Ichki to'lqin - Internal wave

Ichki to'lqinlar (strelkalar bilan belgilangan), orqali oqim oqimidan kelib chiqadi Gibraltar bo'g'ozi va dengiz sathining pürüzlülüğü tomonidan ko'rinadigan qilib, quyosh nurlari teskari bo'lib turadi

Ichki to'lqinlar bor tortishish to'lqinlari bu tebranish suyuq muhitda emas, balki uning yuzasida. Mavjud bo'lish uchun suyuqlik bo'lishi kerak tabaqalashtirilgan: masalan, harorat va / yoki sho'rlanish o'zgarishi sababli zichlik chuqurlik / balandlik bilan o'zgarishi kerak (doimiy yoki uzluksiz). Agar zichlik kichik vertikal masofada o'zgarib tursa (misolida bo'lgani kabi termoklin ko'llar va okeanlarda yoki an atmosfera inversiyasi ), to'lqinlar sirt to'lqinlari kabi gorizontal ravishda tarqaladi, lekin buni interfeys ostidagi va yuqorisidagi suyuqlikning zichlik farqi bilan aniqlangan sekinroq tezlikda bajaring. Agar zichlik doimiy ravishda o'zgarib tursa, to'lqinlar suyuqlik orqali gorizontal va vertikal ravishda tarqalishi mumkin.

Ichki tortishish to'lqinlari deb ham ataladigan ichki to'lqinlar suyuqlik qatlami, hosil bo'lish mexanizmi, amplituda va tashqi kuchlarning ta'siriga qarab boshqa ko'plab nomlar bilan yurishadi. Agar zichlik balandlik bilan tezda pasayib ketadigan interfeys bo'ylab gorizontal ravishda tarqaladigan bo'lsa, ular maxsus interfeys (ichki) to'lqinlar deb nomlanadi. Agar fazalararo to'lqinlar katta amplituda bo'lsa, ular ichki yakka to'lqinlar yoki ichki deb nomlanadi solitonlar. Agar havo zichligining sezilarli o'zgarishi ularning dinamikasiga ta'sir qiladigan atmosfera bo'ylab vertikal ravishda harakatlansa, ular anelastik (ichki) to'lqinlar deb ataladi. Agar topografiya ustidagi oqim natijasida hosil bo'lsa, ular deyiladi Li to'lqinlanmoqda yoki tog 'to'lqinlari. Agar tog 'to'lqinlari tepadan buzilsa, ular er yuzida kuchli iliq shamollarni keltirib chiqarishi mumkin Chinook shamollari (Shimoliy Amerikada) yoki Foon shamollar (Evropada). Agar okeanda dengiz osti tizmalari yoki kontinental shelf ustidan to'lqin oqimi natijasida hosil bo'lsa, ular ichki to'lqinlar deb ataladi. Agar ular Yerning aylanish chastotasi bilan taqqoslaganda asta-sekin rivojlanib, ularning dinamikasiga Coriolis ta'siri, ular deyiladi inertsiya tortishish to'lqinlari yoki oddiygina, inert to'lqinlar. Ichki to'lqinlar odatda ajralib turadi Rossbi to'lqinlanmoqda, o'zgarishi ta'sir ko'rsatadigan Coriolis chastotasi kenglik bilan.

Ichki to'lqinlarning ingl

Ichki to'lqinni oshxonada bir shisha salat qo'shimchasini asta-sekin oldinga va orqaga burab osongina kuzatish mumkin - to'lqinlar yog 'va sirka o'rtasida joylashgan.

Atmosfera ichki to'lqinlari orqali ingl to'lqinli bulutlar: to'lqin tepaliklarida havo ko'tariladi va nisbatan past bosimda soviydi, natijada agar suv bug'lari kondensatsiyalanishi mumkin nisbiy namlik 100% ga yaqin. Ichki to'lqinlarni tepaliklar orqali ochadigan bulutlar deyiladi lentikulyar bulutlar ularning ob'ektivga o'xshash ko'rinishi tufayli. Kamroq keskin, ichki to'lqinlar poezdini tasvirlangan to'lqinli bulut naqshlari orqali tasavvur qilish mumkin seld osmoni yoki skumbriya osmoni. Momaqaldiroqdan sovuq havoning chiqishi katta amplituda ichki yakka to'lqinlarni uchirishi mumkin atmosfera inversiyasi. Shimoliy Avstraliyada bu natijalar Morning Glory bulutlari, ba'zi dovyuraklar tomonidan okean to'lqini minib yurgan sörfçü kabi siljish uchun foydalanilgan. Avstraliya va boshqa joylarda joylashgan sun'iy yo'ldoshlar bu to'lqinlarning yuzlab kilometrlarni tashkil etishini ko'rsatmoqda.

