Внутрішні хвилі на пікнокліні

Чому Пікнокліна є Водовідбивною

Пікнокліна утворюється там, де швидка зміна щільності води залежно від глибини, найчастіше через температурний градієнт, який називається термокліною, соляний градієнт, що називається галокліною, або їх комбінацію, оскільки щільність морської води залежить як від температури, так і від солоності. Зазвичай щільність збільшується з глибиною, оскільки холодні, солоні води щільніші за теплі, свіжі води, і ця конфігурація гравітаційно стабільна: якщо парасольку води, виділену з пікнокіни в менш щільну воду зверху, буде щільнішою за своє нове оточення та опускатиметься вниз, а якщо парасольку виділятимуть вниз, вона буде легшою за оточення і підніматись назад. Ця тенденція до відновлення є точно аналогічною гравітаційній силі відновлення, яка рухає звичайні поверхневі хвилі, крім того, що щільність контрасту, який її керує – різниця між двома водяними шарами – набагато менша за щільність контрасту між водою та повітрям, який керує поверхневими хвилями. Оскільки сила відновлення така слабка, пікнокліна може підтримувати великі вертикальні переміщення, іноді десятки метрів, у відповідь на відносно невелику енергію, і це може відбуватися майже без турботи поверхні моря зверху, оскільки верхній легкий шар просто плавно згинається у відповідь на значно більші рухи, що відбуваються в глибині. Ця комбінація слабкої сили відновлення та великого потенційного зміщення визначає ключовий фізичний підпис, який відрізняє внутрішні хвилі від звичайних поверхневих гравітаційних хвиль і пояснює їх характерну повільну швидкість і часто дивовижно велику амплітуду.

Швидкість Хвиль: Зменшена Гравітація та Двошарова Модель

Швидкість поширення внутрішньої хвилі вздовж пікнокліну можна зрозуміти, використовуючи спрощену двошарову модель, де легший шар меншої щільності та товщини знаходиться над щільнішим шаром тієї ж щільності та товщини. У цьому ідеалізованому випадку швидкість внутрішньої хвилі залежить від того, що океанографи називають зменшеною гравітацією – ефективним прискоренням сили тяжіння, масштабованим відношенням різниці щільностей між двома шарами, у поєднанні з гармонічним середнім товщин двох шарів. Оскільки зменшена гравітація зазвичай є лише невеликою часткою звичайної сили тяжіння – часто однією тисячною або менше, внутрішні швидкості хвиль пропорційно повільніші порівняно з поверхневими хвилями в тому ж тілі води, зазвичай від кількох сантиметрів на секунду у слабко стратифікованих озерах до приблизно 1-2 метрів на секунду для сильних океанічних пікноклінів, на відміну від швидкості поверхневих хвиль, які можуть досягати багатьох метрів на секунду. Збільшення контрасту щільності між шарами посилює силу відновлення та збільшує швидкість хвилі, а також збільшення товщин шарів збільшує швидкість за рахунок того, що більший об’єм води бере участь у коливальній русі. Це співвідношення означає, що поведінка внутрішніх хвиль дуже чутлива до вертикальної структури водного стовпа: різкий, тонкий пікноклін із великим стрибком щільності підтримує швидкі, добре визначені внутрішні хвилі, тоді як плавно змінюваний, слабка стратифікація виробляє повільніші, більш розсіяні внутрішні хвилі руху, а в реальних океанах і озерах сезонні та регіональні коливання сили стратифікації значно змінюють характеристики внутрішніх хвиль залежно від місця розташування та часу року.

Зменшена гравітація (reduced gravity) – це ефективне прискорення сили тяжіння, яке враховує різницю щільностей між шарами. Гармонічне середнє (harmonic mean) – це середнє значення, яке враховує як великі, так і малі значення.

