Внутренние волны

Внутренние волны — волны, распространяющиеся внутри жидкости или газа.

Для возникновения внутренних волн нужен перепад плотности. В жидкости небольшой перепад плотности может возникнуть из-за изменения температуры и солёности с глубиной. Поскольку эта разница не велика, то внутренние волны имеют малую скорость распространения. С другой стороны амплитуда внутренних волн может быть велика, поскольку для их возникновения не нужно большой энергии. Самые простой и наблюдаемый пример внутренних волн — внутренние волны в воде.

Физика внутренних волн

Рассмотрим схематический вариант возникновения внутренней волны. Предположим для начала, что водный слой находится в положении равновесия и равнодействующая всех внешних сил равняется нулю. По некоторым причинам, определенный объем воды изменил своё положение по вертикали на z. Воду мы принимаем за несжимаемую среду (плотность постоянна), однако плотность окружающей среды изменилась на $\Delta \rho ={\frac {d\rho }{dh}}z$, где ${\frac {d\rho }{dh}}$ - градиент плотности в данной точке. Уравнение движения сместившегося объема представляет собой уравнение гармонических колебаний с частотой $\omega ={\sqrt {{\frac {g}{\rho }}{\frac {d\rho }{dh}}}}$. В большинстве случаев вертикальный градиент плотности невелик, по этой причине внутренние волны имеют большую амплитуду в сравнении с поверхностными, а также у них большой период - порядка 4 часов.

Приняв во внимание малость градиента плотности, необходимо учесть изменение объема сместившейся жидкости за счет изменения давления, которое выражается поправкой в формуле для частоты $\omega$. Эта формула носит название частоты В.Вяйсяля и Д.Брента.

Связь с поверхностными волнами

Внутренние волны создают временные течения, в том числе на поверхности воды. Поэтому если поверхностные волны идут против этого течения, то они укорачиваются и поверхность воды в этом месте выглядит тёмной и шероховатой. Если же поверхностные волны идут вдоль течения, то они удлиняются и поверхность воды в этом месте выглядит гладкой. При этом уменьшения амплитуды поверхностных волн не происходит.

При смене направления ветра изменяется направление поверхностных волн, а на внутренние волны слабый ветер не оказывает влияния. Поэтому картина светлых и тёмных участков может быстро изменяться при изменении направления ветра.

Внутренние волны, подходя к поверхности, вызывают перераспределение поверхностно-активных веществ, которые в свою очередь влияют на коэффициент отражения электромагнитных, в том числе световых, волн, что и позволяет обнаруживать внутренние волны дистанционными способами, например, они видны из космоса.

Внутренние волны по сравнению с обычными поверхностными волнами обладают рядом удивительных свойств. Например, групповая скорость внутренних волн перпендикулярна фазовой, угол отражения внутренних волн от откоса не равен углу падения.

Литература

• Глинский Н. Т. Внутренние волны в океанах и морях / Отв. ред. Р. В. Озмидов.. — М.: Наука, 1973. — 128 с. — (Проблемы современной науки и технического прогресса). — 8 500 экз. (обл.)