5. Pomiar elementów fali. Skala stanów morza
Szacunek elementów fali stanowi jeden z trudniejszych pomiarów hydrologicznych na morzu, wymaga sporego doświadczenia. Główną przyczyną trudności jest to, że na morzu, wobec braku obiektów odniesienia (przedmiotów terenowych) ocena odległości i różnic wysokości powierzchni wody jest zawodna, utrudnia je dodatkowo kołysanie i ruch postępowy statku.
Długość fali precyzyjniej ocenić można tylko wtedy, gdy statek znaduje się w dryfie a długość fali jest mniejsza od długości statku lub współmierna z długością statku. Długość statku stanowi wtedy miarę odniesienia. W przypadku fal o większych długościach ich pomiar (szacunek długości) nie jest ze statku możliwy (jest niewiarygodny). Z tego względu szacunek długości fali nie jest w praktyce stosowany (i nie zaleca się go prowadzić; tako rzecze instrukcja). Ponieważ długość fali można w prosty sposób obliczyć z okresu fali (patrz część wstępna), szacunek długości fali jest zastąpiony pomiarem okresu.
Pomiar okresu fali może być przeprowadzony ze statku w sposób względnie wiarygodny i precyzyjny, zwłaszcza w sytuacji lepiej rozwiniętego falowania, w którym niektóre, choćby pojedyńcze fale załamują się. Po załamaniu na powierzchni wody tworzy się plama piany, utrzymująca się dość długo (kilkadziesiąt sekund). Pomiar okresu fali polega na odnotowaniu momentu, w którym plama piany znajdzie się na wierzchołku fali, w tym momencie włączamy stoper (sekundomierz). Obserwując nadal plamę piany notuje się następnie moment, przez wyłaczenie stopera, w którym znalazła się ona na grzbiecie następnej fali. Tak zmierzony okres jest rzeczywistym okresem fali, można z niego, posługując się omówionym już wcześniej formułami, określić tak długość, jak i prędkość fali.
Na wolno poruszającym się statku można dokonać omówionej wyżej operacji mierząc czas, w którym plama piany znajdzie się na trzecim kolejnym grzbiecie. Należy wtedy wybrać do pomiaru najwyższe (środkowe) fale z grupy falowej. Po podzieleniu zmierzonego czasu przez trzy uzyska się wtedy średni okres fali znacznej. Na szybko poruszającym się statku należy mierzyć okres pojedyńczej fali, gdyż istnieje ryzyko, że stracimy plamę piany z oczu lub nie będziemy jej już mogli jednoznacznie zidentyfikować.
Okres fali może być również oszacowany z dość dużą dokładnością w czasie ruchu statku, gdy mierzyć się będzie odstępy czasu, w jakich grzbiety kolejnych, nadchodzących fal dochodzić będą do jakiegoś charakterystycznego (stale tego samego) punktu statku (np. dziobu). Pomiar ten jest pomiarem okresu pozornego. Znając okres pozorny (to, sekundy), prędkość statku (Vs, węzły) i kąt kursowy fali (kq, stopnie), okres rzeczywisty (t) oblicza się:
t = (( to + ( to2 + 1.32*to * Vs * cos (kq))0.5) / 2
(Uwaga: Pamiętaj, ze n0.5 [ n do jednej drugiej] = pierwiastek kwadratowy z n, zwracaj uwagę na liczbę i kolejność nawiasów)
Ta ostatnia metoda pomiaru może być zastosowana zarówno w dzień, jak i - co istotne w nocy lub też w warunkach bardzo słabej widoczności. Jej jedyną wadą jest potrzeba wykonania dość skomplikowanych obliczeń (warto wzór zapisać w programowalnym kalkulatorze). Wymaga ona jednak dobrej oceny kąta kursowego fali (nie gorszej niż 10°). Jeśli fala podchodzi z sektorów rufowych i porusza się szybciej od statku istnieje możliwość, przy złym pomiarze okresu pozornego (często kilkadziesiąt i więcej sekund !) lub złej ocenie kąta kursowego, otrzymania absurdalnych wyników. Z tego względu, każdorazowo należy ocenić uzyskany z obliczeń wynik pod kątem jego realności.
Wysokość fali szacujemy w ten sposób, że wybieramy trzy największe fale w grupie falowej i szacujemy kolejno ich wysokość z dokładnością do połowy metra. Przykładowo będą to kolejno oszacowane wysokości 2 m, 3 m i 3 m. Wysokości te następnie dodajemy do siebie i dzielimy przez trzy (średnia arytmetyczna, w tym wpadku 8 / 3 = 2.66...) a następnie zaokrąglamy uzyskaną wartość do pełnych połówek metra (2.5 m). Oszacowana w ten sposób wysokość fali jest wysokością fali znacznej (h 1/3). W przypadku mniejszych wysokości fal możemy odnieść szacunek wysokości fali do burty statku, pamiętając jednak, aby szacować wysokość fali w momencie, gdy statek nie znajduje się w przechyle. Również i w tym przypadku szacujemy wysokość fali z dokładnością do połowy metra i z taką samą dokładnością (zaokrąglenie) podajemy średnią. Wobec niewielkiej dokładności takiego rodzaju szacunków, taka właśnie dokładność (0.5 m) jest wymagana przez instrukcję
Każdorazowo, gdy szacuje się wysokość fali należy pamiętać, że linia horyzontu (widnokręgu) wyznacza poziom, nie zaś ustawienie pokładu statku. Nie uwzględnienie tego prowadzi do rażących błędów szacunku wysokości fali. Również wysokość obserwatora nad poziom morza doprowadza często do przeszacowania lub niedoszacowania wysokości fali. Analiza zapisów w Dziennikach Okrętowych Obserwacji Hydrometeorologicznych wskazuje, że szacunki wysokości fal wykonane z pokładu małych jednostek wykazują większe wysokości fal niż występowały w rzeczywistości (+1 m), zaś takie same szacunki wykonane z jednostek, w których obserwator znajdował się na wysokości 25 m nad powierzchnią wody znacznie pomniejszały wysokości fal, nawet o 3 do 4 metrów.
