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两种不同介质分界面上发生的波动称为内波。水面的波浪就是气态与液态介质之间界面的波动和变形。我们生活在大气中,所以能看到水面的波浪,也知道这些波浪大都是因风的作用而产生。
海面之下,也会出现汹涌的波浪。
当海水密度上下分布不均匀,两层海水的相对密度有差异时(如差值大于O.1%),在外力扰动下,就会在两层海水界面上产生波浪。通常称这种波浪叫内波。这种波我们一般看不见,对它的了解就少。
内波的波高,一般要比海面波高大得多,大的可达到几百米;内波的波长,一般有几百米,甚至万米以上。这用阿基米德原理是不难解释的,犹如在水中抬起重物,比由海面抬到空气中要省力很多。内波虽不像海面波浪那样汹涌澎湃,但它隐匿水中,常使人们防范不及,故有“水下魔鬼”之称。
台湾大学海洋科学团队在南海观测到全球最大规模的内波,波高达170公尺有五十层楼高;底层强烈海流卷起的沙墙更有如大漠风暴,形成十六公尺高的沙丘。
海洋内波是上下层密度不同流体的运动,可用流体动力学方程描述。形成内波的海水质点大致在平衡位置附近作椭圆形运动。
其实海中的内波和海水的表面波都是界面波,它们没有本质的差别。表面波是发生在密度很小的空气和密度很大的海水之间界面上的波动,也是一种内波。
海洋中的内波其恢复力主要是重力与浮力之差以及地转惯性力(或叫科里奥利力)。所以这种内波也是一种重力波或者叫做内惯性重力波。
我国南海受潮汐作用激发,内波活动也相当活跃。以下3张图摘自北台灣科學技術學院通識教育中心許明光先生关于“南海内波”的介绍文章。让我们比较直观地看到了隐藏在海面下的内波活动。
图1.內波的示意圖。上層與下層因温度、含盐量差别致
使密度不同,當上層與下層之間的界面受到擾動就形成內波。
图2. 台湾海研二號研究船雷達所看到的南海中一排排的內波,可以看到4道內波
的波峰線。4道内波波峰线大致互相平行地排布,与大河底的砂波、砂漠中的沙
丘的平面分布形态相似。
图3. 台湾研究船上聲納系統在東沙環礁西邊淺海所看到的南海具
有巨大振幅的內波,咖啡色及紅色部分是海底。
在大河入海口或浮冰区,上层淡水和下层盐水由于密度不同形成分层流体系统。船行驶到这种水域,船的速度就不能高过淡水-盐水界面上内波的传播速度。因为任何的动力都被消耗于产生相当大振幅的内波上,船被上层流动的压力场紧紧地拘留在波峰上就像被钉在海面上一样。这时,和缓的海面下却隐藏着船舶动力激起的上层淡水和下层盐水交界面上汹涌的巨波。船舶在遇到这种场合时,受到极大的阻力。在航海术语中称为遇到了“死水”。 1893~1896年北极探险过程中,探险队的F.南森 发现船只莫名其妙地减速,就是遇到了“死水”。
内波的破坏力,主要是产生内波的跃层上下,会形成两支流向正相反的内波流。这种内波流速可高达1.5米/秒,犹如剪刀一般,破坏力极大。加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台,就曾遭内波袭击而不得不中断作业。海底输油管和电缆等的断裂很可能与这种作用有关。
大振幅内波使等密度面发生快速大振幅上下起伏。若有潜艇或鱼雷等水下航行物体处于这种等密度面处,则它们将随等密度面的起伏而上下运动或骤然地上浮或下沉,使潜艇难以操纵。1963年4月10日,美国“大鲨鱼”号核潜艇,在距马萨诸塞州海岸外350公里处突然沉没,艇上129人无一生还,事后经过对沉入海底,变成碎片的残核分析判断,下沉的原因是潜艇在水中航行时,遇到了强烈的内波,将其拖拽至海底而被压碎。我国也发生过类似事故,某潜艇在航行中突然从8米深处被拖至80米深处险遭不测。
由此可见,这些分层流体系统具有高效吸收外界扰动能量的能力,在我们看不见的这些内波系统中蕴藏起巨大的能量,但因它们在我们视界之外而容易被我们忽视。
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GMT+8, 2024-11-22 22:42
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