海浪形成原理图(无风不起浪)

2023-04-11 22:06:15 420

　　人有脉搏，医生通过人的脉相变化，能够诊断出病人的病情。大海也有脉搏，无论你什么时候见到大海，总是看到它在那里永不停息地波动着。波涛的起伏，多么像人的脉搏在跳动!根据大海的"脉搏"，不是"诊断"它的病情如何，而能推知它的"脾气好坏"。在巨浪如山的时候，好像大海在"发怒"；微波荡漾的时刻，似乎大海在"心平气和"。千姿百态的波浪，反映着大海变化无常的复杂"心演"，也显示出它力量无穷的"巨大胸怀"。

海浪形成原理图

　　一、大海的“脉搏”

　　海浪是真正的"大力士"。在斯里兰卡的海岸上，有一座距海面60米高的灯塔，竟然被拍岸的巨浪所激起的浪花打碎。在荷兰的阿姆斯特丹港附近，海中有一块20吨重的混凝土块，竟被大海浪抛到7米多高，落到了防波堤上。在苏格兰的海边，有一次巨浪竟把1350吨重的巨石，移动了lO米多远。在加拿大纽芬兰省海岸外，有一座石油钻井平台，被巨浪袭击后，很快倒沉海中，平台上的84名工作人员，没来得及撤离全部遇难。这座石油平台是世界上最大的半潜式钻井平台之一。1952年，有一艘美国轮船，在地中海北部海域被巨浪劈为两段，一段被扔到附近的海岸上，另一段则被甩到老远的海洋中。你看，海浪有多厉害。

　　海洋的恬静瞬间

　　海浪的力量是巨大的。这是因为海浪中蕴藏了巨大的能量，这种能量来自驱动风的太阳，而风则是通过大气和海水界面，将它所获得的能量，传递给了波浪。在海洋上，当风速急变、风向骤转时，各个方向的波浪能就汇集起来；当狂风怒吼时，波浪的能量剧增。据科学家的计算，波高每增加1倍，它所蕴藏的能量就增加4倍。多年来，海洋学家们一直在寻找一种方法，把波浪能提取出来，用它发电供人类使用。但是，波浪总是一起一伏地运动着，要把这运动能转换成机械能并不那么简单。日本人升田，最早研制出以波浪作能源的港口浮标和信号灯。目前，利用波浪能发电比较有成效的，有英国的萨特尔点头鸭，日本的"海明"号船型波浪发电装置。人们正期待着，有一座提取波浪能综合系统及早地投入运转，因为它安全而又没有污染，风和浪又都'是免费使用的。

　　海面大浪

　　波浪的作用，给人们奉献了更多的实惠，反被人们忽视。我们在海水浴场游泳，在平展洁净的沙滩上漫步，躺在上面休浴着阳光，多么惬意舒适；你可曾想过，海滩上这均匀的沙粒，光滑圆浑的石子，都渗透着海浪的辛勤劳作。是它，把大石块击碎，把粗石磨成细砂，日夜不息，年深日久，把泥土淘走，洗净沙粒，铺得平展展的，供人类享用。

　　在长岛海滨，有个半月湾。在那半月形的海滩上，铺满了鹌鹑蛋大小的卵石，当地人叫"球石"，球石有红的，绿的，白的，还有带花纹的。外地人去那儿，坐在海滩上拣球石，都舍不得离开。

　　汹涌的海浪拍打着岸礁

　　宋朝大诗人苏东坡的名句："乱石穿空，惊涛拍岸，卷起干堆雪。江山如画，一时多少豪杰!"他写的是长江，实在有些夸张。用它来形容海浪，则是恰如其分。在岩石岸边，被海浪雕琢成的海蚀崖，那高突的石柱，深邃的石洞，不就是"乱石穿空"吗?那巨浪击岸，浪花飞溅，发出雷鸣般响声，就是"惊涛拍岸，卷起干堆雪"的真实写照。海浪营造出这"如画"的壮美景色，实在功不可没。

　　二、从麦浪说起

　　风浪的波面不对称，在强风下浪花翻滚，泡沫飞溅。

　　没有见过海的人，很难想像海浪是什么样子。那么，我们就从田野里的麦浪说起。

　　每当收获季节，广阔的田野里麦子连成一片。微风吹来，麦穗摆动，此起彼伏，形成阵阵麦浪，滚动着向前传播。这种摆动，在物理学上叫横波，它的特点是，波动起伏与波浪的传播方向垂直。

