Sisäiset aallot

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 5. kesäkuuta 2015 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 44 muokkausta .

Sisäiset inertiaaallot tai sisäiset aallot ovat aaltoliikettä kerrostuneessa nesteessä (kaasussa), jonka tiheys kasvaa syvyyden myötä. Stratifikaatiolla tarkoitetaan säiliön vesipatsaan jakamista eri tiheyksiin kerroksiin.

Epätasainen tiheysjakauma väliaineessa (neste tai kaasu) on välttämätön edellytys sisäisten aaltojen esiintymiselle. Säiliön kerrostuminen voi johtua monista erilaisista ilmiöistä, kuten vedenalaisista maanjäristyksistä, merivirroista, jään sulamisesta, myrskyistä. Fysiikan näkökulmasta kahden tärkeimmän termodynaamisen parametrin - lämpötilan ja paineen - arvo muuttuu. Yhtä tärkeä on valtamerten suolapitoisuuden muutos , joka vaikuttaa suoraan nesteen tiheyteen.

On myös tärkeää huomata, että suurilla syvyyksillä valtameressä "puristumattoman nesteen" fyysinen malli ei ole oikea. Vesipatsaan merkittävästä paineesta johtuen valtameren alemmat kerrokset ovat tiheämpiä kuin ylemmät. Tällainen tiheysero riittää sisäisten aaltojen muodostumiseen ilman ulkoisten vaikutusten (voimien) läsnäoloa.

Sisäisten aaltojen fysiikka

Harkitse kaavamaista versiota sisäisen aallon esiintymisestä. Oletetaan ensin, että vesikerros on tasapainossa ja kaikkien ulkoisten voimien resultantti on nolla. Jostain syystä tietty määrä vettä on vaihtanut pystysuoraan asemaansa . Otamme vettä kokoonpuristumattomana väliaineena (tiheys on vakio), mutta ympäristön tiheys on muuttunut $z$

$\Delta \rho ={\frac {d\rho }{dh}}z$ , missä on tiheysgradientti tietyssä pisteessä. ${\frac {d\rho }{dh))$

Siirretyn tilavuuden liikeyhtälö on harmonisten värähtelyjen yhtälö taajuudella

$\omega ={\sqrt {{\frac {g}{\rho }}{\frac {d\rho }{dh))))$ .

Useimmissa tapauksissa pystysuora tiheysgradientti on pieni; tästä syystä sisäisillä aalloilla on suurempi amplitudi verrattuna pinta-aaltoihin, ja niillä on myös suuri jakso - noin 4 tuntia. Sisäisten aaltojen nopeus on pienempi kuin pinta-aaltojen nopeus.

Kun otetaan huomioon tiheysgradientin pieni, on tarpeen ottaa huomioon paineen muutoksesta johtuva syrjäytyneen nesteen tilavuuden muutos, joka ilmaistaan korjauksella taajuuden kaavassa : $\omega$

$\omega ={\sqrt {{\frac {g}{\rho }}{\frac {d\rho }{dh}}+{\frac {g^{2}}{c^{2} }}}}}$

Tätä kaavaa kutsutaan Väisälä-Brent-taajuudeksi .

Sisäisten aaltojen korkeus

Sisäisen aallon korkeus on sitä suurempi, mitä pienempi on eri tiheyksien viereisten kerrosten tiheysero. Näytä se.

Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että vesipatsas koostuu kahdesta kerroksesta, joilla on eri tiheys. Merkitään ylemmän kerroksen tiheys muodossa ja sen syvyys sekä alemman kerroksen tiheys ja syvyys muodossa ja vastaavasti. Pinta-aaltojen korkeus on . Sisäisten aaltojen korkeus - . $\rho_{1}$ $z_{1}$ $\rho _{2}$ $z_{2}$ $h_1$ $h_2$

Pidämme kerrosten tiheyseron pienenä ( ). Oletetaan myös, että pinta-aaltojen korkeus on mitättömän pieni verrattuna kokonaissyvyyteen ( ). Tässä tapauksessa voimme likimäärin olettaa, että paine pohjapinnassa on vakio. ${\displaystyle \Delta \rho =\rho _{2}-\rho _{1))$ ${\displaystyle \rho _{1}\approx \rho _{2))$ ${\displaystyle h_{1}\ll z_{1}+z_{2))$

Pohjan jatkuvan paineen tilasta voimme kirjoittaa yhtälön:

$\rho _{1}gz_{1}+\rho _{2}gz_{2}=\rho _{1}g(z_{1}+h_{1}+h_{2})+\ rho _{2}g(z_{2}-h_{2}).$

Tämän yhtälön termit ovat osuudet kahden kerroksen kokonaispaineeseen , jotka on otettu aaltojen eri osissa (katso kuva).

Sitten pinta-aallon korkeuden suhde sisäisen aallon korkeuteen:

${\frac {h_{1}}{h_{2}}}={\frac {\rho _{2}-\rho _{1}}{\rho _{1}}}={\ frac {\Delta \rho }{\rho _{1))}.$

Siten klo . Toisin sanoen sisäaaltojen korkeus ylittää monta kertaa pinta-aaltojen korkeuden melko syvillä vesistöillä. $h_{2}\gg h_{1}$ ${\displaystyle \Delta \rho \ll \rho _{1))$

Yhteys pinta-aaltojen kanssa

Sisäiset aallot luovat tilapäisiä virtauksia, myös veden pinnalla . Siksi, jos pinta-aallot menevät tätä virtaa vastaan, ne lyhenevät ja veden pinta tässä paikassa näyttää tummalta ja karkealta. Jos pinta-aallot kulkevat virtaa pitkin, ne pitenevät ja veden pinta tässä paikassa näyttää sileältä. Tässä tapauksessa pinta- aaltojen amplitudi ei vähene .

Kun tuulen suunta muuttuu, pinta-aaltojen suunta muuttuu, eikä heikko tuuli vaikuta sisäisiin aaltoihin. Siksi vaaleiden ja tummien alueiden kuviointi voi muuttua nopeasti tuulen suunnan muuttuessa.

Sisäiset aallot, jotka lähestyvät pintaa, aiheuttavat pinta-aktiivisten aineiden uudelleenjakautumista , mikä puolestaan vaikuttaa sähkömagneettisten, mukaan lukien valon, aaltojen heijastuskertoimeen, mikä mahdollistaa sisäisten aaltojen havaitsemisen etämenetelmillä, esimerkiksi ne näkyvät avaruudesta.

Sisäisillä aalloilla on tavallisiin pinta-aaltoihin verrattuna useita yllättäviä ominaisuuksia. Esimerkiksi sisäisten aaltojen ryhmänopeus on kohtisuorassa vaihenopeuteen nähden, sisäisten aaltojen heijastuskulma rinteestä ei ole yhtä suuri kuin tulokulma.

Kirjallisuus

Glinsky N. T. Sisäiset aallot valtamerissä ja merissä / Toim. toim. R. V. Ozmidov .. - M . : Nauka , 1973. - 128 s. - ( Modernin tieteen ja teknologian kehityksen ongelmat ). - 8500 kappaletta. (rekisteri)
Sudolsky AS Dynaamiset ilmiöt altaissa. - L .: Gidrometeoizdat , 1991. - 263 s.
Lighthill J. Aallot nesteissä. -M.:Mir, 1981. - S. 347-502.