ГЛАВА 14. ВОЛНЫ В ОКЕАНАХ И МОРЯХ

Морская Вода, Голубая Вода, Под Водой
Изображение 俊 何 с сайта Pixabay

§ 60. Внутренние волны

Внутренние волны — это волны, возникающие в толще воды океанов, морей и озер на поверхности раздела слоев воды с различной плотностью. Внутренние волны, так же как и поверхностные, могут возникать под действием внешних импульсов, таких, как продолжительные сильные ветры, изменения поля давления атмосферы, приливообразующие силы Луны и Солнца, сейсмические факторы, движение судов в резко стратифицированном море.

Исследования внутренних волн

Современные исследования внутренних волн показывают, что внутренние волны, возбуждаемые короткопериодными метеорологическими процессами, эпизодически появляются и исчезают; крупномасштабные изменения поля давления атмосферы и приливообразующие силы создают длинные внутренние волны, оказывающие большое влияние на режим океанов и морей. Оно проявляется в вертикальных и горизонтальных смещениях водных масс, периодических колебаниях океанологических характеристик (температуры, солености, содержания кислорода и др.). Поэтому сведения об элементах этих волн можно получить из анализа колебаний гидрологических характеристик по данным долговременных наблюдений. Эти данные можно использовать для расчета фаз и амплитуд колебаний каждой характеристики на различных горизонтах в связи с прохождением внутренних волн и вычислять по ним элементы волн. Например, амплитуда внутренней волны может быть определена по следующему выражению:

амплитуда внутренней волны
(65)

где Ав амплитуда внутренней волны; At — амплитуда колебаний температуры на данном горизонте;

средний суточный вертикальный градиент
средний суточный вертикальный градиент температуры внутри слоя.

Вторая возможность выявления внутренних волн — это построение изолиний изменения во времени глубины залегания данной температуры или солености называемых изоплетами. При этом предполагается, что очертание изоплет характеризует профиль внутренней волны, проходящей в данном месте.

Основные элементы внутренних волн

Основными элементами, характеризующими внутренние волны для двухслойного моря, служат скорость распространения, период, амплитуда и длина (рис. 29)

Рис. 29. Внутренняя волна
Рис. 29. Внутренняя волна

А — теоретическая схема; Б внутренние приливные волны на 385-й станции «Метеора» (φ= = 16°48,3′ с.ш λ=46°17,1′ з. д., 12—14/11 1935 г.): а — отклонения температуры слоя 70—120 м от среднего значения, б — отклонение солености от средней величины на глубине 80 м, в — отклонение северной составляющей скорости течения на глубине 50 м от среднего значения (по А. Дефанту, 1952 г.).

Скорость волн без учета и с учетом вращения Земли

Если длина волны больше толщины слоев, т. е. имеют место длинные поступательные волны, то скорость таких волн без учета вращения Земли получена в таком виде:

скорость распространения волн для верхнего слоя
(66)

а для нижнего, т. е. внутренних волн,

скорость распространения волн для нижнего слоя
(67)

Если длина волны больше толщины слоев, т. е. имеют место длинные поступательные волны, то скорость таких волн без учета вращения Земли получена в таком виде:

для верхнего слоя

скорость волн для верхнего слоя без учета вращения земли
(68)

Для нижнего слоя

скорость волн для нижнего слоя без учета вращения земли
(69)

где

Первое выражение представляет собой известное значение скорости распространения свободных длинных волн Лагранжа—Эри для однородного моря, второе — для внутренней волны. Сопоставление этих выражений показывает, что c1 ››c2, так как величина Е, характеризующая вертикальную устойчивость в реальных условиях, имеет наибольший порядок 10-3—10-4. Следовательно, внутренние волны распространяются со значительно меньшей скоростью, чем поверхностные.

С учетом вращения Земли для свободной поверхности имеем

скорость волн для верхнего слоя с учетом вращения земли
(70)

а для нижнего слоя

а для нижнего слоя
(71)

где ω=2ω sin φ — параметр Кориолиса; ω — угловая скорость вращения Земли; φ — широта;

— волновое число;

Е — устойчивость слоев.

Принимая во внимание, что

можно получить формулы для периода свободных колебаний:

формула периода свободного колебания 1
(72)
(72′)

а с учетом влияния вращения Земли

(73)
(73′)

где

— период инерционных колебаний, равный половине «маятниковых суток», т. е. половине периода вращения маятника Фуко.

Рассмотрим отношение амплитуд поверхностной A1 и внутренней А2 волн

отношение амплитуд поверхностной A1 и внутренней А2 волн
(74)

Отношение амплитуд обратно пропорционально устойчивости Е вод на граничной поверхности и пропорционально отношению толщины верхнего (h1) и нижнего (h2) слоев друг к другу. Знак минус говорит о том, что амплитуды этих волн находятся в противофазах колебаний.

Внутренние волны

Поступательные внутренние волны перемещаются тем медленнее, чем меньше различие в плотности соприкасающихся Слоев, и с меньшей скоростью, чем поверхностные. Амплитуды их значительно превосходят амплитуды поверхностных волн, а при одинаковом периоде они обычно короче волн на свободной поверхности. Внутренние волны бывают не только поступательные, но и стоячие. Стоячие внутренние волны наблюдаются в районах подводных порогов, резко изменяющихся глубин, над которыми распространяются на поверхности моря приливные волны. Внутренние волны могут возникать не только при наличии двух слоев существенно различной плотности, но и при непрерывном ее изменении, а также при наличии нескольких резко различающихся по своим характеристикам слоев. Основными факторами, определяющими элементы внутренних волн, служат характер и особенности стратификации водных масс, их вертикальная устойчивость, глубина и характер рельефа дна, а также наличие возбуждающих внешних сил. Внутренние волны могут возникать и распространяться в различных направлениях, но при малоустойчивой и неустойчивой стратификации вод они могут трансформироваться, опрокидываясь и разрушаясь. Наиболее распространены и реально обнаруживаются в море приливные внутренние волны, которые создают не только вертикальные смещения вод, но и горизонтальные, т. е. внутренние приливные течения. Эти течения наблюдаются на больших глубинах и при определенных условиях могут иметь максимальные скорости, более значительные, чем на поверхности. Запросы практики — подводного плавания, рыбного промысла, использования гидроакустической аппаратуры — требуют детального знания, внутренних волн в различных районах Мирового океана. Весьма актуальна эта проблема и в связи с решением задачи о захоронении в области больших глубин радиоактивных отходов, а также для многих океанологических проблем, связанных с изучением динамических условий в морях и океанах, вплоть до оценки точности наблюдаемых океанологических характеристик.

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973