Кіріспе
Сұйық ортада тербелетін гравитациялық толқындардың түрі. Ішкі толқындар – сұйық ортада тербелетін, оның бетінде емес, гравитациялық толқындар. Олардың пайда болуы үшін сұйықтың қабатталуы қажет: тығыздығы тереңдік/биіктік бойынша (толық немесе үзіліссіз) өзгеруі керек, мысалы, температураның және/немесе тұздылықтың өзгеруіне байланысты. Егер тығыздық кішкентай вертикальді қашықтықта өзгерсе (көлдер мен мұхиттардағы термоклин немесе атмосфералық инверсия сияқты), толқындар беттік толқындар сияқты көлденең бағытта таралады, бірақ интерфейстің астындағы және үстіндегі сұйықтың тығыздық айырмасымен анықталатын баяу жылдамдықпен. Егер тығыздық үздірсіз өзгерсе, толқындар сұйық ортада көлденең де, тік де таралуы мүмкін. Ішкі толқындар, сондай-ақ ішкі гравитациялық толқындар деп те аталады, сұйықтың қабатталуына, тудыру механизміне, амплитудасына және сыртқы күштердің ықпалына байланысты көптеген басқаша атаулармен белгілі. Егер олар тығыздығы биіктікпен тез төмендейтін интерфейс бойымен көлденең таралатын болса, олар интерфейстік (ішкі) толқындар деп аталады. Егер интерфейстік толқындардың амплитудасы жоғары болса, олар ішкі оқшау толқындар немесе ішкі солитондар деп аталады. Егер олар атмосферада тік қозғалса және ауа тығыздығының айтарлықтай өзгеруі олардың динамикасына әсер етсе, олар эластикалық емес (ішкі) толқындар деп аталады. Егер олар топографиядағы ағын нәтижесінде пайда болса, олар Ли толқындары немесе тау толқындары деп аталады. Егер тау толқындары жоғары көтерілсе, олар жерде қыңыр желдерге (Солтүстік Америкада) немесе фён желдеріне (Еуропада) алып келуі мүмкін, бұл күшті жылы желдер. Егер олар мұхитта су асты қыртыстары немесе континенттік шельфтегі тасқын ағыны арқылы туындаса, олар ішкі тасқын деп аталады. Егер олардың дамуы Жердің айналу жиілігімен салыстырғанда баяу болса, олардың динамикасына Кориолис күші әсер ететін болса, олар инерциялық гравитациялық толқындар немесе жай ғана инерциялық толқындар деп аталады. Ішкі толқындар әдетте Россби толқындарынан ерекшеленеді, олар Кориолис жиілігінің ендікке қарай өзгеруіне байланысты болады.
Internal waves are gravity waves that oscillate within a fluid medium, rather than on its surface. To exist, the fluid must be stratified: the density must change (continuously or discontinuously) with depth/height due to changes, for example, in temperature and/or salinity. If the density changes over a small vertical distance (as in the case of the thermocline in lakes and oceans or an atmospheric inversion), the waves propagate horizontally like surface waves, but do so at slower speeds as determined by the density difference of the fluid below and above the interface. If the density changes continuously, the waves can propagate vertically as well as horizontally through the fluid. Internal waves, also called internal gravity waves, go by many other names depending upon the fluid stratification, generation mechanism, amplitude, and influence of external forces. If propagating horizontally along an interface where the density rapidly decreases with height, they are specifically called interfacial (internal) waves. If the interfacial waves are large amplitude they are called internal solitary waves or internal solitons. If moving vertically through the atmosphere where substantial changes in air density influences their dynamics, they are called anelastic (internal) waves. If generated by flow over topography, they are called Lee waves or mountain waves. If the mountain waves break aloft, they can result in strong warm winds at the ground known as Chinook winds (in North America) or Foehn winds (in Europe). If generated in the ocean by tidal flow over submarine ridges or the continental shelf, they are called internal tides. If they evolve slowly compared to the Earth's rotational frequency so that their dynamics are influenced by the Coriolis effect, they are called inertia gravity waves or, simply, inertial waves. Internal waves are usually distinguished from Rossby waves, which are influenced by the change of Coriolis frequency with latitude.