Механізми утворення: Припливи, Топографія та Турбулентність

Більшість великих амплітудних внутрішніх хвиль в океані виникають через взаємодію між припливними течіями та підводною топографією, процес, який генерує так звані внутрішні припливи. Коли припливна течія штовхає стратифіковану воду над крутим гребенем, сеamounts або переходом континентального шельфу, пікнокліна змушується коливатися вертикально на частоті припливу, випромінюючи внутрішні хвилі від топографічної особливості, подібно до хвиль, що розповсюджуються від будь-якої турбулентності. У певних місцях, зокрема в Luzon Strait між Тайвань та Філіппінами, цей процес утворення генерує деякі з найбільших внутрішніх хвиль на Землі, з вертикальними зміщеннями, що перевищують сто метрів, які протікають на сотні кілометрів через Південно-Китайське море, перш ніж зрештою руйнуватися та розсіювати свою енергію проти континентальних шельфів. Крім утворення припливами, внутрішні хвилі можуть також виникати завдяки течіям, що рухаються під впливом вітру, по підводним шлюзам, через проходження штормів та атмосферних фронтів, які тимчасово порушують пікноклін, через сліди великих кораблів і підводних човнів, що рухаються крізь стратифіковану воду, та внаслідок колапсу турбулентних ділянок, згенерованих руйнуючимися поверхневими хвилями або нестабільністю на глибині. Після утворення внутрішні хвилі часто посилюються, коли вони протікають у більш мілководді або в областях слабкої стратифікації, процес, який є дуже схожим на те, як звичайні поверхневі хвилі посилюються та руйнуються, коли вони наближаються до берега, зрештою передаючи свою енергію в турбулентне змішування, яке відіграє вирішальну роль у підтримці циркуляції глибоководдя шляхом безперервного перемішування щільних дна вод назад до поверхні.

Способи руху та поверхневі ознаки внутрішніх хвиль

Під час проходження великих внутрішніх хвиль від місця їх утворення, нелінійні ефекти можуть призвести до того, що спочатку гладка хвиля посилиться і розіб’ється на серію коротших, більш різко загострених хвиль – внутрішніх солідних хвиль або одиночних хвиль. Ці хвилі рухаються разом як організований пакет або ланцюг, кожна окрема соліда може підтримувати сталу форму під час проходження, оскільки тенденція до посилення хвилі через нелінійність збалансована дисперсією – тенденцією до розповсюдження через різні довжини хвиль, що рухаються з різною швидкістю. Ці пакети солідних хвиль є однією з найбільш вражаючих та вивчених форм внутрішніх хвиль, оскільки вони повністю відбуваються під водою, але все ж таки створюють вимірний поверхневий сигнал: сильні горизонтальні течії, пов’язані з кожною солідною хвилею, чергуються, зводячи та розширюючи поверхневу воду, створюючи вузькі смуги гладкої, як скло води, що чергуються із більш грубою, текстурованою водою, які можна побачити неозброєним оком з корабля або літака при відповідному освітленні, і чітко проявляються в зображеннях синтетичної апертурної радарної розвідки супутників у вигляді паралельних дугоподібних смуг, які часто простягаються на десятки кілометрів. Ці поверхневі сигнали зробили дистанційне зондування Землі з використанням супутників важливим інструментом для відстеження активності внутрішніх хвиль по всьому світу, оскільки вони дозволяють дослідникам виявляти та картинг місця генерації внутрішніх хвиль та шляхів їхнього розповсюдження через цілі океанські басейни без необхідності безпосереднього вимірювання на місці, хоча підтвердження даних за допомогою прикордонних датчиків і морських профілів залишається важливим для повної характеристики амплітуди хвиль та вертикальної структури.

Чому внутрішні хвилі мають значення: змішування, загрози та проєктування

Внутрішні хвилі значно більше, ніж океанографічна дивовижність; вони є основним рушієм вертикального змішування в океанській внутрішній частині, роль якої надзвичайно важливою для глобального клімату та функціонування екосистем. Коли внутрішні хвилі руйнуються – будь то проти нахилу берегової лінії, континентальних шельгів або через нестабільність шарів у відкритому океанському просторі – вони генерують невеликий рівень турбулентності, який вертикально змішує тепло, поживні речовини, розчинені гази та навіть біологічний матеріал через пігнокліну – бар’єр, який інакше сильно обмежує обмін між поверхневою та глибокою водою. Це змішування, що виникає за допомогою внутрішніх хвиль, тепер визнано важливим компонентом глобального перевертання води, допомагаючи повертати щільні води, утворені в полярних регіонах, назад до поверхні протягом століть – процесу, який не міг би підтримувати молекулярним дифузійним шляхом, враховуючи наскільки повільно цей процес відбувається на океанічних масштабах. Внутрішні хвилі також створюють практичні загрози та інженерні проблеми: сильні, часто непередбачувані течії, пов’язані з великими внутрішніми хвилями та пакетами солютонів, можуть чинити значний тиск на морські платформи, перешкоджати підводному прокладанню кабелів і буріння, а також були причетними до інцидентів, що впливають на субмарини, які можуть відчувати раптові, дезорієнтуючі зміни плавучості та балансування при проходженні через сильно зміщену пігнокліну. Розуміння та прогнозування поведінки внутрішніх хвиль, використовуючи моделі, засновані на фізиці контрасту щільності та глибини шарів, таким чином безпосередньо має значення для навігаційних операцій, проєктування морської інженерії та більш широких зусиль щодо точного представлення змішування океану в кліматичних моделях.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Internal Waves at the Pycnocline і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.