斯托克斯波(在无限深度的理想流体表面上稳定传播的波)的不稳定性代表了非线性科学领域的基本挑战。一组研究人员最近在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇文章中确定了破碎海浪的起源。

该研究包括两名来自新墨西哥大学数学与统计系的毕业生：前学生SergeyDyachenko(现为布法罗大学数学系助理教授)和AnastasiyaSemenova(现为布法罗大学应用数学系博士后研究员)。华盛顿大学)。该团队还包括华盛顿大学应用数学系的BernardDeconick教授和新墨西哥大学杰出教授PavelLushnikov。

斯托克斯在19世纪发现了稳定传播的表面重力波，它是从海滩、飞机和远洋客轮上很容易看到的海洋涌浪的关键结构。卢什尼科夫解释说：“斯托克斯波是一种表面重力波，在海洋中以恒定速度传播，并且在传播方向上具有空间周期性。”

这些波的主要不稳定性取决于它们的陡度。卢什尼科夫进一步解释说：“我们研究了海洋表面大幅度重力波的不稳定性。最高的此类波浪无法进行分析，而且它们的动力学在很大程度上仍未得到探索，这激发了我们的研究。”

自20世纪60年代以来，本杰明-菲尔或调制不稳定性主导了小振幅波的动力学，导致涌浪的缓慢变化。研究小组证明，对于较陡的波，由波峰局部扰动引起的另一种不稳定性显着超过调制不稳定性的增长率。

使用非线性动力学(红色、金色和绿色线以及插图对应于连续的时间切片)的斯托克斯波(实心黑色)的不稳定性增长表明波浪开始突破暴跌断路器的形成。动力学早期阶段的波廓线由受到最不稳定本征函数(黑色和红色虚线)扰动的斯托克斯波精确捕获。图片来源：新墨西哥大学

“本杰明-费尔或调制不稳定性表征了小振幅斯托克斯波扰动的增长。这种不稳定性的空间尺度大大超过了斯托克斯波的空间周期。在这种情况下，扰动在时间尺度上的增长大大超过了斯托克斯波的时间周期，”卢什尼科夫说。“我们使用共形映射的数学技术，并开发了一种新的无矩阵方法来解决大规模特征值问题。这些工具使我们能够揭示斯托克斯波不稳定性的本质。”

这些主要的局部扰动要么与斯托克斯波同周期，要么具有其周期的两倍。无论哪种情况，不稳定性的非线性演化都会导致快速形成破坏陡峭波浪的崩落碎浪。这种现象解释了为什么长期传播的海洋涌浪由小幅度的波浪组成。海浪的破碎为大气和海洋之间的能量交换提供了关键机制，显着影响全球气候动态。

“太阳加热大气，然后将能量传递到海洋，使海洋升温。通过热导以及空气和水之间的摩擦直接传递能量相对较小。相反，如果表面重力波破裂，它会将大部分能量传递给海洋。”将动能转化为小空间尺度，最终将能量转化为海水的加热。全球气候动态是由大气和海洋的相互作用决定的。”

研究小组成功揭示了导致令人着迷的大海浪破碎奇观的关键机制。通过严格的调查，他们发现了快速波浪破碎在塑造长期传播的海洋涌浪的组成方面所发挥的关键作用。这一新发现揭示了为什么这些膨胀的海浪主要由小振幅波组成。通过深入研究这一现象的核心，该团队不仅揭示了波浪动力学的基本方面，而且加深了对地球海洋中复杂力量的理解。

卢什尼科夫总结道：“我们发现了大海浪破碎这一令人着迷的现象的主导机制。我们发现的快速波浪破碎解释了为什么长距离传播的海洋波浪由小幅度波浪组成。”

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：