Okeanik termoklinaning to'lqinlarini sun'iy yo'ldosh orqali ko'rish mumkin, chunki to'lqinlar gorizontal oqim birlashganda sirt pürüzlülüğünü oshiradi va bu quyosh nurlarining tarqalishini oshiradi (bu sahifaning yuqori qismidagi rasmda bo'lgani kabi, to'lqinlar oqimlari natijasida hosil bo'lgan to'lqinlar Gibraltar bo'g'ozi ).

Suzuvchanlik, tortishish kuchi va suzish chastotasining pasayishi

Ga binoan Arximed printsipi, botirilgan narsaning vazni u siqib chiqaradigan suyuqlikning og'irligi bilan kamayadi. Bu suyuqlik zichligi uchun kerak bo'ladi ${ displaystyle rho}$ atrofdagi zichlikdagi suyuqlik bilan o'ralgan ${ displaystyle rho _ {0}}$. Uning birlik birligidagi og'irligi ${ displaystyle g ( rho - rho _ {0})}$, unda ${ displaystyle g}$ tortishish tezlanishidir. Xarakterli zichlik bilan bo'lish, ${ displaystyle rho _ {00}}$, pasaytirilgan tortishish ta'rifini beradi:

${ displaystyle g ^ { prime} equiv g { frac { rho - rho _ {0}} { rho _ {00}}}}$

Agar ${ displaystyle rho> rho _ {0}}$, ${ displaystyle g ^ { prime}}$ odatda ijobiy bo'lganidan ancha kichik ${ displaystyle g}$. Suv havodan ancha zich bo'lgani uchun, suvning sirtdan havo bilan siljishi tortishish to'lqini deyarli butun tortishish kuchini his qiladi (${ displaystyle g ^ { prime} sim g}$). Ning siljishi termoklin iliqroq yuzani sovuqroq chuqur suvdan ajratib turadigan ko'l, tortishish kuchi pasaygan suzish kuchini his qiladi. Masalan, muzli suv va xona harorati suvlari o'rtasidagi zichlik farqi suvning xarakterli zichligi 0,002 ga teng. Shunday qilib, tortishish kuchi tortishish kuchiga nisbatan 0,2% ni tashkil qiladi. Shu sababli ichki to'lqinlar sirt to'lqinlariga nisbatan sekin harakat qiladi.

Kamaytirilgan tortishish interfeyslararo ichki to'lqinlar uchun suzishni tavsiflovchi asosiy o'zgaruvchidir, zichligi balandligi bilan o'zgarib turadigan doimiy qatlamli suyuqlikda suzishni tavsiflash uchun boshqa miqdor ishlatiladi. ${ displaystyle rho _ {0} (z)}$. Aytaylik, suv ustuni ichida gidrostatik muvozanat va zichligi bo'lgan kichik suyuqlik to'plami ${ displaystyle rho _ {0} (z_ {0})}$ kichik masofa bilan vertikal ravishda siljiydi ${ displaystyle Delta z}$. The ko'taruvchi kuchni tiklash vertikal tezlashishga olib keladi, tomonidan berilgan^[1][2]

${ displaystyle { frac {d ^ {2} Delta z} {dt ^ {2}}} = - g ^ { prime} = - g ( rho _ {0} (z_ {0}) - rho _ {0} (z_ {0} + Delta z)) / rho _ {0} (z_ {0}) simeq -g left (- { frac {d rho _ {0}} { dz}} Delta z right) / rho _ {0} (z_ {0})}$

Bu bahorgi tenglama, uning echimi tebranuvchi vertikal siljishni taxmin qiladi ${ displaystyle z_ {0}}$ vaqtida berilgan chastota bilan suzish chastotasi:

${ displaystyle N = chap (- { frac {g} { rho _ {0}}} { frac {d rho _ {0}} {dz}} o'ng) ^ {1/2}. }$

Yuqoridagi dalil chastotani taxmin qilish uchun umumlashtirilishi mumkin, ${ displaystyle omega}$, burchak ostida chiziq bo'ylab tebranadigan suyuqlik posilkasining ${ displaystyle Theta}$ vertikalga:

${ displaystyle omega = N cos Theta}$.

