Внутренний вал

Внутренние волны - это гравитационные волны на уровнях внутренней плотности в воде. Низкочастотные внутренние волны также известны как внутренние приливы .

Уровни плотности могут, например, Б. возникают, когда солнечная радиация нагревает воду в верхних слоях моря или когда пресная вода течет из реки в море (т.е. в так называемых зонах смешения ) и распространяется только на поверхности. Эти интерфейсы обычно находятся на глубине менее 100 метров в море. Для озер см. Температурную стратификацию .

обзор

РСА- изображение Индийского океана

Внутренние волны были впервые замечены в результате явления так называемых зон мертвой воды в океанах. Рядом с эстуариями есть районы, где легкая пресная вода накладывается на тяжелую соленую . Если корабль входит в зону, он создает носовые волны на границе между соленой и пресной водой, если осадка достаточна . Он явно теряет скорость, при этом на поверхности воды не видно волн.

SAR , изображение справа показывает долгопериодические внутренних волн в Индийском океане ( длина волны больше , чем 500 метров, верхняя стрелка) , которые образуют на границе раздела между теплой и холодной водой. Хотя SAR практически не проникает в воду и волны на поверхности воды не появляются из-за изменений уровня воды, внутренние волны видны в SAR через течения на поверхности воды. Короткопериодические волны внизу слева - это волны на поверхности воды .

Вообще говоря, внутренние волны представляют собой периодические резкие изменения толщи воды в вертикальном направлении, связанные с температурой , давлением и соленостью (соленостью воды). Они могут возникать практически в любом водоем, но должен быть пороги или ребра разделения , которые оказывают существенное влияние на токе (например , в проливах , такие как Гибралтарский пролив , то Мессинский пролив , или входы в фьорды, и т.д.).

Эффекты

Считается, что внутренние волны ответственны за то, что континентальные склоны в среднем спускаются очень плавно, хотя физически возможны уклоны до 15 °. Альтернативная спорная теория обвиняет только подводные оползни . Однако процессы сложны, поэтому можно ожидать, что несколько факторов будут взаимодействовать друг с другом.

Поскольку внутренние волны возникают в верхних слоях (см. Выше) морей, можно подумать, что нижние слои континентального склона не образованы ими. Однако внутренние волны также возникают на более низких высотах, потому что плотность воды постоянно увеличивается, поэтому существует много пограничных слоев. Периодические колебания уровня моря, вызванные приливами, также вызывают периодические колебания внутренних волн, которые заставляют их плыть вдоль континентальных склонов (как по горизонтали, так и по вертикали, отражаясь от пограничного слоя, создавая зигзагообразную кривую). Вопрос о том, могут ли эти волны формировать дно океана в долгосрочной перспективе, исследуется с 1960-х годов . Норвежский исследователь Арктики и лауреат Нобелевской премии мира Фритьоф Нансен нашел первые доказательства этого тезиса еще в конце XIX века . Поэтому нужно было исследовать, достаточно ли сильны внутренние волны, чтобы вытеснить материал.

Этот тезис был подтвержден экспериментами в волновых танках. Кроме того, с помощью этих экспериментов можно было делать прогнозы относительно поведения рефракции и скорости распространения внутренних волн (см. Ниже). Существование внутренних волн также было доказано исследовательскими подводными лодками , поскольку в них они ощущаются как вибрации. Записи также показывают, как поднимается грязь. Скорость распространения внутренних волн, вызванных приливами, составляет до 40 сантиметров в секунду.

Материал уносится с материкового склона внутренними волнами, если угол колебания внутренних волн (т.е. угол, под которым волны отражаются от пограничного слоя) совпадает с наклоном. Угол колебаний также действительно совпадает с наклоном, что подтверждает тезис о том, что дно океана образовано внутренними волнами.

Скорость распространения

В 1847 году британский математик и физик Джордж Габриэль Стоукс разработал  важное соотношение для фазовой скорости таких волн при наличии одного четкого уровня плотности (символы с  «относятся к слою воды над границей раздела, символы без»  - к слою воды ниже границы раздела). : ${\ displaystyle c}$${\ Displaystyle \ rho '<\ rho}$

${\ displaystyle c ^ {4} \ cdot \ left (\ coth {\ frac {2 \ pi h} {\ lambda}} + \ coth {\ frac {2 \ pi h '} {\ lambda}} + {\ frac {\ rho '} {\ rho}} \ right) -c ^ {2} \ cdot \ left (\ coth {\ frac {2 \ pi h} {\ lambda}} + \ coth {\ frac {2 \ pi h '} {\ lambda}} \ right) \ cdot {\ frac {g \ cdot \ lambda} {2 \ pi}} + \ left (1 - {\ frac {\ rho'} {\ rho}} \ справа) \ cdot \ left ({\ frac {g \ cdot \ lambda} {2 \ pi}} \ right) ^ {2} = 0}$

С участием

• длина волны ${\ displaystyle \ lambda}$
• Ускорение силы тяжести ${\ displaystyle g}$
• Уровень жидкости ${\ displaystyle h}$
• Гиперболический котангенс ${\ displaystyle \ coth.}$

У этого уравнения есть 2 специальных решения:

• для коротких волн ${\ Displaystyle (ч '<\ лямбда <ч):}$

${\ displaystyle c_ {1} ^ {2} = {\ frac {g \ cdot \ lambda} {2 \ pi}}}$ и ${\ displaystyle c_ {2} ^ {2} = g \ cdot h \ cdot \ left (1 - {\ frac {\ rho '} {\ rho}} \ right)}$

Здесь c ₁ - фазовая скорость связанной поверхностной волны, а c _{2 -} фазовая скорость внутренней волны.

• для длинных волн ${\ Displaystyle (ч + ч '<\ лямбда):}$

${\ Displaystyle c_ {1} ^ {2} = г \ cdot (ч + ч ')}$ и ${\ displaystyle c_ {2} ^ {2} = g \ cdot h \ cdot {\ frac {h '} {h + h'}} \ cdot \ left (1 - {\ frac {\ rho '} {\ rho }} \ правильно).}$

Математически уравнение Кортевега-де-Фриза , то уравнение Бенджамина-Оно и (САО) уравнение Intermediate Длинные волны также были использованы для описания их (САО экстраполяцией между ними). У вас есть солитонные решения .

литература

Дэвид А. Каччионе, Линкольн Ф. Пратсон: волны среди волн . В: Спектр науки 10/05, стр. 56 и сл.