imported>РобоСтася: checkwiki fixes (1, 2, 9, 17, 22, 26, 38, 48, 50, 52, 54, 64, 65, 66, 76, 81, 86, 88, 89, 101)

2024-09-13T17:31:35Z

checkwiki fixes (1, 2, 9, 17, 22, 26, 38, 48, 50, 52, 54, 64, 65, 66, 76, 81, 86, 88, 89, 101)

Новая страница

Внутренние инерционно-гравитационные волны или '''вну́тренние во́лны''' — вид волновых движений в [[Стратификация|стратифицированной]] жидкости (газе), плотность которой растет с глубиной. Под стратификацией понимается разделение водной толщи водоёма на слои различной плотности.
[[Файл:InternalWaves Gibraltar ISS009-E-09952 54.jpg|thumb|250px]]

Наличие неравномерного распределения плотности в среде (жидкости или газе) является необходимым условием для возникновения внутренних волн. Стратификация водоема может возникнуть из-за множества разнообразных явлений, таких как подводные землетрясения, морские течения, таяния льдов, шторма́. С точки зрения физики, изменяется значение двух основных термодинамических параметров — температуры и давления. Не менее важно изменение [[Солёность|солености]] океана, которое напрямую влияет на плотность жидкости.

Также важно отметить, что на больши́х глубинах в океане физическая модель «несжимаемой жидкости» не является верной. По причине значительного давления толщи воды, нижние слои океана являются более плотными, нежели верхние. Такой разницы в плотности достаточно для образования внутренних волн без наличия внешних воздействий (сил).

== Физика внутренних волн ==
Рассмотрим схематический вариант возникновения внутренней волны. Предположим для начала, что водный слой находится в положении равновесия и равнодействующая всех внешних сил равняется нулю. По некоторым причинам, определенный объем воды изменил своё положение по вертикали на <math>z</math>. Воду мы принимаем за несжимаемую среду (плотность постоянна), однако плотность окружающей среды изменилась на

<math>\Delta\rho=\frac{d\rho}{dh}z</math>, где <math>\frac{d\rho}{dh}</math> — градиент плотности в данной точке.
[[Файл:Термоклин.png|альт=|мини|Распределение температуры по глубине в верхнем деятельном слое океана имеет следующий вид ([[термоклин]])]]
Уравнение движения сместившегося объема представляет собой уравнение гармонических колебаний с частотой

<math>\omega=\sqrt{\frac{g}{\rho} \frac{d\rho}{dh}}</math>.

В большинстве случаев вертикальный градиент плотности невелик, по этой причине внутренние волны имеют бо́льшую амплитуду в сравнении с поверхностными, а также у них большой период — порядка 4 часов. Скорость внутренних волн меньше скорости поверхностных.

Приняв во внимание малость градиента плотности, необходимо учесть изменение объема сместившейся жидкости за счет изменения давления, которое выражается поправкой в формуле для частоты <math>\omega</math>:

<math>\omega=\sqrt{\frac{g}{\rho} \frac{d\rho}{dh}+\frac{g^2}{c^2}} </math>

Эта формула носит название [[Частота Брента — Вяйсяля|частоты Вяйсяля — Брента]].

== Высота внутренних волн ==
[[Файл:Рисунок волн.png|мини|520x520пкс|К определению зависимости высоты внутренней волны от разницы плотностей соседних слоев.]]

Высота внутренней волны тем больше, чем меньше разница плотностей соседних слоев разной плотности. Покажем это.

Пусть, для простоты, толща воды состоит из двух слоев с разными плотностями. Обозначим плотность верхнего слоя как <math>\rho_1</math> и его глубину как <math>z_1</math>, а плотность и глубину нижнего слоя как <math>\rho_2</math> и <math>z_2</math> соответственно. Высота поверхностных волн — <math>h_1</math>. Высота внутренних волн — <math>h_2</math>.