Bu doimiy faza chiziqlari burchak ostida yotgan ichki to'lqinlar uchun dispersiya munosabatini yozishning bir usuli ${ displaystyle Theta}$ vertikalga. Xususan, bu shuni ko'rsatadiki suzish chastotasi - ruxsat berilgan ichki to'lqin chastotalarining yuqori chegarasi.

Ichki to'lqinlarni matematik modellashtirish

Ichki to'lqinlar nazariyasi interfeyslararo to'lqinlarning tavsifida va ichki to'lqinlarning vertikal ravishda tarqalishida farq qiladi. Ular quyida alohida ko'rib chiqiladi.

Yuzlararo to'lqinlar

Oddiy holatda, ikki qatlamli suyuqlikni ko'rib chiqamiz, unda bir xil zichlikka ega bo'lgan suyuqlik plitasi ${ displaystyle rho _ {1}}$ bir xil zichlikka ega bo'lgan suyuqlik plitasi ustidan ${ displaystyle rho _ {2}}$. O'zboshimchalik bilan ikkita qatlam orasidagi interfeys joylashgan bo'lishi kerak ${ displaystyle z = 0.}$ Yuqori va pastki qatlamlardagi suyuqlik deb taxmin qilinadi irrotatsion. Demak, har bir qatlamdagi tezlik a ning gradyenti bilan berilgan tezlik potentsiali, ${ displaystyle {{ vec {u}} = nabla phi,}}$ va potentsialning o'zi qondiradi Laplas tenglamasi:

${ displaystyle nabla ^ {2} phi = 0.}$

Domenni chegarasiz va ikki o'lchovli deb hisoblasak ( ${ displaystyle x-z}$ to'lqin shunday bo'lsa deb o'ylaymiz davriy yilda ${ displaystyle x}$ bilan gulchambar ${ displaystyle k> 0,}$ har bir qavatdagi tenglamalar in ikkinchi darajali oddiy differentsial tenglamaga kamayadi ${ displaystyle z}$. Har bir qatlamda tezlik potentsiali cheklangan echimlarni talab qilish

${ displaystyle phi _ {1} (x, z, t) = Ae ^ {- kz} cos (kx- omega t)}$

va

${ displaystyle phi _ {2} (x, z, t) = Ae ^ {kz} cos (kx- omega t),}$

bilan ${ displaystyle A}$ The amplituda to'lqinning va ${ displaystyle omega}$ uning burchak chastotasi. Ushbu tuzilmani olishda massa va bosimning uzluksizligini talab qiladigan interfeysda mos keladigan shartlardan foydalanilgan. Ushbu shartlar ham beradi dispersiya munosabati:^[3]

${ displaystyle omega ^ {2} = g ^ { prime} k}$

unda tortishish kuchi kamayadi ${ displaystyle g ^ { prime}}$ yuqori va pastki qatlamlar orasidagi zichlik farqiga asoslanadi:

${ displaystyle g ^ { prime} = { frac { rho _ {2} - rho _ {1}} { rho _ {2} + rho _ {1}}} , g,}$

bilan ${ displaystyle g}$ The Yerning tortishish kuchi. E'tibor bering, dispersiya munosabati chuqur suv bilan bir xil sirt to'lqinlari sozlash orqali ${ displaystyle g ^ { prime} = g.}$

Bir xil qatlamli suyuqlikdagi ichki to'lqinlar

Bir hil qatlamli suyuqlikdagi ichki to'lqinlarning tuzilishi va tarqalishi munosabati massani, impulsni va ichki energiya tenglamalarini chiziqli konservatsiyasini echish yo'li bilan aniqlanadi, bu suyuqlik siqilmaydi va fon zichligi oz miqdorda o'zgaradi ( Bussinesqga yaqinlashish ). To'lqinlarni x-z tekisligida ikki o'lchovli deb hisoblasak, tegishli tenglamalar

