  cos
8

rannajoone meetri kohta!
Liiva transport piki randa: ligikaudne hinnang
(Waves, tides and shallow-water processes)
0.77P1
q1 
g  s   0.6
0.77: iseloomustab vee
tungimist liivamassidesse
0.6: iseloomustab liiva
“pakituse” astet
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Setete transpordi arvutamine
1. Resuspensiooni intensiivus q  M u  u 
2
*s
r
u*s - nihkekiirus
2
*r
u*2s  u*2r
u*r resuspensiooni kriitiline nihkekiirus
M [s/m] iseloomustab setete tüüpi
Resuspensiooni summaarne intensiivsus mingil
ajavahemikul pinnaühiku kohta -- integraal
2. Põhjalähedase transpordi intensiivsus
qb   s
u*b
d 50
2


4
u
3
*s
s  1gd50 
 0.188
 s  1gd50

32
u*2s  u*2b
s  s 
põhjalähedase transpordi kriitiline nihkekiirus
keskmine terasuurus
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Summaarse transpordi leidmine on
keerukas – kaasajal võib usaldada
vaid suurusjärku
(aga näiteks muutunud sügavuse
puhul saab üsna täpselt hinnata
transpordi muutusi)
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Naissaare juurest kaevandati 20032004 suur hulk liiva
59°40'
59°35'

59°30'
Kaevandusala
Muuga
N
km
0
2.5
Tallinn
5
24°30'
Soomere 2010
24°40'
S
24°50'
EMH0090 Rannikuprotsessid
25°00'
Pinnasepump-süvendaja Seaway täislastis
Foto: Tarmo Kõuts
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Kaevandusala õhust
Foto: Andres Kask
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Kaevandusala: veealune liivaneemik
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Oluline lainekõrgus ei muutu
Oluline lainekõrgus maardla kaguosas novembris 1999
3
Lainekõrgus, m
2.5
2
1.5
1
0.5
0
5
10
15
Kuupäev
20
25
30
Aga nihkekiirus – tänu sügavuse
suurenemisele - siiski
Nihkekiirus maardla kaguosas novembris 1999
6
Põhjalähedase
transpordi
kriitiline
nihkekiirus
Nihkekiirus, cm/s
5
4
3
2
1
0
Soomere 2010
5
10
15
Kuupäev
20
25
EMH0090 Rannikuprotsessid
30
Intensiivsuse muutus: arvestatav
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
Põhjalähedase transpordi intensiivsus
muutus: vähenes tänu vee sügavuse
suurenemisele
24º31.5
’
24º32’
24º32.
5’
24º33’
59º32’
0.0079
0.009
0.006
-0.02
0.097
59º31.75’
0.004
0.021
0.034
0.053
59º31.5’
-
0
-0.048
59º31.25’
-
-0.022
59º31’
-
59º30.75’
-
Soomere 2010
24º33.5’ 24º34’
24º34.5
’
24º35’
0.4
0.22
-0.43
0.35
0.26
-0.66
-1.37
0.11
-0.094
-13.5
-13.8
-2.12
-
0.1
-10.6
-42.4
-10.6
1.41
-
-
-0.21
0
0.67
1.39
1.49
-
-
-
-
0.21
0.59
-
EMH0090 Rannikuprotsessid
Lainekõrguste muutumine: huvitav muster
SW
-15
-10
-5
0
W
5
10
-15
-10
-5
0
5
10
Tuul: 6 tundi, 15 m/s; isojoonte vahe 2.5cm
Lainekõrguse muutumine: refraktsiooni
intensiivsuse muutumise kaudu
Soomere 2010
EMH0090 Rannikuprotsessid
15