陸楊 楊氾
海浪是怎么產(chǎn)生的呢?或許你會說:“有風,然后才有了浪?!睕]錯,俗話說“無風不起浪”。但是,有時,“風平”浪卻不“靜”;有時,風很大,但浪并不高。
其實,根據(jù)維持海浪的動力來源,可以把海浪分為風浪和涌浪。
風浪:風吹起來的浪是風浪,風是維持海浪波動的動力來源,風把自己的能量傳遞給了海水。但這需要一定的積累,如果風的吹程不夠長,或者風速不夠大,浪就很難長高。
涌浪:但是,當浪長到足夠高時,即使風向變了或者風平靜了,浪在慣性的作用下也不會立刻停下,此時的浪就是涌浪。
一個海域既有風浪又有涌浪,則稱為混合浪。
橫波(上)和縱波對比示意圖(繪圖/張玲)
海浪產(chǎn)生后,是怎么傳播的呢?我們把海浪稱作表面重力波,這說明海浪的運動受重力支配。
從物理學的波動理論看,海浪和光一樣,都是橫波,即它的振動方向和傳播方向是相互垂直的。與此相比,生活中常見的彈簧振動是一種縱波,它的振動方向和傳播方向是相同的。
所以,海浪的傳播和光的傳播有許多相似的地方。例如:光在一定條件下會發(fā)生反射或折射,同樣,海浪也會發(fā)生反射和折射;光在碰到障礙物時會發(fā)生衍射,并以某種方式繞過障礙物,同樣,海浪碰到障礙物時也會發(fā)生衍射(通常稱為“繞射”),以某種方式繞過障礙物繼續(xù)傳播。
海浪的“身材”(波長)和“年齡”(周期)之間存在特定的關系,曾經(jīng)有位叫艾利(Airy)的科學家通過數(shù)學推導,給出了它們之間的計算公式?,F(xiàn)在我們知道,最初形成的風浪,它的“年齡”與風向、風速有關;涌浪的“身材”既與“年齡”有關,又與水深有關。
特立獨行的波浪:孤立波
波形像數(shù)學中的正(余)弦曲線的海浪,被稱為線性波,也叫微幅波;波峰較為尖陡、波谷較為平坦的海浪,被稱為非線性波,有一類特殊的非線性波,叫作孤立波。
孤立波只有波峰沒有波谷,是形如鐘罩的單個波形。它通常存在于淺水環(huán)境中,英國科學家羅素最早在運河里觀察到了孤立波。
孤立波可以傳播很遠而不改變自己的波形,和其他孤立波相遇混在一起再分離后,也能保持原來的波形,所以算是較為特立獨行的波浪了。
海浪從遠處奔向岸邊,最終會隨著一聲巨響化作一層層水沫。這種現(xiàn)象在物理學上被稱為海浪的破碎。
海浪的破碎方式有很多種:
崩破波是海浪在較平緩的海灘上破碎形成的,整個過程較為舒緩,不會聽到巨響,但會看到海面泛起的一層層水沫。
卷破波是指海浪波峰前端猶如舌頭般翻卷后,落在波谷上形成的破碎波。由于翻卷的水舌壓縮了其中的空氣,所以會發(fā)出轟鳴聲。
激碎波是從海浪水體下方開始破碎而波峰基本不變的一類破碎波,通常是由較長周期的涌浪,在較陡的海灘上破碎形成的。
無論以上哪種破碎方式,其根本原因都是海浪水質(zhì)點的速度超過了外在波形的傳播速度——當海浪高度超過了水深的0.78倍時,海浪就會破碎。
水質(zhì)點可以理解為一小塊微水團。海浪是一種流體運動。正因為其表面下方不同位置的微水團運動速度不一樣,外在才會表現(xiàn)為波狀的形態(tài)。我們?nèi)庋勰芘袛嗟氖遣ㄐ蔚膫鞑ニ俣龋@和海浪下方水團的運動速度是兩個概念。
船頭、船身兩側(cè)和船尾形成的波浪,我們稱之為船行波
在深海大洋中,平靜的海面會突然形成最大接近10層樓高的巨浪,我們稱之為畸形波(概念圖)
認識海浪的類型和各類海浪的形成、演化規(guī)律,是我們認識海洋、經(jīng)略海洋的重要一環(huán)?,F(xiàn)代科學技術通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測、動力學建模、計算機模擬等手段,已經(jīng)可以對常規(guī)海浪做出較為精準的預報。但是,對于深遠海極端海浪的預報和防控,還有待完善。大海的力量如此神秘,值得我們繼續(xù)深入探索。
(責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游)