Введение
Тип гравитационных волн, колеблющихся в жидкой среде.
Внутренние волны — это гравитационные волны, которые колеблются внутри жидкой среды, а не на её поверхности. Для их существования жидкость должна быть стратифицированной: плотность должна изменяться (непрерывно или скачкообразно) с глубиной/высотой из-за изменений, например, температуры и/или солености. Если плотность изменяется на небольшом вертикальном расстоянии (как в случае термоклина в озерах и океанах или атмосферной инверсии), волны распространяются горизонтально, подобно поверхностным волнам, но с меньшей скоростью, определяемой разницей плотности жидкости ниже и выше границы раздела. Если плотность изменяется непрерывно, волны могут распространяться как вертикально, так и горизонтально внутри жидкости. Внутренние волны, также называемые внутренними гравитационными волнами, имеют множество других названий в зависимости от стратификации жидкости, механизма генерации, амплитуды и влияния внешних сил. Если они распространяются горизонтально вдоль границы раздела, где плотность быстро уменьшается с высотой, они конкретно называются межфазными (внутренними) волнами. Если межфазные волны имеют большую амплитуду, они называются внутренними одиночными волнами или внутренними солитонами. Если они движутся вертикально в атмосфере, где существенные изменения плотности воздуха влияют на их динамику, они называются анеластичными (внутренними) волнами. Если они генерируются потоком над рельефом местности, они называются волнами Ли или горными волнами. Если горные волны разрушаются на высоте, они могут вызывать сильные теплые ветры на земле, известные как ветры чинук (в Северной Америке) или ветры фён (в Европе). Если они генерируются в океане приливным течением над подводными хребтами или континентальным шельфом, они называются внутренними приливами. Если они развиваются медленно по сравнению с частотой вращения Земли, так что на их динамику влияет эффект Кориолиса, они называются инерционными гравитационными волнами или, проще говоря, инерционными волнами. Внутренние волны обычно отличаются от волн Россби, на которые влияет изменение частоты Кориолиса с широтой.
Визуализация внутренних волн
Внутренние волны можно легко наблюдать на кухне, медленно наклоняя вперед и назад бутылку с салатным дрессингом – волны существуют на границе между маслом и уксусом. Атмосферные внутренние волны можно визуализировать волновыми облаками: на волновых гребнях воздух поднимается и охлаждается при относительно низком давлении, что может привести к конденсации водяного пара, если относительная влажность близка к 100%. Облака, указывающие на внутренние волны, возникающие при обтекании потоком холмов, называются линзовидными облаками из-за их линзоподобной формы. Менее заметно, цепочку внутренних волн можно увидеть по рябистым облачным узорам, описываемым как «небо с сельдью» или «небо с макрелью». Выброс холодного воздуха из грозы может генерировать внутренние солитонные волны большой амплитуды у атмосферной инверсии. В северной Австралии это приводит к образованию облаков «Утренней славы», по которым некоторые любители острых ощущений скользят, как серферы на океанской волне. Спутники над Австралией и в других регионах показывают, что эти волны могут простираться на сотни километров. Колебания океанического термоклина можно увидеть со спутника, поскольку волны увеличивают шероховатость поверхности там, где сходится горизонтальный поток, что усиливает рассеяние солнечного света (как на изображении в верхней части этой страницы, показывающем волны, генерируемые приливным течением в Гибралтарском проливе).
Математическое моделирование внутренних волн
Теория внутренних волн различается в описании волновых процессов на границе раздела сред и внутренних волн, распространяющихся вертикально. Эти типы волн рассматриваются отдельно ниже.
Внутренние волны в океане
Большинство людей представляют себе волны как поверхностное явление, возникающее между водой (например, в озерах или океанах) и воздухом. Однако там, где в океане вода с низкой плотностью залегает над водой с высокой плотностью, внутренние волны распространяются вдоль границы раздела. Они особенно часто встречаются в районах континентального шельфа мирового океана и там, где пресная вода перекрывает соленую воду в устьях крупных рек. Обычно на поверхности волны проявляются незначительно, за исключением гладких полос, которые могут формироваться в желобах волн. Внутренние волны являются причиной любопытного явления, известного как "мертвая вода", впервые описанного в 1893 году норвежским океанографом Фридтйофом Нансеном. Оно проявляется в том, что судно может испытывать сильное сопротивление движению вперед в, казалось бы, спокойных условиях. Это происходит, когда корабль движется по слою относительно пресной воды, глубина которого сопоставима с его осадкой. Это создает кильватерные внутренние волны, рассеивающие огромное количество энергии.
