無風(fēng)不起浪
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風(fēng)浪示意圖 |
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“無風(fēng)不起浪”，這是我國的一句俗語，這句話明確地說明了海洋中風(fēng)浪生成的外部原因。通常把在風(fēng)的直接作用下，海面產(chǎn)生的波動叫做風(fēng)浪。既然風(fēng)浪是由風(fēng)的作用產(chǎn)生的，那么風(fēng)是如何產(chǎn)生浪的呢?風(fēng)浪生成后，又是怎樣成長和衰減的呢?這是一個很復(fù)雜的過程，到現(xiàn)在為止，人們對這種物理過程了解得還很不夠。
先來說風(fēng)是如何產(chǎn)生浪的。這個問題看似簡單，卻是海浪研究中最基本、也是最困難的。這里實際上有兩個方面的問題：一個是風(fēng)的能量怎樣傳遞給水面，并且生成最初的風(fēng)浪；另一個是進入風(fēng)浪里的能量在波浪運動中如何重新進行分配。
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建在淺海的觀測樁，上
面裝有儀器觀測海洋現(xiàn)象 |
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目前，關(guān)于風(fēng)浪生成主要有兩種解釋。一種解釋認為，由于風(fēng)的壓力分布不一致，使得局部水面受壓而產(chǎn)生波動。風(fēng)浪一旦產(chǎn)生，風(fēng)力便可以直接發(fā)生作用，浪就會繼續(xù)增長。另一種解釋根據(jù)流體力學(xué)的觀點，認為兩種相互接觸的流體發(fā)生相對運動的時候，流體的接觸面就變得不穩(wěn)定，必須形成一定的波面才能維持平衡。當水面上稍微出現(xiàn)一些凹凸時，在凹凸面上各點氣流的速度便不相同，凸處的風(fēng)速增大，壓力減小，造成這里有上升的趨勢；而在凹處卻相反，風(fēng)速減小，壓力加大，造成下降的趨勢。這樣一來，就加大了水面的不平，而水的表面張力和重力又有使水面恢復(fù)原狀的趨勢，這就形成了風(fēng)浪運動。風(fēng)很弱時，海面保持平靜，當風(fēng)速達到一定速度時，海面就開始出現(xiàn)毛細波。毛細波的波長很短，波高很小，可以把這種波看成是海面上的皺紋，它只存在于海面的很薄一層水面上。風(fēng)再繼續(xù)吹刮，促使毛細波的波長和波高增大，變成重力波。風(fēng)的能量借助于氣流和海面的摩擦作用，可以直接施加在波浪的迎風(fēng)坡上。當風(fēng)速大于波速時，波浪始終受到風(fēng)的壓力作用，風(fēng)的能量不斷地輸入水體，使風(fēng)浪的波高和波長不斷增大。尤其在風(fēng)速為波速的3-4倍時，波浪吸收的能量最強，波高和波長增長得最快，逐漸形成較大的風(fēng)浪。隨著風(fēng)浪的增大，波的速度也相應(yīng)增大。直到波速等于風(fēng)速時，波浪就不再從風(fēng)那里接受能量，風(fēng)浪停止發(fā)展，這時候的浪也就是在這種風(fēng)速下的最大浪了。
當風(fēng)向改變，或是風(fēng)停止以后，由于慣性的作用，風(fēng)浪仍然沿著原來的方向傳播，這時，由于空氣的阻力等原因，波浪的表面變得很光滑，叫做涌浪。涌浪在傳播過程中，不僅得不到能量，反而因為空氣的阻力而消耗能量，在傳到淺水地區(qū)時，海底的摩擦也消耗能量。能量消耗的結(jié)果，使海浪的波高比原來的波高要小，周期和波長卻愈來愈長。涌浪的出現(xiàn)，預(yù)示著海浪已進入消衰階段。
總而言之，風(fēng)浪的生成、發(fā)展和消衰，取決于能量的攝取和消耗之間的關(guān)系。當能量的收入大于支出時，風(fēng)浪就成長和發(fā)展；反之，風(fēng)浪就趨于衰減和消失。
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