只有海面才有波浪吗


海洋表面波动起伏是司空见惯的现象,这就是波浪,主要是由于风的影响形成的表面波。通常表面波的波长约几十米,振幅从数十厘米到几米。只有在极端情况下才会形成惊涛骇浪。

其实只要流体存在分层现象,流动的空气和海水的分界面就会产生波动。海洋表面就是海洋与空气的分界面,自然容易产生波动,进而形成波浪。那么海洋内部是什么样的情况呢?随着深度增加以及海水温度、盐度、压力的变化,海水密度逐渐增大。由上至下由于密度的差异,海水被分成很多层,好比是一杯鸡尾酒,只不过层次界面不甚明显而已。大气压力、地震,甚至船舶、潜艇的运动都会对这样分层的海水形成扰动,从而在密度分层界面处形成波动,这就是海洋深处的内波。

内波虽然不像海洋表面波浪那样明显,但因为其隐匿在水中,暗中作祟,使得人们难以防范,因而有“水下魔鬼”之称。探险家弗里乔夫·南森1893—1896年在北极探险时,发现科考船竟然会莫名其妙地减速。经过研究,他才明白船航行时触发了海下的波浪,极大地消耗了船的动能。于是,海洋深处的内波开始引起了人们的注意。1963年,美国“长尾鲨号”核潜艇事件,则让人们认识到内波的巨大威力。中国的潜艇也曾遇到内波,在航行中突然从8米深处被拖至80米深处,险遭不测。

内波有这么强大吗?没错,内波的振幅要比海面波浪的振幅大得多,低的几十米,高的达到上百米;波长至少有几百米,甚至超过1万米。其实这也不难理解,海洋表面处海水和大气的密度差异巨大,而海洋深处分层海水的密度差则很小。根据阿基米德定律(浮力定律),在水中抬起重物比从海面抬到空气中容易得多,所以同样的外力,在海水内部产生的波动要比海面上大得多。目前发现的全球最大规模的内波,是中国台湾的科学家在南海发现的,其振幅达170米,足有50层楼高;底层强烈海流卷起的沙墙如同沙漠风暴,可以形成16米高的沙丘。

不同于海面的波浪,内波是人们无法直接观测到的,那么海洋学家是怎样研究它的呢?随着科学技术的进步,科学家可以把大量先进的仪器布放在海洋深处,观测深海中海水流速、温度、密度的变化,利用所获得的大量观测数据,通过计算机的复杂计算,就可以模拟出我们肉眼看不到的内波。


“奋进号”航天飞机探测到的苏禄海内波

内波威力巨大,是一种重要的海水运动,既能将海洋上层能量传至深层,也能将深处较冷的海水连同其中的营养物质带到较暖的浅层,从而促进生物的生长。内波的研究对于军事更有重要的意义,虽然潜艇遭遇内波时可能非常凶险,但是内波导致的波动,也会强烈干扰声呐的功能,这样给敌方的监听造成困难,有利于潜艇的隐蔽。