Океанские волны и внутренние волны

Волны переносят энергию через океан без массового переноса воды — от поверхностных волн, генерируемых ветром, и далеко распространяющейся зыби до гораздо более крупных, медленных внутренних волн, которые колеблются вдоль границ плотности глубоко внутри стратифицированного океана.

Definition

Океанские волны — это колебательные возмущения, которые распространяются вдоль поверхности моря (поверхностные волны) или вдоль границ плотности внутри стратифицированной толщи (внутренние волны), восстанавливаемые гравитацией и, для самых крупных волн, модифицируемые вращением Земли.

Scope

Эта тема охватывает генерацию, дисперсию и распространение поверхностных гравитационных волн (ветровых волн и зыби), их рост, обрушение и приближение к берегу; физику внутренних гравитационных волн на стратификации, включая внутренний прилив; а также роль этих волн в переносе энергии и стимулировании перемешивания.

Core questions

• Как ветровые волны растут, рассеиваются в зыбь и перемещаются через океанские бассейны?
• Каково дисперсионное соотношение, связывающее период, длину волны и скорость волны в глубокой и мелкой воде?
• Как возникают внутренние волны на стратификации плотности и почему они намного больше поверхностных волн?
• Как обрушающиеся поверхностные и внутренние волны передают энергию в турбулентность и перемешивание?

Key theories

Линейная дисперсия волн

Поверхностные гравитационные волны малой амплитуды подчиняются дисперсионному соотношению, согласно которому более длинные волны распространяются быстрее, поэтому спектр, генерируемый штормом, упорядочивается в зыбь по мере удаления от источника.

Внутренние волны на стратификации

В устойчиво стратифицированном океане плавучесть действует как восстанавливающая сила для внутренних гравитационных волн, частоты которых лежат между инерционной и плавучей частотами, что позволяет им распространяться вертикально и горизонтально внутри толщи.

Mechanisms

Ветер передает энергию и импульс поверхности моря, создавая спектр волн, которые диспергируют, при этом более длинные волны опережают более короткие, образуя зыбь; по мере того как волны входят в мелководье, они приближаются к берегу, становятся круче и обрушиваются, высвобождая энергию. Внутренние волны генерируются там, где приливы и течения проходят над топографией, распространяясь вдоль стратификации до тех пор, пока они не обрушатся и не вызовут внутреннее перемешивание.

Clinical relevance

Прогнозирование волн имеет решающее значение для судоходства, морской инженерии и предупреждения о прибрежных опасностях, в то время как обрушающиеся внутренние волны обеспечивают большую часть перемешивания, которое поддерживает стратификацию и опрокидывающую циркуляцию глубокого океана.

History

Математическая теория водных волн была разработана Эйри и Стоксом в девятнадцатом веке; работы Мунка и других в середине двадцатого века по прогнозированию волн и открытию распространения зыби через целые океаны, наряду со спектральной теорией волн Хассельмана, заложили основы современной науки о волнах.

Key figures

• George Gabriel Stokes
• Walter Munk
• Klaus Hasselmann

Seminal works

• talley2011
• kundu2015

Frequently asked questions

В чем разница между волнением и зыбью?

Волнение относится к коротким, нерегулярным волнам, все еще движимым местным ветром, тогда как зыбь — это более гладкие, длиннопериодные волны, которые опередили породивший их шторм и прошли большое расстояние через океан.

Почему внутренние волны часто намного больше поверхностных волн?

Внутренние волны распространяются вдоль небольшой разницы плотностей между слоями воды, а не вдоль большого контраста воздух-вода, поэтому восстанавливающая сила слабее, и волны могут достигать десятков метров в высоту, оставаясь скрытыми под поверхностью.