บทที่ 8 คลื่นในมหาสมุทร

บทที่ 8 คลื่นในมหาสมุทร

Chapter 8 : Wave

 หัวข้อภายในบทเรียน

1.       Classifying waves 2.       Deep-water waves and shallow water waves 3.       Wind Waves 4.       Swell 5.       Tsunami and seiche 6.       การแตกของคลื่น (wave breaking) 7.       การเปลี่ยนทิศทางของคลื่น

ส่วนนำ

คลื่นในมหาสมุทรเป็นคลื่นแบบหนึ่งซึ่งเกิดจากการเคลื่อนตัวของพลังงานผ่านตัวกลาง ไม่ว่าจะเป็น ของแข็ง ของเหลวหรือ ก๊าซ เมื่อพลังงานเคลื่อนตัวผ่านตัวกลางจะทำให้ตัวกลางเกิดการเคลื่อนตัวในรูปแบบเฉพาะบางครั้งอาจจะเป็นการกระเพื่อมทำให้เห็นว่าลักษณะผิวหน้าตัวกลางยกตัวเป็นสันขึ้นไป สำหรับคลื่นในมหาสมุทรนั้น พลังงานจะเคลื่อนตัวไปเท่ากับความเร็วของคลื่น แต่น้ำไม่ได้เคลื่อนตัวไปด้วย

ถ้าสังเกตถึงลักษณะของนกนางนวลในภาพ ซึ่งลอยตัวนิ่ง ๆ ที่ผิวหน้าน้ำทะเลดังแสดงไว้ในภาพที่ 8.1 จะเห็นว่านกจะเคลื่อนตัวเป็นวงกลม โดยวงกลมนี้จะมีเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากับความสูงของคลื่น ซึ่งแสดงว่าการเคลื่อนตัวของพลังงานบริเวณผิวหน้าน้ำทะเลจะเป็นวงกลม (orbit) เราเรียกคลื่นในลักษณะดังกล่าวว่า orbital wave ซึ่งมักเกิดขึ้นบริเวณขอบเขตเชื่อมต่อระหว่างตัวกลาง เช่น ระหว่างผิวหน้าน้ำกับอากาศ หรือระหว่างชั้นน้ำที่มีความ หนาแน่นต่างกัน  orbital wave นี้จัดเป็นคลื่นก้าวหน้า (progressive wave) แบบหนึ่ง

 ภาพที่ 8.1 การเคลื่อนตัวของนกนางนวลเมื่อคลื่นผิวหน้าน้ำหนึ่งลูกเคลื่อนที่ผ่าน แสดงให้เห็นว่าคลื่นผิวหน้าน้ำมีลักษณะเป็น orbital wave
ที่มา: Garrison (2007)

คลื่นที่เราเห็นกันอยู่โดยทั่วไปจะเกิดจากการพัดพาของลมผ่านผิวหน้าน้ำ แต่ยังมีคลื่น อีก หลายแบบ ที่เกิดขึ้นจากแรงอื่น ๆ เช่นคลื่นที่เกิดจากการสั่นสะเทือนใต้พิภพอันเนื่องมาจาก ปรากฏการณ์ทางธรณีวิทยา หรือน้ำขึ้นน้ำลงเป็นต้น

เมื่อพิจารณาคลื่นบริเวณผิวหน้าน้ำจะพบว่าประกอบด้วยส่วนต่าง ๆ ดังนี้ (ภาพที่ 8.2)

ภาพที่ 8.2 ส่วนประกอบต่างๆของคลื่น
ที่มา: Garrison (1996)

ยอดคลื่น (crest) คือ ส่วนที่สูงที่สุดของคลื่น
ท้องคลื่น (trough) คือ ส่วนต่ำลงไปเป็นแอ่งระหว่างยอดคลื่นสองยอด
ความสูงของคลื่น (wave height, H) คือระยะทางในแนวดิ่งระหว่างยอดคลื่นและ ท้องคลื่น ที่อยู่ติดกัน
ความกว้างของคลื่น (amplitude, a) คือ ครึ่งหนึ่งของความสูงของคลื่น ซึ่งแสดงให้เห็น ระยะทางไกลสุดที่น้ำเคลื่อนที่จากตำแหน่งสมดุลซึ่งจัดเป็นระดับน้ำนิ่ง
ความยาวคลื่น (wave length, L) คือระยะทางตามแนวระนาบจากยอดคลื่นหนึ่งไปยัง ยอดคลื่นถัดไป หรือจากท้องคลื่นหนึ่งไปยังท้องคลื่นถัดไป
คาบของคลื่น (wave period, T) คือ เวลาที่ยอดคลื่นหรือท้องคลื่นที่อยู่ติดกัน ใช้ไปในการเคลื่อนที่ผ่านจุดคงที่จุดหนึ่ง มักใช้เวลาเป็นวินาที เป็นค่าที่วัดหาได้ง่าย เป็นประโยชน์ในการจำแนกชนิดของคลื่น
อัตราส่วนระหว่าง H/L เรียกว่า wave steepness 

เนื่องจากคาบของเวลาคือเวลาในการเคลื่อนที่ของคลื่นลูกหนึ่ง ถ้าเราทราบถึง ความยาวคลื่น และคาบเราจะสามารถคำนวณความเร็วในการเคลื่อนตัวได้ จาก สมการ
        speed (S) = L/T                 

ปัจจัยอีกตัวหนึ่งที่มีความสัมพันธ์กับความยาวคลื่นและความเร็วในการเคลื่อนตัวของคลื่นคือ ความถี่ (f) ซึ่งก็คือจำนวนของคลื่นที่ผ่านจุดใดจุดหนึ่งในหนึ่งหน่วยเวลาซึ่งจะเท่ากับ 1/T

การเคลื่อนที่เป็นวงบริเวณผิวหน้าน้ำทะเลจะทำให้น้ำด้านล่างเคลื่อนตัวเป็นวงด้วยเช่นกันดังแสดงไว้ใน ภาพที่ 8.3 แต่จะเห็นได้ว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของวงจะค่อย ๆ เล็กลงตามระดับ ความ ลึก  โดยทั่วไปคลื่นบริเวณผิวหน้าน้ำจะส่งผลต่อมวลน้ำที่ความลึกถึงครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น เท่านั้น ซึ่งหมายความว่า ที่ความลึกมากกว่าครึ่ง หนึ่งของความยาวคลื่นมวลน้ำจะ ไม่ได้รับพลังงานหรืออิทธิพลใด ๆ จากคลื่น บริเวณผิวหน้าน้ำ ตัวอย่างเช่น นักดำน้ำที่ดำน้ำที่ ความลึก 20 เมตร จะไม่สามารถทราบได้ว่ามีคลื่นที่มี ความยาวคลื่น 30 เมตร อยู่บริเวณผิวหน้า น้ำเป็นต้น

ภาพที่ 8.3 การเคลื่อนที่ของอนุภาคผิวหน้าน้ำทะเลแบบ orbital motion ซึ่งมีลักษณะเป็นวงกลม การส่งผ่านพลังงานเกิดขึ้นจนถึงความลึกประมาณครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น
ที่มา: Garrison (2007)