Unde interne

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 5 iunie 2015; verificările necesită 44 de modificări .

Undele interne inerțiale-gravitaționale sau undele interne sunt un tip de mișcare de undă într-un fluid stratificat (gaz), a cărui densitate crește odată cu adâncimea. Stratificarea se referă la împărțirea coloanei de apă a unui rezervor în straturi de densități diferite.

Prezența unei distribuții neuniforme a densității într-un mediu (lichid sau gaz) este o condiție necesară pentru apariția undelor interne. Stratificarea unui rezervor se poate produce din cauza multor fenomene diferite, cum ar fi cutremure subacvatice, curenți marini, topirea gheții, furtuni. Din punct de vedere al fizicii, se modifică valoarea a doi parametri termodinamici principali - temperatura și presiunea. La fel de importantă este modificarea salinității oceanului , care afectează direct densitatea lichidului.

De asemenea, este important de menționat că la adâncimi mari în ocean, modelul fizic al unui „fluid incompresibil” nu este corect. Datorită presiunii semnificative a coloanei de apă, straturile inferioare ale oceanului sunt mai dense decât cele superioare. O astfel de diferență de densitate este suficientă pentru formarea undelor interne fără prezența influențelor (forțelor) externe.

Fizica undelor interne

Luați în considerare o versiune schematică a apariției unei unde interne. Să presupunem mai întâi că stratul de apă este în echilibru și rezultanta tuturor forțelor externe este zero. Din anumite motive, un anumit volum de apă și-a schimbat poziția verticală în . Luăm apa ca mediu incompresibil (densitatea este constantă), dar densitatea mediului s-a schimbat la $z$

$\Delta \rho ={\frac {d\rho {dh}}z$ , unde este gradientul de densitate într-un punct dat. ${\frac {d\rho {dh)}$

Ecuația mișcării unui volum deplasat este o ecuație a oscilațiilor armonice cu o frecvență

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

În cele mai multe cazuri, gradientul vertical de densitate este mic; din acest motiv, undele interne au o amplitudine mai mare în comparație cu undele de suprafață și au, de asemenea, o perioadă mare - aproximativ 4 ore. Viteza undelor interne este mai mică decât viteza undelor de suprafață.

Ținând cont de micșorarea gradientului de densitate, este necesar să se țină cont de modificarea volumului lichidului deplasat datorită modificării presiunii, care este exprimată prin corecția în formula pentru frecvență : $\omega$

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

Această formulă se numește frecvența Väisälä-Brent .

Înălțimea undelor interne

Înălțimea undei interne este cu atât mai mare, cu atât diferența dintre densitățile straturilor învecinate de diferite densități este mai mică. Să o arătăm.

Să fie, pentru simplitate, coloana de apă formată din două straturi cu densități diferite. Să notăm densitatea stratului superior ca și adâncimea acestuia ca , iar densitatea și adâncimea stratului inferior ca și respectiv. Înălțimea undelor de suprafață este . Înălțimea undelor interne - . $\rho_{1}$ $z_{1}$ $\rho _{2}$ $z_{2}$ $h_1$ $h_2$

Considerăm că diferența dintre densitățile straturilor este mică ( ). De asemenea, vom presupune că înălțimea undelor de suprafață este neglijabil de mică în comparație cu adâncimea totală ( ). În acest caz, putem presupune aproximativ că presiunea pe suprafața inferioară este constantă. $\Delta \rho =\rho _{2}-\rho _{1)$ $\rho _{1}\aproximativ \rho _{2)$ $h_{1}\ll z_{1}+z_{2)$

Din condiția de presiune constantă pe fund, putem scrie ecuația:

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

Termenii din această egalitate sunt contribuțiile la presiunea totală a două straturi luate în diferite părți ale undelor (vezi figura).

Apoi raportul dintre înălțimea undei de suprafață și înălțimea undei interne:

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

Astfel , la . Cu alte cuvinte, înălțimea undelor interne depășește de multe ori înălțimea undelor de suprafață în zonele destul de adânci ale corpurilor de apă. $h_{2}\gg h_{1}$ $\Delta \rho \ll \rho _{1)$

Legătura cu undele de suprafață

Undele interne creează curenți temporari, inclusiv cei de la suprafața apei . Prin urmare, dacă undele de suprafață merg împotriva acestui curent, atunci ele sunt scurtate și suprafața apei din acest loc arată întunecată și aspră. Dacă undele de suprafață merg de-a lungul curentului, atunci se prelungesc și suprafața apei din acest loc arată netedă. În acest caz, nu există nicio scădere a amplitudinii undelor de suprafață .

Când direcția vântului se schimbă, direcția undelor de suprafață se schimbă, iar vântul slab nu afectează valurile interne. Prin urmare, modelul zonelor luminoase și întunecate se poate schimba rapid atunci când direcția vântului se schimbă.

Undele interne, care se apropie de suprafață, provoacă o redistribuire a agenților tensioactivi , care, la rândul lor, afectează coeficientul de reflexie al undelor electromagnetice, inclusiv lumina, ceea ce face posibilă detectarea undelor interne prin metode de la distanță, de exemplu, acestea sunt vizibile din spațiu.

Undele interne, în comparație cu undele obișnuite de suprafață, au o serie de proprietăți surprinzătoare. De exemplu, viteza de grup a undelor interne este perpendiculară pe viteza fazei, unghiul de reflectare a undelor interne din pantă nu este egal cu unghiul de incidență.

Literatură

Glinsky N. T. Valurile interne în oceane și mări / Ed. ed. R. V. Ozmidov .. - M . : Nauka , 1973. - 128 p. - ( Probleme ale științei moderne și ale progresului tehnologic ). - 8500 de exemplare. (reg.)
Sudolsky AS Fenomene dinamice în rezervoare. - L . : Gidrometeoizdat , 1991. - 263 p.
Lighthill J. Valurile în lichide. -M.:Mir, 1981. - S. 347-502.