Belső hullámok

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2015. június 5-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 44 szerkesztést igényelnek .

A belső tehetetlenségi-gravitációs hullámok vagy belső hullámok egy réteges folyadékban (gázban) való hullámmozgás egy fajtája , amelynek sűrűsége a mélységgel nő. A rétegződés egy tározó vízoszlopának különböző sűrűségű rétegekre való felosztását jelenti.

A közegben (folyadékban vagy gázban) a sűrűség egyenetlen eloszlása szükséges feltétele a belső hullámok előfordulásának. A tározó rétegződése számos különböző jelenség miatt következhet be, mint például víz alatti földrengések, tengeráramlatok, jégolvadás, viharok. A fizika szempontjából két fő termodinamikai paraméter értéke változik - a hőmérséklet és a nyomás. Ugyanilyen fontos az óceán sótartalmának változása , amely közvetlenül befolyásolja a folyadék sűrűségét.

Azt is fontos megjegyezni, hogy az óceán nagy mélységein az "összenyomhatatlan folyadék" fizikai modellje nem megfelelő. A vízoszlop jelentős nyomása miatt az óceán alsó rétegei sűrűbbek, mint a felsők. Ez a sűrűségkülönbség elegendő a belső hullámok kialakulásához külső hatások (erők) jelenléte nélkül.

Belső hullámok fizikája

Tekintsük egy belső hullám előfordulásának sematikus változatát. Először tegyük fel, hogy a vízréteg egyensúlyban van, és az összes külső erő eredője nulla. Valamilyen oknál fogva egy bizonyos vízmennyiség függőleges helyzetét a következőre változtatta . A vizet összenyomhatatlan közegnek vesszük (a sűrűsége állandó), de a környezet sűrűsége megváltozott $z$

$\Delta \rho ={\frac {d\rho }{dh}}z$ , ahol a sűrűséggradiens egy adott pontban. ${\frac {d\rho }{dh))$

Az eltolt térfogat mozgásegyenlete a frekvenciájú harmonikus rezgések egyenlete

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

A legtöbb esetben a függőleges sűrűséggradiens kicsi, ezért a belső hullámok nagyobb amplitúdójúak a felszíni hullámokhoz képest, és nagy periódusuk is van - körülbelül 4 óra. A belső hullámok sebessége kisebb, mint a felszíni hullámok sebessége.

Figyelembe véve a sűrűséggradiens kicsinységét, figyelembe kell venni a kiszorított folyadék térfogatának nyomásváltozás miatti változását, amelyet a gyakorisági képlet korrekciója fejez ki : $\omega$

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

Ezt a képletet Väisälä-Brent frekvenciának nevezik .

Belső hullámok magassága

Minél nagyobb a belső hullám magassága, annál kisebb a különbség a különböző sűrűségű szomszédos rétegek sűrűségei között. Mutassuk meg.

Legyen az egyszerűség kedvéért a vízoszlop két különböző sűrűségű rétegből áll. Jelöljük a felső réteg sűrűségét -vel, mélységét pedig -vel, az alsó réteg sűrűségét és mélységét pedig -vel. A felszíni hullámok magassága . A belső hullámok magassága - . $\rho_{1}$ $z_{1}$ $\rho _{2}$ $z_{2}$ $h_1$ $h_2$

A rétegek sűrűsége közötti különbséget kicsinek ( ) tekintjük. Azt is feltételezzük, hogy a felszíni hullámok magassága elhanyagolhatóan kicsi a teljes mélységhez képest ( ). Ebben az esetben megközelítőleg feltételezhetjük, hogy az alsó felületre nehezedő nyomás állandó. ${\displaystyle \Delta \rho =\rho _{2}-\rho _{1))$ ${\displaystyle \rho _{1}\approx \rho _{2))$ ${\displaystyle h_{1}\ll z_{1}+z_{2))$

A fenéken lévő állandó nyomás állapotából felírhatjuk az egyenletet:

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

Az ebben az egyenlőségben szereplő kifejezések a hullámok különböző részein felvett két réteg össznyomásához való hozzájárulást jelentik (lásd az ábrát).

Ezután a felszíni hullám magasságának és a belső hullám magasságának aránya:

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

Így a . Más szóval, a belső hullámok magassága sokszorosan meghaladja a felszíni hullámok magasságát a víztestek meglehetősen mély területein. $h_{2}\gg h_{1}$ ${\displaystyle \Delta \rho \ll \rho _{1))$

Kapcsolat a felszíni hullámokkal

A belső hullámok átmeneti áramlatokat hoznak létre, beleértve a víz felszínén lévőket is . Ezért, ha a felszíni hullámok ezzel az áramlattal szembemennek, akkor lerövidülnek, és a víz felszíne ezen a helyen sötétnek és érdesnek tűnik. Ha a felszíni hullámok az áramlat mentén haladnak, akkor megnyúlnak, és a víz felszíne ezen a helyen simának tűnik. Ebben az esetben a felszíni hullámok amplitúdója nem csökken .

A szélirány megváltozásakor a felszíni hullámok iránya megváltozik, és a gyenge szél nem hat a belső hullámokra. Ezért a világos és sötét területek mintázata gyorsan megváltozhat, ha a szél iránya megváltozik.

A felszínhez közeledő belső hullámok a felületaktív anyagok újraeloszlását idézik elő , ami viszont befolyásolja az elektromágneses, beleértve a fényt, hullámok visszaverődési együtthatóját, ami lehetővé teszi a belső hullámok távoli módszerekkel történő észlelését, például az űrből láthatóak.

A belső hullámok a közönséges felszíni hullámokhoz képest számos meglepő tulajdonsággal rendelkeznek. Például a belső hullámok csoportsebessége merőleges a fázissebességre, a belső hullámok lejtőről való visszaverődési szöge nem egyenlő a beesési szöggel.

Irodalom

Glinsky N. T. Belső hullámok óceánokban és tengerekben / Szerk. szerk. R. V. Ozmidov .. - M . : Nauka , 1973. - 128 p. - ( A modern tudomány és a technológiai fejlődés problémái ). - 8500 példány. (reg.)
Sudolsky AS Dinamikus jelenségek a tározókban. - L .: Gidrometeoizdat , 1991. - 263 p.
Lighthill J. Hullámok folyadékokban. -M.:Mir, 1981. - S. 347-502.