Свойства внутренних волн
Внутренние волны обычно имеют гораздо более низкие частоты и более высокие амплитуды, чем поверхностные гравитационные волны, поскольку разности плотности (и, следовательно, восстанавливающих сил) внутри жидкости обычно значительно меньше. Длины волн варьируются от сантиметров до километров, с периодами соответственно от секунд до часов. Атмосфера и океан постоянно стратифицированы: потенциальная плотность обычно устойчиво возрастает с глубиной. Внутренние волны в непрерывно стратифицированной среде могут распространяться как вертикально, так и горизонтально. Дисперсионное соотношение для таких волн примечательно: для свободно распространяющегося внутреннего волнового пакета направление распространения энергии (скорость группы) перпендикулярно направлению распространения гребней и впадин волны (фазовая скорость). Внутренняя волна также может быть ограничена конечной областью по высоте или глубине в результате изменяющейся стратификации или ветра. В этом случае говорят, что волна направлена или захвачена, и может образоваться вертикально стоячая волна, при которой вертикальная составляющая скорости группы приближается к нулю. Направленный внутренний волновой режим может распространяться горизонтально, с параллельными векторами групповой и фазовой скорости, аналогично распространению в волноводе. В больших масштабах на внутренние волны влияют как вращение Земли, так и стратификация среды. Частоты этих геофизических волновых движений варьируются от нижней границы частоты Кориолиса (инерциальные движения) до частоты Брунт-Вейзеля, или частоты плавучести (плавучие колебания). Выше частоты Брунт-Вейзеля могут существовать затухающие внутренние волновые движения, например, возникающие при частичном отражении. Внутренние волны приливных частотах генерируются приливным течением над рельефом дна и известны как внутренние приливы. Аналогично, атмосферные приливы возникают, например, из-за неравномерного солнечного нагрева, связанного с суточным движением.
Перевозка на суше планктонических личинок
Транспорт через шельф, обмен водой между прибрежными и открытыми морскими районами, представляет особый интерес в связи с его ролью в доставке личинок меропланктона к часто удалённым друг от друга взрослым популяциям из общих шельфовых резервуаров личинок. Для объяснения переноса планктонических личинок через шельф предложено несколько механизмов, связанных с внутренними волнами. Частота возникновения каждого из этих механизмов зависит от различных факторов, включая рельеф дна, стратификацию водной толщи и влияние приливов.
Внутренние приливные скважины
Подобно поверхностным волнам, внутренние волны изменяются по мере приближения к берегу. Когда отношение амплитуды волны к глубине воды становится таким, что волна начинает ощущать дно, вода у основания волны замедляется из-за трения о морское дно. Это приводит к асимметрии волны, увеличению крутизны её переднего склона и, в конечном итоге, к обрушению волны с образованием внутреннего бора. Внутренние волны часто формируются при прохождении приливов через край шельфа. Наибольшие из этих волн генерируются во время весенних приливов, и волны достаточной силы обрушиваются и распространяются по шельфу в виде боров. Эти боры характеризуются резкими, ступенчатыми изменениями температуры и солености по глубине, внезапным началом подъёмных течений у дна и пакетами высокочастотных внутренних волн, следующих за фронтом бора. Приход холодных, ранее глубоководных масс, связанных с внутренними борами, в теплые, мелководные районы сопровождается резким увеличением концентраций фитопланктона и зоопланктона, а также изменениями в численности видов планктона. Кроме того, в то время как как поверхностные, так и глубинные воды обычно имеют относительно низкую первичную продуктивность, термоклины часто ассоциируются со слоем максимальной концентрации хлорофилла. Эти слои, в свою очередь, привлекают крупные скопления подвижного зоопланктона, который внутренние боры впоследствии подгоняют к берегу. Многие таксоны могут почти отсутствовать в теплых поверхностных водах, но быть обильными в этих внутренних борах. При низких скоростях ветра эти внутренние волны проявляются в виде широких поверхностных плёнок, ориентированных параллельно рельефу дна, которые продвигаются к берегу вместе с внутренними волнами. Воды над внутренней волной сходятся и опускаются в её впадине, а поднимаются и расходятся над гребнем. Эти скопления плавающего мусора также могут содержать высокую концентрацию личинок беспозвоночных и рыб, в разы превышающую концентрацию в окружающих водах. В районах, подверженных воздействию этих явлений, наблюдается более высокая скорость роста асцидий и бриозоев, питающихся взвешенными частицами, вероятно, из-за периодического притока высоких концентраций фитопланктона. Периодическое опускание термоклина и связанное с этим нисходящее течение также могут играть важную роль в вертикальном переносе планктонических личинок.
Застрявшие ядра
Большие крутые внутренние волны, содержащие захваченные, обратно колеблющиеся ядра, также могут переносить объемы воды к берегу. Эти нелинейные волны с захваченными ядрами ранее наблюдались в лабораторных условиях и были предсказаны теоретически. Эти волны распространяются в средах, характеризующихся высоким градиентом скорости и турбулентностью, и, вероятно, получают энергию от волн понижения, взаимодействующих с отмелью выше по течению. Условия, благоприятные для генерации этих волн, также могут способствовать взвешиванию донных отложений, а также планктона и питательных веществ, содержащихся в бентосе на большей глубине.