Meereswellen und interne Wellen

Wellen transportieren Energie über den Ozean, ohne dass es zu einem Massentransport von Wasser kommt – von windgenerierten Oberflächenwellen und weit reisendem Seegang bis hin zu den viel größeren, langsameren internen Wellen, die sich entlang von Dichtegrenzflächen tief im geschichteten Ozean ausbreiten.

Definition

Meereswellen sind oszillierende Störungen, die sich entlang der Meeresoberfläche (Oberflächenwellen) oder entlang von Dichtegrenzflächen im geschichteten Inneren (interne Wellen) ausbreiten, durch die Schwerkraft wiederhergestellt und bei den größten Wellen durch die Erdrotation modifiziert werden.

Scope

Dieses Thema behandelt die Entstehung, Dispersion und Ausbreitung von Oberflächenschwerewellen (Windwellen und Dünung), ihr Wachstum, Brechen und Auflaufen; die Physik interner Schwerewellen auf Schichtung, einschließlich der internen Gezeiten; und die Rolle dieser Wellen beim Energietransport und der Antriebsmischung.

Core questions

• Wie wachsen Windwellen, zerstreuen sich zu Dünung und wandern über Ozeanbecken?
• Welche Dispersionsrelation verbindet Periode, Wellenlänge und Geschwindigkeit einer Welle in tiefem und flachem Wasser?
• Wie entstehen interne Wellen bei Dichteschichtung, und warum sind sie so viel größer als Oberflächenwellen?
• Wie übertragen brechende Oberflächen- und interne Wellen Energie in Turbulenz und Durchmischung?

Key theories

Lineare Wellendispersion

Oberflächenschwerewellen kleiner Amplitude gehorchen einer Dispersionsrelation, bei der längere Wellen schneller wandern, sodass sich ein sturmgeneriertes Spektrum beim Ausbreiten von seiner Quelle in geordnete Dünung sortiert.

Interne Wellen auf Schichtung

In einem stabil geschichteten Ozean wirkt der Auftrieb als rücktreibende Kraft für interne Schwerewellen, deren Frequenzen zwischen der Trägheits- und der Auftriebsfrequenz liegen, wodurch sie sich vertikal und horizontal durch das Innere ausbreiten können.

Mechanisms

Wind überträgt Energie und Impuls auf die Meeresoberfläche und erzeugt ein Wellenspektrum, das sich so ausbreitet, dass längere Wellen kürzere überholen und Dünung bilden; wenn Wellen in flaches Wasser gelangen, laufen sie auf, werden steiler und brechen, wodurch Energie freigesetzt wird. Interne Wellen entstehen dort, wo Gezeiten und Strömungen über Topographie fließen, und breiten sich entlang der Schichtung aus, bis sie brechen und die innere Durchmischung antreiben.

Clinical relevance

Die Wellenvorhersage ist entscheidend für die Schifffahrt, die Offshore-Technik und die Warnung vor Küstengefahren, während brechende interne Wellen einen Großteil der Durchmischung liefern, die die Schichtung und die Umwälzzirkulation des Tiefseebeckens aufrechterhält.

History

Die mathematische Theorie der Wasserwellen wurde im neunzehnten Jahrhundert von Airy und Stokes entwickelt; Arbeiten von Munk und anderen aus der Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts zur Wellenvorhersage und die Entdeckung der Dünungsausbreitung über ganze Ozeane, zusammen mit Hasselmanns spektraler Wellentheorie, etablierten die moderne Wellenwissenschaft.

Key figures

• George Gabriel Stokes
• Walter Munk
• Klaus Hasselmann

Seminal works

• talley2011
• kundu2015

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen See und Dünung?

See bezieht sich auf die kurzen, kabbeligen Wellen, die noch vom lokalen Wind angetrieben werden, während Dünung die glatteren, längerperiodischen Wellen sind, die ihren erzeugenden Sturm überholt haben und weit über den Ozean gereist sind.

Warum sind interne Wellen oft viel größer als Oberflächenwellen?

Interne Wellen breiten sich entlang des geringen Dichteunterschieds zwischen Wasserschichten aus und nicht entlang des großen Luft-Wasser-Kontrasts, sodass die rücktreibende Kraft schwächer ist und die Wellen Höhen von mehreren zehn Metern erreichen können, während sie unter der Oberfläche verborgen bleiben.