砕ける波

流体力学および航海用語では、砕波または砕波器とは、ピーク時に「砕ける」のに十分なエネルギーを持つ波であり、線形エネルギーが明確な前方曲線を持つ波乱流エネルギーに変化する臨界レベルに達します。この時点で、波の力学を記述する単純な物理モデル、特に線形動作を想定するモデルは無効になることがよくあります。

最も一般的に知られている砕波は、海岸線で水面波が砕けることである。砕波は通常、振幅が波の頂上が実際にひっくり返る点に達するところで起こる。流体力学における他の特定の効果も、部分的に水面波との類推から「砕波」と呼ばれている。気象学では、大気重力波は、波が高さとともに位置温度が低下する領域を生成し、対流不安定性によるエネルギー散逸を引き起こすときに砕波すると言われている。同様に、ロスビー波は、位置渦度勾配がひっくり返ったときに砕波すると言われている^[1]。砕波はプラズマでも発生し、^[2]粒子速度が波の位相速度を超えたときに発生する。プラズマ物理学における別の応用は、真空中へのプラズマ膨張であり、この場合の砕波のプロセスとそれに続く高速イオンピークの発生は、サック・シャメル方程式によって記述される。

波が砕ける浅瀬などの岩礁や浅瀬の場所もブレーカーと呼ばれることがあります。

水面波の砕波は、海洋の中央部を含む、振幅が十分であればどこでも発生する可能性があります。ただし、浅瀬の領域では波高が増幅されるため (そこでは群速度が低いため)、特に海岸でよく発生します。波と浅瀬も参照してください。

砕波には、流出波、急落波、崩壊波、および押し寄せ波の4つの基本的なタイプがあります。^[3]

海底の傾斜が緩やかな場合、波は波頭が不安定になるまで急勾配となり、その結果、乱れた白波が波面を伝って流れ落ちます。波が岸に近づくにつれてこの状態が続き、波のエネルギーは白波の中でゆっくりと消散します。このため、波が流れ落ちる波は他の波よりも長い時間砕け、比較的穏やかな波になります。陸地の風の状況により、波が流れ落ちる可能性が高くなります。

沈み込み波は、海底が急峻であったり、岩礁や砂州などによって水深が急激に変化したりするときに発生します。波の頂上は沈み込み波よりもずっと急峻になり、垂直になり、その後波の谷に落ち込み、比較的激しい衝撃でそのエネルギーのほとんどを一度に放出します。沈み込み波は、かなり大きな沈み込み波よりも大きなエネルギーで砕けます。波は縁の下の空気を閉じ込めて圧縮するため、波に関連する「衝突」音が発生します。波が大きい場合、この衝突音は陸上の海水浴客にも感じられます。沖合の風の状況により、沈み込み波が発生する可能性が高くなります。

突進する波がビーチ (または海底) と平行でない場合、浅瀬に到達した波の部分が最初に砕け、砕けた部分 (またはカール) は波が進むにつれて波面を横方向に横切って移動します。これがサーファーが特に追い求める「チューブ」です (「バレル」、「ピット」、「グリーンルーム」などとも呼ばれます)。サーファーは、砕ける縁の近くまたは下に留まろうとし、チューブの「奥」にできるだけ留まろうとしますが、バレルが閉じる前に前方に飛び出してチューブから出られるようにします。ビーチと平行な突進する波は、その全長にわたって一度に砕け、乗れなくなり危険になります。サーファーは、このような波を「クローズド アウト」と呼びます。

崩壊波は、突入波と押し寄せ波の中間のような波で、波の頂上が完全に崩れることはありませんが、波の底面が急勾配になって崩壊し、泡が発生します。

押し寄せる砕波は、周期が長く、傾斜の緩い波や、急峻な海岸の地形によって発生します。その結果、波の底が急速に波頭斜面を上って移動し、波頭が消えます。波の前面と波頭は比較的滑らかで、泡や気泡がほとんどないため、砕波帯が非常に狭くなるか、まったく波が砕けなくなります。波エネルギーが短く鋭く爆発するため、次の波が到達する前に押し寄せ/引き波サイクルが完了し、ケンプの位相差の値が低くなります (< 0.5)。押し寄せる波は、反射海岸の典型的な状態です。急峻な海岸では、波のエネルギーが海底で反射されて海に戻り、定在波が発生します。

砕波中、波頭に変形 (通常は膨らみ) が形成されます。波頭の先端側は「つま先」と呼ばれます。短波長の寄生毛細管波が形成されます。「つま先」より上の毛細管波は、波長がずっと長くなる傾向があります。ただし、この理論は線形であるため、完璧ではありません。波に関する非線形運動理論はいくつかあります。そのうちの 1 つは摂動法を使用して記述を 3 次まで拡張し、それ以降、より優れた解が見つかりました。波の変形に関しては、境界積分法やブシネスク モデルによく似た方法が考案されています。

砕波の高周波成分が波頭の変形や不安定化に関与していることが分かっています。同じ理論ではこれをさらに発展させ、表面張力波の谷が渦の発生源となると述べています。表面張力（および粘性）は波長が約7cm（3インチ）までの波に重要であると言われています。^[4]

しかし、これらのモデルには欠陥があり、波が砕けた後に水に何が起こるかは考慮されていません。砕けた後の渦の形成や砕けによって生じる乱流はほとんど研究されていません。当然ながら、海から予測可能な結果を​​得るのは難しいかもしれません。

波の先端がひっくり返ってジェットが崩壊すると、非常に一貫性のある明確な水平渦が発生します。砕波によって、波の表面に二次渦が発生します。波の側面に形成される小さな水平方向のランダムな渦は、おそらく砕波前の水の速度が多かれ少なかれ 2 次元であることを示唆しています。砕波後は 3 次元になります。

波の前面にある主な渦は、表面の渦がより粘性を持つようになると、砕けた後に波の内部に急速に拡散します。移流と分子拡散は、渦を引き伸ばし、渦度を再分配し、乱流カスケードを形成する役割を果たします。この方法により、大きな渦のエネルギーは、はるかに小さい等方性渦に伝達されます。

深海と海岸の両方で、破壊後の乱流の発達を推測するための実験が行われました。

• イリバレン数 – 無次元パラメータ
• 波動乱流 – 熱平衡から大きく逸脱した非線形波の集合

ウィキメディア・コモンズには、砕波に関連するメディアがあります。

• 海洋と周辺、オーストラリア地球科学
• スーパースローモーションラボ 波の砕け方：サイドビュー。YouTubeで
• スーパースローモーション実験室 波の砕け方：乱流の水中ビュー。YouTubeで