2016年4月1日

「海浪」

作者/錢樺(國立中央大學水文與海洋科學研究所副教授,研究興趣為海氣交互作用、海陸交互作用以及海洋觀測技術。)

假想我們的地球是太空中無重力狀態下的一顆均質的星球,如果表面被水體完整地覆蓋,形成了海洋,基於重力的因素,靜止狀態下海面應當形成一個漂亮完美、晶瑩剔透的圓球,各處的水位都一樣高。

但是事實上由於地球的自轉、太陽及月球的引力,還有加上大氣影響,地球上海表面的水位隨著時間與空間一直起伏不定。更精確地說,這些起伏不定的,其實是大氣與海洋的交界面。大家都知道,大氣與海水都是流體,流體和流體本來可以相互混合,但是海水的密度比海表大氣高了將近800倍,因為密度的差異,這兩種性質迥異的流體形成的顯著的分層,分層的交界面我們稱之為「海表面」。

「週期」
若是你仔細觀察,海表面水位的高低起伏一般具有高度的時間重現性,每隔一段時間水位的漲落就重複一次,形成了類似震盪的現象。這些震盪不僅在時間上重複出現,在空間上也是如此。時間上重現的間隔稱為週期,其倒數為頻率(frequency);空間上的則稱為波長,其倒數為周波數(wavenumber)。此處介紹大家一個非常重要的概念是:當頻率與周波數兩者之間,若是存在某種可利用數學方程式描述的關係時,這樣的震盪就稱之為波動(wave motion),而這個數學方程式就稱為分散關係(dispersion relation-ship)。也就是說:若能找到某種震盪的分散關係存在,則該震盪是一種波動,才具有波動的性質,否則該水位震盪可能是以流動或是紊流等其他機制控制。

舉一個例子來說,小溪有時會因水流受底床的大石頭影響流速快慢而形成水面的起伏,這起伏沿著河道呈現空間上的週期性,但是這個起伏卻不太隨時間改變位置,也就是時間上沒有週期性,所以其頻率與波長無關,不屬於波動。由此可知:海面上的波光粼粼和小溪上波光粼粼,它們產生的機制可能是不一樣的。......【更詳細的內容請見科學月刊第556期】


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