Ішкі толқындардың бейнеленуі
Ішкі толқынды ас үйде салат соусының бөтелкесін ақырындап алға-артқа қисайтып байқауға болады – толқындар май мен сірке суының арасындағы шекарада пайда болады. Атмосферадағы ішкі толқындарды толқынды бұлттар арқылы көруге болады: толқынның жотасында ауа көтеріліп, салыстырмалы түрде төмен қысымда салқындайды, егер ылғалдылық 100%-ға жуық болса, су буы конденсацияланып бұлт түзеді. Таулардың үстінен ағып өтетін ағыннан туындаған ішкі толқындарды линза тәрізді пішіні үшін линзалы бұлттар деп атайды. Ішкі толқындарды көру үшін реңкті немесе скумбрия аспаны сияқты тарам-тарамық бұлт үлгілерін де пайдалануға болады. Күннұсқаудың суық ауа ағыны атмосфералық инверсия кезінде үлкен амплитудалы ішкі жалғыз толқындарды тудырады. Солтүстік Австралияда мұндай толқындар таңғы даңқ бұлттарын құрайды, оларға кейбір батыл адамдар мұхит толқынымен серфинг жасағандай сырғанап өтеді. Австралия және басқа аймақтардағы спутниктер бұл толқындардың жүздеген шақырымға созылатынын көрсетеді. Мұхиттың термоклинінің толқындануын спутниктер арқылы көруге болады, себебі толқындар көлденең ағын жиналатын жерде беттік кедір-бұдырлықты арттырады, бұл күн сәулесінің шашырауын күшейтеді (мысалы, осы беттің жоғарғы жағындағы Гибралтар бұғазы арқылы туындаған толқындардың суретінде).
Ішкі толқындардың математикалық модельдеуі
Ішкі толқындар теориясы интерфейстік толқындар мен тік бойымен таралатын ішкі толқындарды сипаттауда өзгешеліктерді көрсетеді. Олар төменде жеке-жеке қарастырылады.
Мұхиттың ішкі толқындары
Көптеген адамдар толқындарды су (көлдер мен мұхиттардағыдай) және ауа арасындағы әрекеттесетін беттік құбылыс деп есептейді. Мұхиттың төмен тығыздықтағы суы жоғары тығыздықтағы судың үстіне орналасқан жерлерде ішкі толқындар шекара бойымен таралады. Олар әсіресе әлемдік мұхиттардың континенттік шельф аймақтарында және ірі өзендердің сағасында тұзды судың үстіндегі тұщы суда жиі кездеседі. Толқындардың бетінде көрінетін өзгерістер аз, тек толқындардың төменгі бөлігінде пайда болатын тегіс жолақтарды байқауға болады. Ішкі толқындар – норвегиялық океанограф Фридтжоф Нансен 1893 жылы алғаш рет сипаттаған, «өлі су» деп аталатын ерекше құбылыстың себебі. Онда қайық сырттай тыныш жағдайда алға қозғалуға күшті қарсылық сезінуі мүмкін. Бұл кеме, кеменің суға батып тұру тереңдігімен салыстырылатын тереңдіктегі салыстырмалы түрде тұщы су қабатында жүзіп бара жатқанда болады. Бұл ішкі толқындардың пайда болуына әкеледі, олар көп мөлшерде энергияны жұмсайды.
Ішкі толқындардың қасиеттері
Ішкі толқындар, әдетте, беттік гравитациялық толқындарға қарағанда әлдеқайда төмен жиілікке және жоғары амплитудаға ие, себебі сұйықтықтағы тығыздық айырмашылықтары (сонымен қатар, қалпына келтіру күштері) көбінесе өте аз болады. Толқын ұзындығы сантиметрден километрге дейін, ал периоды секундтан сағатқа дейін өзгереді. Атмосфера мен мұхит үнемі қабаттасқан: потенциалдық тығыздық көбінесе төмен қарай біркелкі артады. Үнемі қабатталған ортадағы ішкі толқындар көлденең де, тік боймен да таралуы мүмкін. Мұндай толқындардың дисперсиялық қатынасы ерекше: еркін таралатын ішкі толқын тобы үшін энергия таралу бағыты (топтық жылдамдық) толқын жоталары мен ойыстарының таралу бағытына (фазалық жылдамдық) перпендикуляр болады. Ішкі толқын, сондай-ақ, әртүрлі қабаттанудың немесе желдің салдарынан белгілі бір биіктікте немесе тереңдікте шектелген аймаққа орналасуы мүмкін. Бұл жағдайда толқын арналанған немесе тұтқынға түскен деп айтылады, және топтық жылдамдықтың тік компоненті нөлге жақындағанда тік тұрған толқын пайда болуы мүмкін. Арналанған ішкі толқын режимі толқын жетегіндегі таралуға ұқсас, параллель топтық және фазалық жылдамдық векторларымен көлденең таралуы мүмкін. Ірі масштабта ішкі толқындарға Жердің айналысы да, ортаның қабаттануы да әсер етеді. Бұл геофизикалық толқын қозғалыстарының жиіліктері Кориолис жиілігінің ең төменгі шегінен (инерциялық қозғалыстар) бастап Брунт-Вейзела жиілігіне немесе иілімдік жиілікке (иілімдік тербелістер) дейін өзгереді. Брунт-Вейзела жиілігінен жоғары, мысалы, толық шағылысудан туындаған ішкі толқын қозғалыстары болуы мүмкін. Тікелей жиіліктің ішкі толқындары топографиялық/батиметриялық бедер арқылы тікелей ағын нәтижесінде пайда болады және ішкі тікелей толқындар деп аталады. Сол сияқты, атмосфералық тікелей толқындар, мысалы, тәуліктік қозғалысқа байланысты біркелкі емес күннің жылуынан туындайды.