Разницу плотностей слоев <math>\Delta \rho = \rho_2-\rho_1</math>считаем малой (<math>\rho_1 \approx \rho_2</math>). Будем также считать, что высота поверхностных волн пренебрежимо мала по сравнению с общей глубиной (<math>h_1 \ll z_1+z_2</math>). В таком случае, можно приближенно считать давление на поверхность дна постоянной.

Из условия постоянства давления на дно, можно записать равенство:

<math>\rho_1gz_1 + \rho_2gz_2 = \rho_1g(z_1 + h_1 + h_2) + \rho_2g(z_2 - h_2).</math>

Слагаемые в этом равенстве — вклады в суммарное [[Гидростатическое давление|давление]] двух слоев взятых в разных участках волн (см. рисунок).

Тогда отношение высоты поверхностной волны к высоте внутренней волны:

<math>\frac{h_1}{h_2} = \frac{\rho_2-\rho_1}{\rho_1}=\frac{\Delta\rho}{\rho_1}.</math>

Таким образом <math>h_2 \gg h_1</math>, при <math>\Delta \rho \ll \rho_1</math>. Иными словами, высота внутренних волн многократно превышает высоту поверхностных волн в достаточно глубоких областях водоемов.

== Связь с поверхностными волнами ==
Внутренние волны создают временные течения, в том числе на [[волны на воде|поверхности воды]]. Поэтому если поверхностные волны идут против этого течения, то они укорачиваются и поверхность воды в этом месте выглядит тёмной и шероховатой. Если же поверхностные волны идут вдоль течения, то они удлиняются и поверхность воды в этом месте выглядит гладкой. При этом уменьшения амплитуды поверхностных волн ''не происходит''.

При смене направления ветра изменяется направление поверхностных волн, а на внутренние волны слабый ветер не оказывает влияния. Поэтому картина светлых и тёмных участков может быстро изменяться при изменении направления ветра.

Внутренние волны, подходя к поверхности, вызывают перераспределение [[Поверхностно-активные вещества|поверхностно-активных веществ]], которые в свою очередь влияют на коэффициент отражения электромагнитных, в том числе световых, волн, что и позволяет обнаруживать внутренние волны дистанционными способами, например, они видны из космоса.

Внутренние волны по сравнению с обычными поверхностными волнами обладают рядом удивительных свойств. Например, групповая скорость внутренних волн перпендикулярна фазовой, угол отражения внутренних волн от откоса не равен углу падения.

== Литература ==
* {{книга
|автор = [[Глинский, Николай Тимофеевич|Глинский Н. Т.]]
|часть =
|ссылка часть =
|заглавие = Внутренние волны в океанах и морях
|оригинал =
|ссылка =
|викитека =
|ответственный = Отв. ред. [[Озмидов, Ростислав Всеволодович|Р. В. Озмидов]].
|издание =
|место = М.
|издательство = [[Наука (издательство)|Наука]]
|год = 1973
|том =
|страницы =
|страниц = 128
|серия = [[Проблемы современной науки и технического прогресса]]
|isbn =
|тираж = 8500
}} (обл.)
* {{Книга
|автор = {{nobr|Судольский А. С.}}
|заглавие = Динамические явления в водоемах
|ответственный =
|издание =
|место = Л.
|издательство = [[Гидрометеоиздат]]
|год = 1991
|страницы =
|страниц = 263
|isbn =
}}
* {{Книга
|автор = {{nobr|[[Лайтхилл, Джеймс|Лайтхилл Дж.]]}}
|заглавие = Волны в жидкостях
|ответственный =
|издание =
|место = М.
|издательство = [[Мир (издательство)|Мир]]
|год = 1981
|страницы = 347—502
|страниц =
|isbn =
}}<br>

[[Категория:Волны]]

Внутренние волны - История изменений

imported>РобоСтася: checkwiki fixes (1, 2, 9, 17, 22, 26, 38, 48, 50, 52, 54, 64, 65, 66, 76, 81, 86, 88, 89, 101)