　　海洋里的波浪非常像田野的麦浪。当你站在海边或者站立在海船之上，就会看到阵阵波浪向岸边滚滚传来。

　　波浪有大有小，那么用什么标准来衡量波浪的大小呢?下面用一个规则的波面，引出关于波浪的一些专用名词，它们都是用来衡量波浪大小的，叫做波浪要素。

　　波面的最高点叫波峰；波面的最低点叫波谷；相邻的波峰和波谷之间的垂直距离叫做波高，波高的单位是米。

　　二微波一排一排地自远方向岸边推进

　　相邻的两个波峰或者两个波谷间的水平距离是波长，波长的单位也是米。

　　波浪起伏一次需要的时间叫波周期。周期是连续两个波峰通过一个固定点所历经的时间间隔，单位是秒。

　　波动形态向前移动的速度叫波速，它表示单位时间内波动传播的距离，单位是米／秒。

　　波浪传播的方向叫波向。表示波浪传播方向的线叫波向线。

　　把垂直于波浪传播方向的各个波峰连结起来的线，叫波峰线。波峰线与波向线是相互垂直的。

　　可以从不同的角度把海洋中的波浪分成许多不同的类型。

　　海浪在海湾的波形走向

　　比如，按生成海浪的原因分类，海浪有风浪、地震波、涌浪等。风浪是在风的直接作用下产生的波浪，它的外形不对称，迎风面缓背风面陡，波峰较尖，在强风下波峰翻倒并破碎，而且还伴有浪花翻滚，泡沫飞溅，风浪的传播方向与风向一致。由海洋地震引起的波浪叫地震波。离开风作用的区域后继续传播的风浪以及风停之后海面上仍然存在的风浪，由于大气的摩擦和能量损耗，波面变得比较光滑，叫做涌浪。涌浪的特征是外形圆滑，波峰线和周期都比较长。由太阳、月亮等天体引潮力产生的波，称为潮波。关于潮波在另外一章里还要进行详细的讲述。海洋内部密度不同的两层海水交界面上形成的波叫内波。

　　人们经常会在海边看到波浪排列得十分整齐，像游行队列经过检阅台一样，一排一排地自远方向岸边推进过来，前排的波峰和后排的波峰保持相等的距离，不会发生交叉。

　　三、皮球在浪里能漂多远

　　波形前进，皮球只是做了一个圆周运动。

　　如果把一个皮球扔到波动的海里，皮球能跟随波浪漂多远？你能回答这个问题吗?在这里，我们还得想一想田野里的麦浪。麦田里，尽管麦浪翻滚，可是麦子还是牢固地扎根在泥土里，麦穗还是牢牢地生长在麦杆上。在发生麦浪的时候，麦穗只是在本身的位置附近摇摆，所有摇摆的麦穗合起来。就构成了波动的形状。

　　这种现象并不只限于麦浪。你可以拿一条长绳子来。一端固定在墙上，一端握在手里用手腕轻轻抖-抖，就会有一个波顺着绳子向前运动。这个波引起了整条长绳的运动，但是，绳子本身并没有向前移动。

　　现在再回到海里的皮球。如果注意观察就会发现，皮球在水中只随着波浪上下颠簸和左右摇摆(见图0125.4.1)。当波峰传过来的时候，皮球被向上举起来，还随着波浪向前移动了一点距离；在波谷到来时，皮球被抛下来，还向后回到了原来的位置。这样的结果，-个波传过去了，也就是说波形向前移动了，而皮球还在原地没有前进，只是随着波动做了一个圆周运动。

　　海水是由无数个非常小的水滴组成的，通常把这些小水滴叫做水质点。当海面上没有风时，表面的水质点保持平静状态，一旦海面上有了风，各个水质点就被吹离了原来的平衡位置，在风和重力的作用下，近似地做圆周运动，运动的中心是原来的平衡位置。无数个水质点按先后次序依次做这样的圆周运动，就形成了向前传播的海浪。这里要强调的是，海浪的传播只是波动形状的传播，水质点本身并不向前移动，而是在平衡位置的周围做圆周运动。

　　海水的水质点是紧密连在一起的，海面出现波动的时候，必然带动它下面的水质点，一个一个往下传。在波峰传过来时，海面的水质点被拾起来，海面以下的水质点也跟着被抬起来；在波谷传过来时，海面的水质点被抛下去，下层的水质点也相应地向下运动。所以在海面发生波动时，海面以下的水层也随着出现类似的波动现象。不过，海面以下的波动要比表面的波动小，这是因为随着深度的增加，波动受到的阻力和摩擦力加大，能量降低，水质点做圆周运动的半径也随之减小，波高也就变小，到了一定的深度，海浪就没有"力气"了，变得愈来愈微弱，最后完全消失。据计算，在离海面一个波长的深度上，波浪只有海面波高的l／500。比如说，海面上的波高为8米，波长为150米，那么在150米深的地方，波高只有0．016米了。我们知道，大洋的水深都超过l000米，所以，尽管海面上会出现惊涛骇浪，但在大洋的深处，仍然是一个平静的世界。

　　四、无风不起浪

　　“无风不起浪”，这是我国的一句俗语，这句话明确地说明了海洋中风浪生成的外部原因。通常把在风的直接作用下，海面产生的波动叫做风浪。既然风浪是由风的作用产生的，那么风是如何产生浪的呢?风浪生成后，又是怎样成长和衰减的呢?这是一个很复杂的过程，到现在为止，人们对这种物理过程了解得还很不够。

　　风浪示意图

　　先来说风是如何产生浪的。这个问题看似简单，却是海浪研究中最基本、也是最困难的。这里实际上有两个方面的问题：一个是风的能量怎样传递给水面，并且生成最初的风浪；另一个是进入风浪里的能量在波浪运动中如何重新进行分配。

建在浅海的观测桩，上面装有仪器观测海洋现象

　　目前，关于风浪生成主要有两种解释。一种解释认为，由于风的压力分布不一致，使得局部水面受压而产生波动。风浪一旦产生，风力便可以直接发生作用，浪就会继续增长。另一种解释根据流体力学的观点，认为两种相互接触的流体发生相对运动的时候，流体的接触面就变得不稳定，必须形成一定的波面才能维持平衡。当水面上稍微出现一些凹凸时，在凹凸面上各点气流的速度便不相同，凸处的风速增大，压力减小，造成这里有上升的趋势；而在凹处却相反，风速减小，压力加大，造成下降的趋势。这样一来，就加大了水面的不平，而水的表面张力和重力又有使水面恢复原状的趋势，这就形成了风浪运动。风很弱时，海面保持平静，当风速达到一定速度时，海面就开始出现毛细波。毛细波的波长很短，波高很小，可以把这种波看成是海面上的皱纹，它只存在于海面的很薄一层水面上。风再继续吹刮，促使毛细波的波长和波高增大，变成重力波。风的能量借助于气流和海面的摩擦作用，可以直接施加在波浪的迎风坡上。当风速大于波速时，波浪始终受到风的压力作用，风的能量不断地输入水体，使风浪的波高和波长不断增大。尤其在风速为波速的3-4倍时，波浪吸收的能量最强，波高和波长增长得最快，逐渐形成较大的风浪。随着风浪的增大，波的速度也相应增大。直到波速等于风速时，波浪就不再从风那里接受能量，风浪停止发展，这时候的浪也就是在这种风速下的最大浪了。

　　当风向改变，或是风停止以后，由于惯性的作用，风浪仍然沿着原来的方向传播，这时，由于空气的阻力等原因，波浪的表面变得很光滑，叫做涌浪。涌浪在传播过程中，不仅得不到能量，反而因为空气的阻力而消耗能量，在传到浅水地区时，海底的摩擦也消耗能量。能量消耗的结果，使海浪的波高比原来的波高要小，周期和波长却愈来愈长。涌浪的出现，预示着海浪已进入消衰阶段。

　　总而言之，风浪的生成、发展和消衰，取决于能量的摄取和消耗之间的关系。当能量的收入大于支出时，风浪就成长和发展；反之，风浪就趋于衰减和消失。

　　五、海风呼啸，海浪滔滔

　　十分壮观的卷跃破浪，是冲浪运动的理想场所。

　　既然风浪是由风引起来的，那么影响风浪生成、发展和衰减的因素又是什么呢?

　　对于深水海域，影响风浪生成和发展的因素，首先是风速。一般地，风的速度越大，产生的风浪也就越大。另一个因素是风时，也就是同一个方向的风连续吹刮的时间。一般地说，风对水面作用的时间越长，水体获得的能量越大，风浪也就越大。自然界中的风，它们的速度和方向都是不断变化着的，根据某一个确定的风向，明确地确定风时是不容易的。风向变动可能生成不同方向的风浪，但这些风浪中绝大多数都集中在与平均风向成30。角的范围之内，因此，当考虑确定风时的时候，就可以近似地把这个方向在30。范围内变化的风，都包括在内。