Волновые движения в океане
Одна из особенностей Мирового океана, приводящая к возникновению необычайно зрелищного и интересного явления, заключается в наличии свободной границы океана, которая энергетически прозрачна, легко деформируема и подвижна. Эта особенность приводит к возникновению и развитию морских гравитационных поверхностных волн, которые возникают под действием ветра и являются наиболее очевидным проявлением динамического взаимодействия океана и атмосферы. В качестве силы, возвращающей в положение равновесия водную поверхность, выступает сила тяжести. Роль возвращающей силы может играть и сила поверхностного натяжения — при этом возникают поверхностные капиллярные волны. Мелкая рябь, возникающая на поверхности пруда или лужи при порывах ветра, имеет именно такую природу.
Однако наряду с поверхностными гравитационными и капиллярными волнами в океане существует множество других видов волн, которые играют важную роль в динамике океана. Гравитационные волны возникают благодаря действию силы тяжести на частицы воды, отклоненные от положения равновесия. Сила тяжести возвращает их в исходное положение. Такие равновесные положения могут быть связаны со свободной поверхностью или внутренней геопотенциальной поверхностью в стратифицированной жидкости.
Подобно тому, как поверхностные волны существуют на границе вода-воздух, на границе раздела вод разной плотности будут существовать внутренние гравитационные волны. Образование внутренних волн происходит не только при скачкообразном изменении плотности, но и при ее непрерывном распределении по глубине. Возникновение внутренних волн можно представить себе следующим образом. Если в покоящейся стратифицированной среде возникло возмущение, которое вывело частицу воды из состояния равновесия, то возникает возвращающая сила, равная равнодействующей архимедовой силы и силы тяжести, вызывающая колебания около положения равновесия.
7 В И Трухин и др
190 Гл. JO. Волны в океане
Распространение этих колебаний в среде и представляет собой внутренние волны. Амплитуда волн этого типа в океане может достигать сотни метров, длина волны — многие километры, но колебания водной поверхности при этом будут ничтожны. Образование внутренних волн происходит под действием приливов, колебаний атмосферного давления, изменений поля приводного ветра, неустойчивости течений. Внутренние волны в океане имеют самые разнообразные формы — от почти синусоидальных до солитонообразных. Поверхностные течения, индуцированные внутренними волнами, оказывают сильное воздействие на короткие поверхностные волны, перераспределяют поверхносто-активные вещества на морской поверхности. Образующаяся на поверхности зона выглаживания, так называемый слик, или наоборот зона повышенной интенсивности волнения, или сулой, в которой наблюдается обрушение волн, имеют форму вытянутых полос, распространяющихся вместе с группами внутренних волн. По этим проявлениям на поверхности океана внутренние волны и обнаруживаются. Так как поверхностные гравитационно-капиллярные волны, поверхностно-активные вещества сильно влияют на коэффициент отражения электромагнитных, в том числе световых волн, внутренние волны хорошо обнаруживаются дистанционными методами, например, они видны из Космоса. Внутренние волны по сравнению с обычными поверхностными гравитационными волнами обладают рядом удивительных свойств. Например, групповая скорость внутренних волн перпендикулярна фазовой, угол отражения внутренних волн от откоса не равен углу падения [73, 63].
При рассмотрении крупномасштабных явлений в Мировом океане необходимо учитывать эффекты вращения Земли, изменение глубины и наличие берегов. Учет этих факторов обусловливает возможность существования особых типов волн в океане. Сила Кориолиса является причиной возникновения инерционных или гироскопических волн. Если во вращающейся системе координат частица воды движется с некоторой скоростью, то сила Кориолиса, действующая по нормали к скорости частицы, обусловливает возникновение дополнительного движения по окружности. Однако частица не может двигаться независимо. Образующийся градиент давления совместно с силой Кориолиса приводит к возникновению волновых движений. Если наряду с силой Кориолиса важную роль играет сила тяжести, то возникают гравитационно-гироскопические волны.
Изменение географической широты обусловливает изменение вертикальной составляющей частоты вращения, это приводит к
Гл. 10. Волны в океане 191
образованию так называемых планетарных волн Россби, которые локализуются в узкой экваториальной зоне и охватывают всю водную толщу. Экваториальная зона играет роль своеобразного волновода. Периоды волн Россби составляют десятки суток, длины волн достигают тысяч километров. Боковые границы и изменение глубины на шельфе приводят к существованию нескольких типов береговых захваченных волн — шельфовых, краевых, Кельвина, топографических волн Россби. В возникновении этих волновых движений важна роль силы тяжести и равновесной потенциальной завихренности. Береговые захваченные волны оказывают существенное влияние на перемещение наносов и загрязнений, формирование берегов и течения.
Крупномасштабные волны типа волн Россби, Пуанкаре, Кельвина оказывают существенную роль на термогидродинамику океана, взаимодействие атмосферы и океана, климат и погоду. Свойства многих этих волн существенно отличаются от свойств поверхностных гравитационных волн. Например, волны Кельвина локализованы в узкой шельфовой зоне и распространяются в Северном полушарии вдоль берега против часовой стрелки. Экваториальные волны Россби, имея пространственные масштабы в сотни километров, локализуются вдоль экватора и проявляются не в изменении уровня моря, а прежде всего, в форме вихревых течений, для них не имеет места равенство потенциальной и кинетической энергий.
Сжимаемость жидкости приводит к существованию в океане акустических волн, а электропроводность и магнитное поле Земли обусловливают возникновение волн Альвена.
Если изобразить спектр (зависимость волновой энергии Е от волнового периода Т) гидродинамических волновых движений в океане, то он будет иметь вид, представленный на рис. 10.1 [73]. На спектре хорошо прослеживаются волновые колебания разных масштабов и периодов: область капиллярных и гравитационно-капиллярных волн, ветровые волны, зыбь, длинные гравитационные волны и цунами, приливные волновые периоды, инерционные периоды и планетарные волны.
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 1590;