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5.波浪的作用
+ v* i) L5 b4 f2 I2 L 5.1为什么会形成由风驱动的波浪？
7 R$ W. h3 i7 ?7 n# {) S) g 波浪是海洋在一定尺度上周期性的上下运动，产生的波峰和波谷。这使得海洋表面呈现出一幅永不平静、不断变化的景象。这种波的形成是由于流动的空气和海洋表面之间的相互作用。(海啸是一种由断层滑动或滑坡引起的水的突然移位而引起的波浪，这种情况相对少见。)  海风为夏威夷附近的冲浪者提供了一个游乐场由风驱动的波浪是如何产生的？想象一下无风的日子里池塘里静止的水。水的水平表面代表着一个平衡面，如果你用船桨把表面向上或向下推，它会由于重力回到那个水平。在表面上，水分子之间的相互吸引比它们吸引上面的空气分子要强烈。 $ e* a$ h+ `; g0 Z/ _
这种引力产生表面张力，使水面表现得有点像弹性薄片。当微风开始吹起，摩擦阻力导致弹性表面拉伸。当它拉伸时，弹性回弹会使它像橡皮筋一样向后，结果，它会皱成波纹。 波浪是由于海洋表面的弹性行为而形成一旦波纹存在，风就会推动它们的侧面，使它们更高。波纹演变成波浪，使水远远超过平衡面。当这种情况发生时，在重力作用下，水下沉。惯性使下沉的水面下降到平衡水位以下。 一旦波浪的大小达到一定程度，重力就会起到恢复力的作接着，水面反弹回来，上升到平衡水平以上，这个过程重复进行，就像悬挂在垂直弹簧上的重物上下运动一样。当你把一颗小石子扔进池塘时，你就会看到这种现象的发生。 7 Q7 ~) T3 m& O
波列(Wave Train)向外传播，穿过水面，可以从扰动的位置移动很长一段距离。海洋中的波列可以远离产生它们的地方。
7 j3 m+ ~0 r2 N' X$ X; q 5.2描述波浪和其运动# M2 I# E2 [) v+ N" W
对于水波，我们可以使用与其它类型波相同的术语。波浪的顶部是波峰，底部是波谷。 用于海浪的术语与用于地震波的术语相同。在波浪中，水粒子会沿着圆形的路径运动。这些圆的直径随深度而减小。波基面出现在波长一半的深度波峰与波谷之间的垂直距离为波高，波高的一半为波幅。两个连续波谷或连续波峰之间的水平距离定义了波长。 0 D' ~# A2 T" x- }: y
在给定的时间内通过某一点的波峰(或波谷)的数量定义了波的频率，两个连续波峰(或波谷)通过之间的时间就是波的周期。波峰或波谷移动时的水平速度就是波速。
) m% n" k( b* r' {" H% W2 J, x 当你观察波的传播时，你可能会有这样一种印象，即构成波的整个水质量都随着波移动。但是把一个软木塞扔进水里，你会看到它在波浪经过时上下来回摆动，它并不随着波浪移动。 y- Y2 A0 d# x p. Q1 @
这是因为在一个理想波中，一个水粒子会呈圆周运动。圆的直径在海洋表面最大，在那里它等于海浪的振幅。随着深度的增加，圆的直径逐渐减小，直到波长约为一半的深度(称为波基面)时，波不发生运动。潜艇在波基面下方航行，享受着平静的水面，而船只则在海面上颠簸。
) M5 L3 X i K5 R. e% @2 y 虽然水分子在理想波中的运动形成了一个圆，但波浪漂移(Wave Drift)，一种伴随波浪通过的整体横向运动，发生在由于风的摩擦阻力而发生波浪的地方。
- ^; ~( E( x5 `" h 通常情况下，波浪的漂移大约等于波长的四分之一，这意味着在经过四波之后，水向前移动了大约一个波长的距离。 . e k" d$ ]& O ^' }6 j4 F9 s
正如我们前面所讨论的，表面流在海洋中形成的原因是波浪漂移。当波浪接近海岸线时，水分子的路径会发生变化，与海底的摩擦会减慢波浪的底部。 在海洋表层附近，风可以引起波浪漂移。当这种情况发生时，水的颗粒会沿着环状的路径运动5.3海浪的大小
. ~$ Q( O% N# t3 d3 Z& n 公海中由风产生的海浪的大小取决于风的强度(空气移动的速度)、风的吹程(Fetch)(吹过的距离)和风吹过的时间长短。在强风中，并不是所有的风能都能形成波浪；有些风吹过浪尖，使水和空气混合，形成白浪。 - I$ Q" F# q$ ^
在开阔的海洋中，由风驱动的海浪能有多大？通过长时间的吹拂，可以产生振幅为2-10m、波长为40-500m的海浪。海洋学家计算出，如果飓风强度的风在太平洋沿岸持续24小时，就会形成15-20m高的海浪。 波浪的大小在一定程度上取决于风的吹取尽管波浪的运动速度总是比产生它们的风慢，但波浪的速度取决于风速：越快的风产生越快的波浪。在开阔的海洋中，海浪的传播速度通常在10-50km/h。物理学家已经证明，波的速度取决于波的波长：波长较长的波比波长较短的波传播得更快。
$ Q8 M- u3 q3 t9 R' Y( m& [ 当风暴吹过一个区域时，它会产生许多不同的波列，每个波列都有不同的波长。由于波列以不同的速度从源向外传播，当它们远离源时，就会彼此分离，这种现象称为波频散(Wave Dispersion)。 有风的地方就会产生许多波浪。它们分散成不同波长的波列因此，当暴风雨中的船只行驶在不同波长的波列上时，它会在混乱的海面上颠簸，而远离震源的船只可能会与有规则间隔的波相交。离开其源头而不受当地风驱动的波被称为涌(Swell)，它们可以在海洋中传播数千公里。
3 b% ]+ K5 p! c g9 u' p# v- ?! S( i 当两个由风驱动的波从不同的方向移动到一起，使波峰重叠，形成一个比任何一个波峰都高的单一波峰时，就会发生相长干涉(constructive interference)。1979年在爱尔兰附近举行的Fastnet帆船赛上，相长干扰产生的巨浪大到足以倾覆300艘参赛帆船中的23艘。 & g) L( l4 S# |( W- [
当东风和西风产生的巨浪相撞时，海浪就形成了。由风驱动的海浪与强洋流的相互作用，或者由海岸线或海底的形状将海浪聚焦到一个小区域，也可以形成非常大的海浪。 $ v& }+ \( f# j' [* A) }9 u! N
有时，这些过程会导致超级巨浪(rogue waves)的形成，也被认为是孤立的波，在特定的时间间隔内上升的高度是大多数经过某个地点的大浪的两倍以上。长期以来人们认为超级巨浪只存在于水手的想象中，现在已经有无数次的记录。 ; f. _$ K- X1 D& ?1 h7 T
例如，在20世纪90年代，北海石油平台上的工作人员记录到近500次遇到异常海浪，其中一些海浪比当时其他海浪高出3-5倍。
3 C2 V# K) B6 H& _. Q 大型船只的甲板被超级巨浪淹没，已知的最大海浪达到了34m。公海上船只的神秘失踪可能是凶猛的海浪造成的。如果巨浪到达岸边，它会把毫无戒心的旁观者冲离码头或海滩。 冲过一艘大船甲板的巨浪
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