${ displaystyle kısalt _ {x} u + qisman _ {z} w = 0}$

${ displaystyle rho _ {00} kısalt _ {t} u = - qisman _ {x} p}$

${ displaystyle rho _ {00} kısalt _ {t} w = - qisman _ {z} p- rho g}$

${ displaystyle kısalt _ {t} rho = -wd rho _ {0} / dz}$

unda ${ displaystyle rho}$ bezovtalanish zichligi, ${ displaystyle p}$ bu bosim va ${ displaystyle (u, w)}$ tezligi. Atrof-muhit zichligi balandlikka qarab chiziqli ravishda o'zgarib turadi ${ displaystyle rho _ {0} (z)}$ va ${ displaystyle rho _ {00}}$doimiy, xarakterli atrof-muhit zichligi.

Shakl to'lqini uchun to'rtta tengsizlikni to'rtta noma'lumga hal qilish ${ displaystyle exp [i (kx + mz- omega t)]}$ dispersiya munosabatini beradi

${ displaystyle omega ^ {2} = N ^ {2} { frac {k ^ {2}} {k ^ {2} + m ^ {2}}} = N ^ {2} cos ^ {2 } Theta}$

unda ${ displaystyle N}$ bo'ladi suzish chastotasi va ${ displaystyle Theta = tan ^ {- 1} (m / k)}$ - bu to'lqinli vektorning gorizontalga burchagi, shuningdek vertikalgacha doimiy faza chiziqlari hosil bo'lgan burchakdir.

The o'zgarishlar tezligi va guruh tezligi dispersiya munosabatlaridan topilgan g'ayritabiiy xususiyat ularning perpendikulyar ekanligi va faza va guruh tezligining vertikal komponentlari qarama-qarshi belgiga ega bo'lishini taxmin qiladi: agar to'lqin paket yuqoriga o'ngga siljiydigan bo'lsa, tepaliklar pastga qarab o'ngga siljiydi.

Okeandagi ichki to'lqinlar

Trinidad atrofida ichki to'lqin poezdlari, kosmosdan ko'rinib turibdiki

Ko'pchilik to'lqinlarni suv (ko'llar yoki okeanlarda bo'lgani kabi) va havo o'rtasida harakat qiladigan sirt hodisasi deb o'ylashadi. Qaerda zichligi past bo'lgan suv yuqori zichlikdagi suvdan ustun bo'lsa okean, ichki to'lqinlar chegara bo'ylab tarqaladi. Ular ayniqsa keng tarqalgan kontinental tokcha dunyo okeanining mintaqalari va qaerda sho'r katta daryolar chiqadigan joyda sho'r suv ustiga suv tushadi. Odatda to'lqinlar yuzasida yuzaga kelishi mumkin bo'lgan silliq bantlardan tashqari to'lqinlarning ozgina sirtqi ifodasi mavjud.

Ichki to'lqinlar deb nomlangan qiziquvchan hodisaning manbai o'lik suv, birinchi marta 1893 yilda Norvegiya okeanografi tomonidan xabar qilingan Fridtof Nansen, bunda qayiq tinch ko'rinishda oldinga siljishga kuchli qarshilik ko'rsatishi mumkin. Bu kema nisbatan chuchuk suv qatlamida suzib yurganida yuz beradi, uning chuqurligi kema loyihasi bilan taqqoslanadi. Bu juda katta miqdordagi energiyani tarqatadigan ichki to'lqinlarning uyg'onishiga olib keladi.^[4]

Ichki to'lqinlarning xususiyatlari

Ichki to'lqinlar odatda nisbatan past chastotalar va yuqori amplituda ega sirt tortishish to'lqinlari chunki suyuqlik ichidagi zichlik farqlari (va shuning uchun tiklash kuchlari) odatda ancha kichik bo'ladi. To'lqin uzunligi santimetrdan kilometrga, soniya soatga to'g'ri keladi.

