امواج گرانی (Gravity Waves)، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
امواج گرانی (Gravity Waves) :
امواج گرانی امواجی درون یک سیال یا روی سطح آن هستند که نیروی بازگرداننده اصلی آن ها، گرانش زمین است. رایج ترین مثال، امواج سطحی آب هستند که پس از ایجاد یک اغتشاش، گرانش سعی می کند سطح آب را به حالت صاف اولیه بازگرداند، اما این بازگشت با جهش همراه شده و موج ایجاد می کند. علاوه بر امواج سطحی، امواج گرانی می توانند درون یک سیال لایه بندی شده (مانند اقیانوس که لایه های آب گرم و سرد روی هم قرار دارند) نیز در مرز بین لایه ها ایجاد شوند که به آنها امواج گرانی داخلی می گویند.
امواج گرانی سطحی: این امواج در سطح مشترک بین دو سیال با چگالی متفاوت (معمولا آب و هوا) تشکیل می شوند. برای امواج با طول موج بلند (نسبت به عمق آب)، نیروی بازگرداننده اصلی گرانش است. رابطه پاشندگی برای امواج گرانی سطحی در آب با عمق
\[ h \]به صورت زیر است:
\[ \omega^2 = g k \tanh(k h) \]که در آن
\[ \omega \]فرکانس زاویه ای،
\[ k \]عدد موج و
\[ g \]شتاب گرانش است. در آب عمیق (
\[ kh \gg 1 \])،
\[ \tanh(kh) \approx 1 \]و
\[ \omega^2 = gk \]. بنابراین سرعت فاز
\[ v_p = \omega/k = \sqrt{g/k} \]به طول موج بستگی دارد (امواج بلندتر سریع ترند). در آب کم عمق (
\[ kh \ll 1 \])،
\[ \tanh(kh) \approx kh \]و
\[ \omega^2 = g k^2 h \]، بنابراین سرعت
\[ v_p = \sqrt{g h} \]مستقل از طول موج است.
امواج گرانی داخلی: در یک سیال لایه بندی شده (مانند اقیانوس با گرادیان چگالی قائم)، یک ذره سیال که از لایه تعادل خود جابجا شود، تحت تأثیر شناوری (گرانش) به نوسان درمی آید. فرکانس این نوسان، فرکانس بویانت یا فرکانس شناوری (Brunt-Väisälä frequency) نامیده می شود و به صورت
\[ N = \sqrt{-\frac{g}{\rho}\frac{d\rho}{dz}} \]تعریف می شود. امواج گرانی داخلی می توانند با فرکانس های کمتر از
\[ N \]منتشر شوند. این امواج نقش مهمی در انتقال انرژی و اختلاط در اقیانوس ها و جو دارند. دامنه آنها می تواند بسیار بزرگ (ده ها متر) باشد و گاهی باعث ایجاد ابرهای مواج (مانند ابرهای لنزیشکل) می شوند.
امواج گرانی در جو: جو زمین نیز لایه بندی شده است و امواج گرانی در آن به وفور یافت می شوند. این امواج توسط جریان هوا بر فراز کوه ها (امواج کوهستان)، جبهه های هوا، طوفان ها، و وزش باد بر فراز مناطق ناپایدار ایجاد می شوند. امواج گرانی جوی می توانند تا لایه های بالایی جو (مزوسفر) صعود کنند و بر روی دما و باد تأثیر بگذارند. آنها همچنین در تشکیل ابرهای مواج (مانند ابرهای Lenticular) و گاهی در ایجاد تلاطم هوای صاف (Clear Air Turbulence) که برای هوانوردی خطرناک است، نقش دارند.
کاربردها: مطالعه امواج گرانی برای پیش بینی وضعیت آب و هوا (به ویژه در مناطق کوهستانی)، طراحی سازه های حساس به تلاطم جوی، مدل سازی گردش اقیانوس، و پیش بینی مسیر انتشار آلودگی ها ضروری است. در اقیانوس شناسی، امواج گرانی داخلی بر روی انتشار صوت (که برای سونار مهم است) تأثیر می گذارند. در مهندسی سواحل، پیش بینی ارتفاع و انرژی امواج گرانی سطحی برای طراحی موج شکن ها و سازه های ساحلی حیاتی است.