Планктон личинкаларын құрлықта тасымалдау
Шелфтер аралық тасымалдау, жағалау және ашық теңіз орталары арасындағы су алмасу, әсіресе меропланктондық дернәсілдерді ортақ ашық теңіз дернәсілдерінен жиі шашыраңқы ересектер популяцияларына жеткізудегі рөліне байланысты ерекше қызығушылық тудырады. Ішкі толқындар арқылы планктондық дернәсілдердің шелфтерді көлденең кесіп өтуіне бірнеше механизм ұсынылған. Мұндай құбылыстардың жиілігі жер бедерінің топографиясы, су қабатының қабаттануы және толқын әсері сияқты әртүрлі факторларға байланысты.
Ішкі тасқын бұрғылары
Жер бетіндегі толқындар сияқты, ішкі толқындар да жағалауға жақындаған сайын өзгеріп отырады. Толқын амплитудасының су тереңдігіне қатынасы толқынның түбін сезінуіне дейін жетеді, осы кезде толқынның негізіндегі су теңіз түбімен үйкелісуден баяулайды. Бұл толқынның асимметриялық болуына, толқын бетінің тікенеуіне және ақырында толқынның бұзылып, ішкі ағын ретінде алға жылжуына себеп болады. Ішкі толқындар көбінесе таяп сулар шельфтің үстінен өтетін кезде пайда болады. Бұл толқындардың ең ірілері көктемгі таяп сулар кезінде пайда болады және жеткілікті күшті болғанда бұзылып, шельф бойынша ағын ретінде таралады. Бұл ағындар тереңдік бойынша температура мен тұздылықтың күрт, сатылап өзгеруімен, төменгі жағындағы жылдам ағынның кенеттен басталуымен және ағын алдындағы жоғары жиілікті ішкі толқындардың жиынтығымен анықталады. Ішкі ағындармен байланысты салқын, бұрынғыда терең судың жылы, беттік суларға келуі фитопланктон мен зоопланктон концентрациясының күрт өсуіне және планктон түрлерінің құрамындағы өзгерістерге сәйкес келеді. Сонымен қатар, жер бетіндегі және тереңдегі сулардың екеуі де салыстырмалы түрде төмен бастапқы өнімділікке ие болса да, термоклиндар көбінесе хлорофиллдің максималды қабатымен байланысты. Бұл қабаттар өз кезегінде жылдам қозғалатын зоопланктонның ірі шоғырларын тартады, оларды ішкі ағындар жағалауға қарай итеріп жібереді. Көптеген таксондар жылы беттік суларда кездеспесе де, осы ішкі ағындарда көптеп табылуы мүмкін. Желдің жылдамдығы төмен болғанда, бұл ішкі толқындар кең беттік жарықтардың пайда болуымен көрінеді, олар теңіз түбінің топографиясына параллель бағытталады және ішкі толқындармен бірге жағалауға қарай жылжиды. Ішкі толқынның үстіндегі сулар оның ойысында жиналып, шөгіп, ал шыңында таралып, көтеріледі. Бұл қалқып жүзетін заттардың жиынтығы омыртқасыз жануарлар мен балықтардың дернәсілдерінің жоғары концентрациясын қамтиды, бұл көрсеткіш қоршаған сулардан бірнеше есе жоғары. Осы құбылыстарға ұшыраған аймақтарда асцидиялар мен бриозоялардың өсу қарқыны жоғарылайды, бұл фитопланктонның жоғары концентрациясының үнемі келуіне байланысты болуы мүмкін. Термоклиннің мерзімдік төмендеуі және онымен байланысты төмен ағын планктон дернәсілдерінің тік көшірілуінде маңызды рөл атқарады.
Тұтқыр өзектер
Ірі, тік ішкі толқындар, тұтқынға алынған, кері тербелісті ядролары бар, сонымен қатар судың бөліктерін жағалауға қарай тасымалдай алады. Бұрын зертханада тұтқынға алынған ядролары бар бұл сызықтық емес толқындар байқалып, теориялық тұрғыда болжанған. Бұл толқындар жоғары серпіліс және турбуленттілікпен сипатталатын ортада таралады және олардың энергиясы көбінесе ағыс бағытымен жоғарырақ орналасқан, тереңдеуге қарай беткейленген түбімен өзара әрекеттесетін депрессия толқындарынан туындайды. Бұл толқындардың пайда болуына жағдай жасаушы факторлар түбіндегі шөгінділерді, сондай-ақ терең судың түбіндегі (бентоста) планктон мен қоректік заттарды көтеріп шығаруы мүмкін.