界面波

名詞介紹

界面波也稱內(nèi)波最低態(tài)。發(fā)生在兩種不同密度流體界面處的波動(dòng)。其波振幅在界面處具有最大值，隨著與界面距離增大而以雙曲正弦形式遞減。其傳播速度比表面波波速低得多，若上下兩流體層都較厚時(shí)，則兩者之比為兩流體相對(duì)密度差之平方根。

內(nèi)波理論

在最簡(jiǎn)單的情況下，考慮一個(gè)兩層流體，其中具有均勻密度的流體的均勻密度ρ1覆蓋著具有均勻密度的流體平板ρ2。 任意地，兩層之間的界面被認(rèn)為位于z = 0。 上層和下層中的流體被認(rèn)為是非旋轉(zhuǎn)的。 因此，每層中的速度由速度勢(shì)的梯度給出，電位本身滿足拉普拉斯方程：

假設(shè)域是無界和二維的（在x-z平面中），并且假設(shè)波在x中是周期性的，波數(shù)為k> 0，則方程 在每層中減少到z中的二階常微分方程。 如果用有界解決方案，每層的速度勢(shì)能是

和

A：波的幅度，w：角頻率。 在得出這種結(jié)構(gòu)時(shí)，在需要質(zhì)量和壓力連續(xù)性的界面處已經(jīng)使用了匹配條件。 這些條件也給出了分散關(guān)系1：

其中減少的重力g'基于上層和下層之間的密度差：

g地球的重力常數(shù)。 注意，通過設(shè)置g'= g，色散關(guān)系與深水表面波的關(guān)系相同。

內(nèi)波

概念

“內(nèi)波”從字面上看，就是發(fā)生在流體內(nèi)部的波動(dòng)?！皟?nèi)波”的產(chǎn)生，應(yīng)具備兩個(gè)條件，一是流體密度穩(wěn)定分層；二是要有擾動(dòng)源，兩者缺一不可。內(nèi)波既出現(xiàn)在大氣當(dāng)中，也普遍出現(xiàn)在海洋當(dāng)中。

內(nèi)波是一種水下波，通常發(fā)生在分層介質(zhì)中，是在海洋內(nèi)部密度不均勻水層間發(fā)生的一種波動(dòng)。只要海水密度穩(wěn)定分層，并有擾動(dòng)源存在，內(nèi)波就會(huì)產(chǎn)生。由于內(nèi)波的能量比相應(yīng)的表面波小得多，只需小小的擾動(dòng)就能引起內(nèi)波的形成，且這種擾動(dòng)是普遍存在的。因此，內(nèi)波像海面波浪一樣廣泛發(fā)育于各大洋中，只是其波長(zhǎng)、振幅、周期、傳播速度及存在深度有很大的變化。由于內(nèi)波的存在，在界面上下水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向相反，在界面處發(fā)生最大速度剪切，可形成速度可高達(dá)1. 5m/s以上的內(nèi)波流，猶如銳利的剪刀，破壞力極大。2

區(qū)別

內(nèi)波與表面波雖然都是液體波動(dòng)，但它們又各不相同。空氣與水的密度相差近千倍，在海面形成的波浪，它的波動(dòng)最大值在海面，隨著深度增加而減少，到達(dá)一定深度就消失了。

海水密度隨著水溫鹽度及壓力的不同，通常由上至下密度逐漸增大，形成穩(wěn)定連續(xù)密度層結(jié)，密度梯度一般在O（0.001）的量級(jí)。在外力擾動(dòng)下，就會(huì)海水內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)波，因此海洋內(nèi)波是一種非常普遍的現(xiàn)象。

內(nèi)波的振幅，一般要比表面波高大得多，從幾十米甚至達(dá)到上百米；內(nèi)波的波長(zhǎng)，一般有幾百米，甚至萬米以上。這主要是由于海水密度和空氣密度的差異不同引起的。因?yàn)橥瑯拥耐饬Γ购Ｋ畠?nèi)部產(chǎn)生的波動(dòng)，要比海面上大很多。這種現(xiàn)象用阿基米德原理是不難解釋的，猶如在水中抬起重物，比由海面抬到空氣中要省力很多。3