海洋波と内部波

波は、風によって生成される海面波や遠くまで伝播するうねりから、成層した海洋深部の密度界面に沿ってうねるはるかに大きくゆっくりとした内部波まで、水の大量輸送を伴わずに海洋を横断してエネルギーを運びます。

Definition

海洋波は、海面（表面波）または成層した内部の密度界面に沿って伝播する振動擾乱であり、重力によって復元され、最大の波については地球の自転によって変形されます。

Scope

このトピックでは、表面重力波（風浪とうねり）の発生、分散、伝播、その成長、砕波、浅水変形について扱います。また、成層における内部重力波の物理学、内部潮汐を含め、これらの波がエネルギーを輸送し、混合を促進する役割についても説明します。

Core questions

• 風浪はどのように成長し、うねりに分散し、海洋盆地を横断して伝播するのでしょうか？
• 深水および浅水において、波の周期、波長、速度を結びつける分散関係とは何でしょうか？
• 内部波は密度成層上でどのように発生し、なぜ表面波よりもはるかに大きいのでしょうか？
• 砕波する表面波と内部波は、どのようにエネルギーを乱流と混合に変換するのでしょうか？

Key theories

線形波分散

小振幅の表面重力波は、長い波ほど速く伝播するという分散関係に従うため、嵐によって生成されたスペクトルは、発生源から離れて伝播するにつれて秩序だったうねりに分類されます。

成層における内部波

安定に成層した海洋では、浮力が内部重力波の復元力として作用します。これらの波の周波数は慣性周波数と浮力周波数の間にあり、内部を鉛直方向および水平方向に伝播することができます。

Mechanisms

風は海面にエネルギーと運動量を伝達し、波のスペクトルを形成します。この波は、長い波が短い波を追い越してうねりを形成するように分散します。波が浅い水域に入ると、浅水変形し、急峻になり、砕波してエネルギーを放出します。内部波は、潮汐や海流が地形を越えて流れる場所で発生し、成層に沿って伝播し、砕波して内部混合を促進します。

Clinical relevance

波浪予報は、船舶輸送、海洋工学、沿岸災害警報にとって極めて重要です。一方、砕波する内部波は、深海の成層と転覆循環を維持する混合の多くを供給しています。

History

水波の数学的理論は19世紀にエアリーとストークスによって発展しました。20世紀半ばには、マンクらによる波浪予報に関する研究や、うねりが全海洋を横断して伝播することの発見、そしてハッセルマンのスペクトル波理論が、現代の波浪科学を確立しました。

Key figures

• George Gabriel Stokes
• Walter Munk
• Klaus Hasselmann

Seminal works

• talley2011
• kundu2015

Frequently asked questions

「海」と「うねり」の違いは何ですか？

「海」とは、まだ局地的な風によって駆動されている短く波立つ波を指し、「うねり」とは、発生源の嵐から離れて海洋を遠くまで伝播してきた、より滑らかで周期の長い波を指します。

内部波が表面波よりもはるかに大きいことが多いのはなぜですか？

内部波は、大きな空気と水のコントラストではなく、水層間の小さな密度差に沿って伝播するため、復元力が弱く、表面下にとどまりながらも数十メートルの高さに達することがあります。