Kierunek przemieszczania się fali najwygodniej określić posługując się namiernikiem. Wizujemy przez przeziernik namiernika, ustawiając go równolegle do grzbietów fal, następnie dokonujemy odczyt kierunku i dodajemy bądź odejmujemy od odczytanej wartości 90°, w zależności od kierunku przemieszczania się fali (należy pamiętać o uwzględnieniu CP, jeśli jest duża). Określenie kierunku rozchodzenia się falowania tą metodą daje na ogół dokładność lepszą od 10°, co jest zupełnie wystarczające. Kierunek falowana określa się bowiem z dokładnością 10°. Dla przypomnienia - kierunek fali określa się jako ten, z którego fala nadchodzi (tak samo jak wiatr).
Oprócz szacowania wysokości i okresu fali na morzu znajduje powszechne zastosowanie skala stanów morza. Skala stanów morza stanowi skalę umowną, nieliniową, za pomocą której określamy wysokość fali w przedziałach. Skala stanów morza ma 10 stanów (stopni) - od 0 do 9. Jest stosowana m.in. w prognozach przekazywanych otwartym tekstem (np. "...sea - 5...", "...Zatoka Gdańska 2-3..." ), w zapisach w dziennikach okrętowych.
Granice przedziałów wysokości fal w niżej przedstawionej skali stanów morza pochodzą z "The Mariner's Handbook" (NP 100, Sixth Ed., 1989), polskie określenia z instrukcji do Dziennika Okrętowego (polskiego)
Tabela 4. Skala stanów morza
stan morza |
określenie stanu morza |
wysokość fali w metrach |
0 |
lustrzana gładź (Calm-glasy) |
0 |
1 ( I ) |
zmarszczki (Calm-rippled) |
0,0 - 0,1 |
2 ( II ) |
bardzo łagodne (Smooth wavelets) |
0,1 - 0,5 |
3 ( III ) |
łagodne (Slight) |
0,5 - 1,25 |
4 ( IV ) |
umiarkowane (Moderate) |
1,25 - 2,5 |
5 ( V ) |
wzburzone (Rough) |
2,5 - 4,0 |
6 ( VI ) |
bardzo wzburzone (Very rough) |
4,0 - 6,0 |
7 ( VII) |
wysokie (High) |
6 - 9 |
8 ( VIII ) |
bardzo wysokie (Very high) |
9 - 14 |
9 ( IX ) |
niezwykłe (Phenomenal) |
ponad 14 |
Stan morza określa się wyłącznie według wysokości największych, najbardziej rozbudowanych fal. Rodzaj występującego na morzu falowania nie odgrywa żadnego znaczenia dla określenia stanu morza. Jeśli wysokość najwyższych fal może być oszacowana na 4.5 - 5 m, to stan morza wynosi 6 i jest przy tym sprawą obojętną czy fale te są falami wiatrowymi, falami rozkołysu czy też występuje falowanie zinterferowane. Również jest sprawą obojętną gdzie obserwuje się fale o takiej wysokości - na środku Atlantyku, czy na Bałtyku. Przy podanej wysokości fali (4.5 - 5 m) stan morza będzie zawsze 6. Ta ostatnia uwaga wynika z zamieszczonego w instrukcji do wypełniania polskich dzienników okrętowych (pkt. 17) głupawego odnośnika, mylącego stan morza ze skalą siły wiatru (Skalą Beauforta).
Stan morza może wykazywać związek z prędkością / siłą wiatru (tak się może dziać na otwartych przestrzeniach oceanicznych po upływie pewnego czasu, w którym wiatr utrzymuje swoją prędkość / siłę), ale nie musi. Może też występować wysoki stan morza przy całkowitym braku wiatru (martwa fala). Na niektórych akwenach wiatr może osiągać siłe huraganu i wiać z tą siłą bardzo długo, a stan morza nie osiągnie nigdy większych wartości, stosownych do siły wiatru (np. ze względu na zbyt małą długość rozbiegu fali). Dla wyjaśnienia ewentualnych niezgodności między siłą wiatru notowanego w Dzienniku okrętowym (strona lewa, rubryka 16) a stanem morza (rubryka 17), w momencie gdy siła wiatru jest niska a stan morza wysoki należy przy zapisie stanu morza dodać oznaczenie literowe "mf" (martwa fala; np. 5-6 mf), objaśniające przyczynę tej niezgodności.
Nagminnym błędem popełnianym przy opisie stanu morza jest mylenie skali siły wiatru Beauforta ze skalą stanów morza. Siłę wiatru oceniamy z wyglądu powierzchni morza (tworzenie się fali, załamywanie się fali, tworzenie piany, układanie się piany w pasma, porywanie piany i bryzgów w powietrze, etc. - patrz Skala Beauforta w TN). Stan morza nie może przekroczyć IX, zapisy w dziennikach okrętowych wskazujące na stan morza większy od tej wartości wskazują na brak kwalifikacji oficera wachtowego i brak odpowiedniego nadzoru nad jego pracą (czyli zaniedbywaniem obowiązków) przez Kapitana. Również błędem jest podawanie stanu morza z mianowaniem w °Beauforta (np stan morza - 4°B ).