Fala Kelvina

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Fala Kelvinafala w oceanie lub atmosferze powstająca na skutek zaburzenia ruchu wody lub powietrza przez siłę Coriolisa, obserwowana w pobliżu linii brzegowej ląd-ocean lub na równiku.

Nazwa fali pochodzi od nazwiska Lord Kelvin, który w 1879 roku jako pierwszy opisał wpływ obrotu Ziemi na fale grawitacyjne w oceanie[1].

Oceaniczne fale Kelvina[edytuj]

Długie fale w oceanie zachowują się inaczej niż fale na wodzie obserwowane w małej skali ze względu na obrót Ziemi. Równania opisujące ruch takiej fali dane są przez tzw. równania płytkiej wody[2].

Brzegowe fale Kelvina[edytuj]

gdzie jest prędkością równoległą do równoleżnika, a prędkość jest prędkością równoległą do południka, jest przyspieszeniem ziemskim, jest parametrem Coriolisa, jest odchyleniem od średniej wysokości kolumny wody. parametr Coriolisa dany jest jako:

gdzie jest prędkością kątową Ziemi, a jest szerokością geograficzną. Dla brzegu równoległego do równoleżnika (dla przykładu, w przybliżeniu polskie wybrzeże Bałtyku jest tak ułożone) przepływ wody jest także w kierunku równoleżnikowym, czyli , wtedy:

Rozwiązania zależą tylko od i można je ogólnie zapisać w postaci:

Związek dyspersyjny jest dany przez . Prędkość grupową fali określa wzór: , prędkość fazową . Prędkość grupowa i fazowa nie zależą od częstości i są sobie równe oznacza to że fala nie ulega dyspersji.

Rozwiązanie równań daje:

Amplituda fal Kelvina zanika eksponencjalnie od brzegu z długością zaniku, nazywaną promieniem Rossby'ego, =. Promień Rossby'ego określa odległość od brzegu gdzie siła Coriolisa wywiera istotny wpływ na charakterystykę fali.

Fale te są obserwowane w Jeziorze Ontario[3] czy też na Kanale La Manche[4].

Równikowe fale Kelvina[edytuj]

Podobne zjawisko zachodzi w oceanie tropikalnym wzdłuż równika gdzie równik odgrywa rolę brzegu. Jeżeli następuje lokalne zwiększenie prędkości wiatru z kierunku zachodniego, wywoływany jest przepływ wody w oceanie z zachodu na wschód. Na samym równiku siła Coriolisa znika. Poza nim, na półkuli północnej, siła ta odchyla cząstki wody na prawo od kierunku przepływu - czyli w kierunku z północy na południe. Z drugiej strony na półkuli południowej następuje odchylenie cząstek wody na lewo od kierunku przepływu, czyli z południa na północ. Powoduje to konwergencję wody na równiku i eksponencjalny zanik jej amplitudy prostopadle do równika. Fala ta nazywa się falą Kelvina schwytaną równikowo (ang. equatorially trapped Kelvin waves). Fala Kelvina jest symetryczna względem równika, a cząstki wody oscylują równolegle do równika.

Atmosferyczne fale Kelvina[edytuj]

Atmosferyczne fale Kelvina na równiku zostały opisane przez Matsuno w 1966 roku [5]. Prędkość atmosferycznych fal Kelvina jest modyfikowana przez konwekcję w atmosferze i oddziaływanie z oceanem[6].

Przypisy[edytuj]

  1. B Wang. Kelvin waves. , s. 7. University of Hawaii, Department of Meteorology. Elsevier Science Ltd. All Rights Reserved. DOI: 10.1006/rwas.2002.0191. 
  2. Adrian E. Gill: Atmosphere-Ocean Dynamics. Academic Press, 1982-12-13. ISBN 978-0-08-057052-5. (ang.)
  3. C. H. Mortimer: Internal Waves Observed in Lake Ontario During the International Field Year for the Great Lakes (IFYGL) 1972: I. Descriptive Survey and Preliminary Interpretation of Near-Inertial Oscillations in Terms of Linear Channel-Wave Models (ang.). 1977-06.
  4. William Thomson. On Gravitational Oscillations of Rotating Water. „Proceedings of the Royal Society of Edinburgh”. 10, s. 92-100, 1880 (ang.). [dostęp 2016-11-13]. 
  5. Taroh Matsuno. Quasi-geostrophic motions in the equatorial area. „J. Meteor. Soc. Japan”. 44 (1), s. 25-43, 1966 (ang.). 
  6. Dariusz B. Baranowski. Air-sea interaction in tropical atmosphere: influence of ocean mixing on atmospheric processes. „arXiv:1603.00902 [physics]”, 2016-03-02 (ang.). [dostęp 2016-11-13].