Cel Zaobserwowanie tworzenia się i rozchodzenia fal wewnętrznych. Wprowadzenie

Gęstość – parametr fizyczny mówiący o stosunku masy do objętości danej substancji.Na gęstość wody wpływa przede wszystkim temperatura. W przypadku wody morskiej, istotną rolę odgrywa również zasolenie, czyli masa soli w 1 kg wody morskiej oraz głębokość. Fala wewnętrzna – jest to zaburzenie, które rozchodzi się na granicy substancji o różnej gęstości. W związku z tworzeniem się warstw o zmieniającej się skokowo temperaturze, zasoleniu czy gęstości, czyli odpowiednio termoklinie, haloklinie lub piknoklinie, mogą tworzyć się fale zachowujące się podobnie do tych, które obserwujemy na powierzchni. Co więcej, są niezależne od siebie, dlatego mogą występować nawet wtedy, kiedy powierzchnia zbiornika jest zupełnie spokojna. Jeśli dwie identyczne fale rozchodzące się w przeciwne strony nałożą się na siebie, możemy zaobserwować falę stojącą [Wykres 1]. Jest to szczególny przypadek, kiedy miejsca maksymalnych wychyleń (strzałki) oraz punktów pozostających nieruchomo (węzły) nie przesuwają się.

Wykres 1. Przykład fali stojącej z zaznaczonymi charakterystycznymi parametrami - długością fali, węzłami - punktami pozostającymi nieruchomo, strzałkami - miejcami o największych wychyleniach.

Kiedy się tworzą się fale wewnętrzne?

Fale wewnętrzne tworzą się, gdy stabilna granica warstw wody o różnej gęstości (pyknoklina) zostanie zaburzona przez zjawisko występujące w jednej z tych warstw (zwykle powyżej granicy). Do takich zjawisk zaliczyć można wychylenie pyknokliny w górę lub w dół m. in. na skutek silnego sztormu, przypływów i odpływów zależnych od pozycji księżyca, ruchu śruby statku (jeśli jest odpowiednio blisko pyknokliny), czy też zmiany prędkości prądu tuż nad pyknokliną, który przyspiesza podczas okrążania przydennych przeszkód. Wspomniane zaburzenia powodują wychylenie stabilnej granicy warstw wody, która następnie wraca do stanu równowagi dzięki sile grawitacji. Tak powstałe oscylacje to fale wewnętrzne.

Potrzebne przedmioty:

•  Przezroczyste naczynie np. szklanka
• Woda
• Barwnik np. atrament, barwnik spożywczy
• Mieszadło np. łyżeczka, patyczek
• Sól kuchenna (NaCl) Obrazek po lewej stronie przedstawia przykładowy zestaw przedmiotów do wykonania doświadczenia

Przebieg doświadczenia:

1. Przygotowujemy 2 pojemniki z wodą o jednakowej temperaturze.

2. Do jednego z pojemników dodajemy barwnik, do drugiego sól kuchenną (ok. pół łyżeczki) i dokładnie mieszamy zawartość obu pojemników.
3. Następnie słoną wodę delikatnie wlewamy do wody słodkiej. Najlepiej użyć w tym celu mieszadło lub łyżeczkę.
4. Czekamy do momentu gdy w naczyniu powstanie wyraźna, stabilna granica warstw wody o różnych kolorach.
5. Ustabilizowane naczynie delikatnie wychylamy i energicznie przywracamy do stabilnej pozycji. Podczas czynności uważamy aby nie wylać zawartości ani nie przewrócić naczynia. 6. Obserwujemy zachowanie na granicy warstw i na powierzchni wody. Obserwacje

Chwilę po dolaniu słonej wody do słodkiej, woda słona zgromadziła się w dolnej części pojemnika. Niewyraźna w pierwszej chwili granica zaczęła nabierać ostrości i być coraz lepiej widoczna. Stan ten ustabilizował się po kilku sekundach. Jeśli naczynie zostanie wychylone, granica między warstwami wody wychyla się tak samo, jak powierzchnia cieczy. Gdy naczynie zostanie gwałtownie umieszczone w pierwotnej pozycji, układ dąży do powrotu do stanu równowagi. Jednak choć powierzchnia cieczy uspokaja się od razu, na granicy warstw przez dłuższą chwilę obserwujemy wychylanie się warstwy granicznej w górę i w dół. Po kilkunastu sekundach sytuacja ponownie się stabilizuje.

Wnioski

Woda słona i słodka mają różną gęstość, co powoduje powstanie wyraźnej granicy między tymi warstwami - halokliny. W warstwach o dużej różnicy w zasoleniu mieszanie i wyrównanie stężenia soli w obu warstwach praktycznie nie zachodzi lub zachodzi w niewielkim stopniu. Wytworzona haloklina jest stabilna. W momencie kiedy przechylamy naczynie, wywołujemy zaburzenie. Nazywamy je falą wewnętrzną. Rozchodzenie fal obserwujemy tylko na granicy warstw, a nie obserwujemy na powierzchni dlatego, że różnica gęstości pomiędzy warstwami wody jest dużo mniejsza niż między wodą a powietrzem (gęstość wody jest ponad 800 razy większa od gęstości powietrza). Z tego powodu siła grawitacji, która przywraca wodę do pierwotnej pozycji na granicy z powietrzem jest tak duża, że od razu następuje powrót do stanu początkowego i nie obserwujemy zaburzeń. Fala przemieszcza się w stronę przeciwną do zwrotu wychylenia początkowego. Kiedy dociera do ścianki naczynia odbija się od niej i wraca. Dzieje się to wielokrotnie. Najdłużej widzimy te fale, które rezonują z naczyniem, to znaczy ich długość współgra z wielkością naczynia. Ponadto, w tym wypadku możemy obserwować dodatkowo nakładanie się fali odbitej na początkową, dzięki czemu widzimy szczególny przypadek, czyli falę stojącą. Potwierdza to istnienie nieruchomego punktu, który zaznaczony jest czerwoną kropką na rysunku powyżej (węzeł), a po obydwu jego stronach, przy ściankach kubka, widzimy naprzemiennie najwyższy lub najniższy punkt granicy warstw (strzałkę).

Na podst.: www.scienceinschool.org/2012/issue25/ocean/polish Gill A.E., (1982). Atmosphere-Ocean Dynamics. Academic Press, p. 662, ISBN: 9780080570525.

Materiały współfinansowane przez Polską Akademię Nauk w ramach środków na działalność upowszechniającą naukę.