2016年8月18日

死水與內波

作者曹秉鈞目前就讀臺北市立建國中學科學班高三。專長主要為物理以及數學。楊穎堅目前服務於國立臺灣大學海洋所,專長為海洋物理學、海洋內波及海洋現場觀測。










弗里喬夫·南森(Fridtjof Nansen)是位探險家、科學家,亦是位人道主義者,曾於1992 年獲諾貝爾和平獎。(Wikipedia)


1893 年, 挪威探險家南森(FridtjofNansen) 帶領著「前進號(Fram)」探險船航行至北極圈內的諾登舍爾德群島(Nordenskiöld Archipelago)附近海域時,「前進號」受到一股詭異的外力向後拉引,進而使船隻的航行速度減緩、甚至停滯不前。南森將此一奇特又詭譎的現象稱呼為「死水(dead water)」。而這個現象究竟是如何產生的呢?

其實,「死水」現象是與海水內部因上下層密度有所不一而產生的波動──內波(internal wave)有關。此外,先前的報章媒體中,也曾經報導南海有著全世界最大的內波,其振幅甚至可以到達150 公尺以上。究竟內波是如何產生的呢?內波的大小與速度快慢與那些物理參數有關呢?而南海又是如何能夠存在如此巨大的內波呢?本文將透過一系列的簡單實驗,觀察在兩層流體間的介面波(interface wave)性質來探討這些問題。



介面波實驗設計
製作一個水波槽,壓克力板上面畫有方格做為刻度。由於實際海水的密度連續分層現象較難以模擬,故改以兩密度有所差異且經染色的淡水與食鹽水分別代表上下兩層水,觀察淡水與鹽水介面間因擾動而產生的介面波運動性質。實驗進行期間,使用V8 高速攝影機進行影像紀錄,之後再藉由分析這些影像,研究介面波的性質。組裝後的實驗設備如圖一所示。


 圖一:內波實驗設備示意圖,較淡與較濃的顏色分別代表淡水與鹽水,H1、H2、H3、H4 分別代表水層的厚度。

在此實驗中,將使用「重力塌陷」的現象製造介面波。首先,分別將淡水、鹽水染色後並小心調整至所需的高度。再利用閘板於水槽中隔開閘板兩側的淡水及鹽水,並且調整兩邊鹽水的高度差。最後,再藉由抽開閘板時所產生的重力塌陷製造孤立的介面波(圖二)。










圖二:實驗所產生的介面波動。上層橘色液體與下層藍色液體分別為淡水與鹽水。

介面波物理量實驗
本實驗主要是觀察介面波的「振幅」以及「波速」與閘板兩邊的鹽水高度差、上下兩層液體厚度以及上下兩層液體的密度差之關係。此實驗分為三個部分:分別為實驗一:改變鹽水的高度差H2–H4,實驗二:改變上層流體的厚度H3,實驗三:改變兩液體的密度差Δ ρ。......【更詳細的內容請見科學月刊第560期】




沒有留言: