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Ein Wunder der Natur: Wissen Sie, wie sich innere Wellen in verschiedenen Flüssigkeiten bilden?
Die Wellen, die wir in unserem täglichen Leben sehen, stellen oft die Grenze zwischen Luft und Wasser dar, aber tatsächlich gibt es in der Natur eine Art von Welle, die nicht leicht zu erkennen ist – innere Wellen. Diese Art von Welle entsteht innerhalb des flüssigen Mediums und nicht auf seiner Oberfläche. Um innere Wellen zu bilden, muss die Flüssigkeit geschichtete Eigenschaften haben, was bedeutet, dass sich die Dichte der Flüssigkeit mit Änderungen der Tiefe oder Höhe ändert, normalerweise aufgrund von Änderungen der Temperatur oder des Salzgehalts.
Die Existenz und das Verhalten interner Wellen verdeutlichen die Komplexität und Wunder der Natur.
Solche Wellen entstehen, wenn Dichteänderungen über kleine vertikale Distanzen auftreten. In Thermosphären in Seen und Ozeanen oder in umgekehrten Schichten der Atmosphäre breiten sich diese Wellen beispielsweise horizontal wie Oberflächenwellen aus, ihre Geschwindigkeit wird jedoch durch den Dichteunterschied zwischen der Grenzfläche darüber und darunter begrenzt. Ändert sich die Dichte hingegen kontinuierlich mit der Höhe, können sich diese Wellen nicht nur horizontal, sondern auch vertikal ausbreiten. Interne Wellen haben viele andere Namen, abhängig von der Mechanik ihrer Entstehung, ihrer Amplitude und dem Einfluss äußerer Kräfte.
Arten interner Wellen
Interne Wellen können je nach ihrer Entstehung und ihren Ausbreitungseigenschaften in verschiedene Typen eingeteilt werden. Wenn sich die Wellen horizontal über eine Grenzfläche ausbreiten, an der die Dichte schnell abnimmt, werden sie Grenzflächenwellen (interne Wellen) genannt. Wenn die Amplitude dieser Wellen groß ist, werden sie interne Solitärwellen oder interne Solitonen genannt. Wenn diese Wellen durch erhebliche Änderungen der Luftdichte beeinflusst werden, werden sie als inelastische (interne) Wellen bezeichnet. Charakteristische Beispiele sind: Die durch die Strömung von Landformen erzeugten Wellen werden Lee-Wellen oder Bergwellen genannt. Wenn solche Bergwellen in großer Höhe brechen, können sie am Boden starke, warme Winde erzeugen. „Wind“ wird in Europa „Farnwind“ genannt.
Viele Naturphänomene, wie zum Beispiel Chinook-Winde, sind die spezifischen Auswirkungen interner Wellen, die Menschen über die Wunder der Natur staunen lassen.
Wenn Gezeitenströme über Unterwasserrücken oder Kontinentalschelfs fließen, werden die erzeugten Wellen außerdem als interne Gezeiten bezeichnet, während diese sich langsam entwickelnden Wellen, wenn ihre Dynamik durch den Coriolis-Effekt beeinflusst wird, als Trägheitsgravitationswellen oder Trägheitswellen bezeichnet werden. Interne Wellen werden oft von Rossby-Wellen unterschieden, die durch Breitengradänderungen beeinflusst werden.
Visualisierung interner Wellen
In unserem täglichen Leben lässt sich die Entstehung innerer Wellen durch einfache Experimente beobachten. Kippen Sie die Salatdressing-Flasche langsam hin und her und Sie können deutlich die Wellen zwischen Öl und Essig erkennen. In der Atmosphäre können innere Wellen durch Wellenwolken sichtbar gemacht werden: An den Wellenkämmen steigt die Luft auf und kühlt sich aufgrund des relativ niedrigen Drucks ab. Nähert sich die relative Luftfeuchtigkeit 100 Prozent, können sich Wasserdampfwolken bilden. Diese beim Durchströmen des Geländes erzeugten inneren Wellen bilden linsenförmige Wolken, sogenannte レンズ-Wolken.
In Nordaustralien werden diese Wolken auch „Morning Glow Clouds“ genannt und werden oft von mutigen Seelen zum Gleiten genutzt, genau wie Surfer, die auf den Wellen gleiten. Durch Satellitenbeobachtungen kann die Reichweite dieser Wellen Hunderte von Kilometern betragen. Satelliten können auch beobachten, dass sich die thermosphärischen Wellen des Ozeans mit der Bewegung der Wellen erheblich verändern, wodurch die Oberflächenrauheit in der Region zunimmt und sich somit auf die Lichtstreuung auswirkt.
Auftrieb und Schwankungsfrequenz
Nach dem Prinzip von Archimedes verliert ein flüssiger Gegenstand aufgrund des Gewichts der verdrängten Flüssigkeit an Gewicht, wodurch eine Auftriebskraft entsteht. Diese Auftriebskraft zeigt sich besonders deutlich zwischen Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte. Interessanterweise fühlen sich Wellen, die die Thermosphäre durchqueren, bei inneren Wellen im Wasser auch stärker an, da Wasser viel dichter als Luft ist. Daher bewegen sich interne Wellen typischerweise langsamer als Oberflächenwellen, was sie zu einem wichtigen und spannenden Thema bei der Untersuchung der Fluiddynamik macht.
Die Eigenschaften interner Wellen beeinflussen nicht nur die Bewegung von Gewässern, sondern wirken sich auch tiefgreifend auf die umgebenden Ökosysteme aus.
Durch die eingehende Erforschung der inneren Wellenbildung in verschiedenen Flüssigkeiten können wir nicht nur die magische Wirkungsweise der Natur verstehen, sondern auch die langfristigen Auswirkungen dieser Phänomene auf die Umwelt und den Klimawandel. Angesichts einer so veränderlichen Natur können wir vielleicht darüber nachdenken: Wie können Menschen, abgesehen davon, wie die Wissenschaft diese mysteriösen Phänomene erklärt, besser im Einklang mit der Natur koexistieren?