Atmosfera va okean doimiy ravishda tabaqalanib turadi: potentsial zichlik odatda pastga qarab barqaror ravishda oshib boradi. Doimiy qatlamlangan muhitdagi ichki to'lqinlar vertikal va gorizontal ravishda tarqalishi mumkin. The dispersiya munosabati chunki bunday to'lqinlar qiziq: erkin tarqaladigan ichki uchun to'lqinli paket, energiyaning tarqalish yo'nalishi (guruh tezligi ) to'lqin tepaliklari va oluklarning tarqalish yo'nalishiga perpendikulyar (o'zgarishlar tezligi ). Ichki to'lqin, shuningdek, cheklangan mintaqada cheklanib qolishi mumkin balandlik yoki chuqurlik, turli xil tabaqalanish natijasida yoki shamol. Bu erda to'lqin deyiladi kanalli yoki tuzoqqa tushganva vertikal ravishda turgan to'lqin shakllanishi mumkin, bu erda vertikal komponent guruh tezligi nolga yaqinlashadi. Ichki to'lqin rejimi mumkin ko'paytirmoq gorizontal ravishda, parallel ravishda guruh va o'zgarishlar tezligi vektorlar, o'xshash ko'paytirish ichida a to'lqin qo'llanmasi.

Ichki to'lqinlarga katta miqyosda Yerning aylanishi ham, muhitning tabaqalanishi ham ta'sir qiladi. Ushbu geofizik to'lqin harakatlarining chastotalari ning pastki chegarasidan farq qiladi Coriolis chastotasi (harakatsiz harakatlar ) ga qadar Brunt - Väisälä chastotasi, yoki suzish chastotasi (suzish tebranishlari). Yuqorida Brunt - Väisälä chastotasi bo'lishi mumkin eskirgan ichki to'lqin harakatlari, masalan qisman kelib chiqadigan harakatlar aks ettirish. Gelgit chastotalaridagi ichki to'lqinlar tomonidan ishlab chiqariladi gelgit oqimi topografiya / batimetriya bo'yicha va ma'lum ichki to'lqinlar. Xuddi shunday, atmosfera oqimlari masalan, bir xil bo'lmagan quyosh isitilishi bilan bog'liq kunlik harakat.

Planktonik lichinkalarni quruqlikda tashish

O'zaro faoliyat transporti, qirg'oq va dengiz atroflari o'rtasida suv almashinuvi, etkazib berishdagi roli uchun alohida qiziqish uyg'otadi meroplanktonik lichinkalar kattalar populyatsiyasini umumiy offshor lichinka hovuzlaridan ajratish.^[5] Ichki to'lqinlar bilan planktonik lichinkalarning o'zaro faoliyat qatlami uchun bir nechta mexanizmlar taklif qilingan. Hodisalarning har bir turining tarqalishi turli xil omillarga, shu jumladan pastki relyefga, suv havzasining tabaqalanishiga va suv oqimlarining ta'siriga bog'liq.

Ichki suv oqimlari

Yuzaki to'lqinlar singari ichki to'lqinlar ham qirg'oqqa yaqinlashganda o'zgaradi. To'lqin amplitudasining suv chuqurligiga nisbati to'lqinning "tubini his etishi" darajasiga etganda, to'lqin tubidagi suv dengiz tubi bilan ishqalanish sababli sekinlashadi. Bu to'lqinning assimetrik bo'lishiga va to'lqinning yuzining tiklanishiga olib keladi va nihoyat to'lqin uzilib, ichki teshik sifatida oldinga tarqaladi.^[6][7] Ichki to'lqinlar ko'pincha to'lqinlar tokchalar sinishi ustidan o'tayotganda hosil bo'ladi.^[8] Ushbu to'lqinlarning eng kattasi hosil bo'ladi bahor fasllari etarlicha kattalikka ega bo'lganlar esa zovurlar singari tokchada sinib, siljiydi.^[9][10] Bu teshiklar shiddat bilan harorat va sho'rlanishning chuqurlik bilan bosqichma-bosqich o'zgarishi, pastki qismga yaqin ko'tarilishning keskin boshlanishi va teshiklarning old qismidan keyin yuqori chastotali ichki to'lqinlar paketlaridan dalolat beradi.^[11]

Ichki teshiklar bilan bog'liq bo'lgan salqin, ilgari chuqur suvlarning iliq, sayozroq suvlarga kelishi keskin o'sishiga mos keladi fitoplankton va zooplankton plankter turlarining ko'pligi kontsentratsiyasi va o'zgarishi.^[12] Bundan tashqari, er usti suvlari ham, chuqurlikdagi suvlar ham birlamchi unumdorlikka ega bo'lishga moyildirlar, termoklinalar ko'pincha a bilan bog'lanadi xlorofill maksimal qatlam. Ushbu qatlamlar o'z navbatida ko'chma zooplanktonlarning katta agregatlarini jalb qiladi^[13] ichki teshiklar keyinchalik qirg'oqqa itariladi. Ko'pgina taksonlar iliq er usti suvlarida deyarli yo'q bo'lishi mumkin, ammo bu ichki teshiklarda juda ko'p.^[12]

Yuzaki slicks

Yuqori kattalikdagi ichki to'lqinlar tokchani kesib o'tgandan keyin tez-tez yorilib tursa, kichikroq poezdlar tokchani buzmasdan harakatlanadilar.^[10][14] Shamolning past tezligida bu ichki to'lqinlar ichki relyefga parallel ravishda yo'naltirilgan, ichki to'lqinlar bilan qirg'oqqa qarab harakatlanadigan keng sirt parchalari hosil bo'lishidan dalolat beradi.^[15][16] Ichki to'lqin ustidagi suvlar birlashib, chuqurga cho'kib ketadi va tepada ajralib chiqadi.^[15] Ichki to'lqinli oluklar bilan bog'liq bo'lgan konvergentsiya zonalari ko'pincha yog'larni to'playdi va flotsam bu vaqti-vaqti bilan slicks bilan qirg'oqqa siljiydi.^[17][18] Ushbu flotsam sallari, shuningdek, lichinkalarning yuqori konsentratsiyasini saqlashi mumkin umurtqasizlar va baliqlar atrofidagi suvlardan kattaroq tartibda.^[18]

Bashorat qilinadigan uy-joylar

Termoklinlar ko'pincha xlorofillning maksimal qatlamlari bilan bog'lanadi.^[13] Ichki to'lqinlar bu termoklinlarning tebranishini aks ettiradi va shu sababli fitoplanktonga boy suvlarni birlashtirib, pastga qarab o'tkazish imkoniyatiga ega. bentik va pelagik tizimlar.^[19][20] Ushbu hodisalardan ta'sirlangan hududlar suspenziyali oziqlantirishning yuqori o'sish sur'atlarini ko'rsatadi astsidiyalar va bryozoyanlar, ehtimol yuqori fitoplankton kontsentratsiyasining davriy oqimi tufayli.^[21] Planktonik lichinkalarni vertikal tashishida termoklinaning davriy tushkunligi va ular bilan bog'liq pastga tushish ham muhim rol o'ynashi mumkin.

Qamoqlangan yadrolar

Qamalga olingan, teskari tebranuvchi yadrolarni o'z ichiga olgan katta tik ichki to'lqinlar, shuningdek, suv uchastkalarini qirg'oqqa etkazishi mumkin.^[22] Yopilgan yadroli bu chiziqli bo'lmagan to'lqinlar ilgari laboratoriyada kuzatilgan^[23] va nazariy jihatdan bashorat qilgan.^[24] Ushbu to'lqinlar yuqori bo'lgan muhitda tarqaladi qirqish va turbulentlik va, ehtimol, o'zlarining energiyasini yuqoridagi oqimning pastki qismi bilan o'zaro aloqada bo'lgan depressiya to'lqinlaridan olishadi.^[22] Ushbu to'lqinlarning paydo bo'lishi uchun qulay sharoitlar, shuningdek, quyi qismida cho'kindi jinslarni to'xtatishi, shuningdek, chuqurroq suvda bentos bo'ylab topilgan plankton va ozuqaviy moddalarni to'xtatishi mumkin.

Adabiyotlar

Izohlar

Boshqalar

Tashqi havolalar

• Tebranuvchi silindr tomonidan yaratilgan ichki to'lqinlarning muhokamasi va videolari.
• Okean ichki to'lqinlari atlasi - Global Ocean Associates