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2016-04-01「海浪」
556 期
Author 作者
錢樺／國立中央大學水文與海洋科學研究所副教授，研究興趣為海氣交互作用、海陸交互作用以及海洋觀測技術。
假想我們的地球是太空中無重力狀態下的一顆均質的星球，如果表面被水體完整地覆蓋，形成了海洋，基於重力的因素，靜止狀態下海面應當形成一個漂亮完美、晶瑩剔透的圓球，各處的水位都一樣高。
但是事實上由於地球的自轉、太陽及月球的引力，還有加上大氣影響，地球上海表面的水位隨著時間與空間一直起伏不定。更精確地說，這些起伏不定的，其實是大氣與海洋的交界面。大家都知道，大氣與海水都是流體，流體和流體本來可以相互混合，但是海水的密度比海表大氣高了將近800倍，因為密度的差異，這兩種性質迥異的流體形成的顯著的分層，分層的交界面我們稱之為「海表面」。
「週期」
若是你仔細觀察，海表面水位的高低起伏一般具有高度的時間重現性，每隔一段時間水位的漲落就重複一次，形成了類似震盪的現象。這些震盪不僅在時間上重複出現，在空間上也是如此。時間上重現的間隔稱為週期，其倒數為頻率（frequency）；空間上的則稱為波長，其倒數為周波數（wavenumber）。此處介紹大家一個非常重要的概念是：當頻率與周波數兩者之間，若是存在某種可利用數學方程式描述的關係時，這樣的震盪就稱之為波動（wave motion），而這個數學方程式就稱為分散關係（dispersion relation-ship）。也就是說：若能找到某種震盪的分散關係存在，則該震盪是一種波動，才具有波動的性質，否則該水位震盪可能是以流動或是紊流等其他機制控制。
舉一個例子來說，小溪有時會因水流受底床的大石頭影響流速快慢而形成水面的起伏，這起伏沿著河道呈現空間上的週期性，但是這個起伏卻不太隨時間改變位置，也就是時間上沒有週期性，所以其頻率與波長無關，不屬於波動。由此可知：海面上的波光粼粼和小溪上波光粼粼，它們產生的機制可能是不一樣的。
先來看看各種水面波動，週期短至可以秒為單位、長至以日甚至月為單位，同樣地，在空間上，最短的僅為數釐米、最長可達數千公里，它們涵蓋的時間與空間尺度範圍很大、機制也不相同，特性也太過複雜。
為了研究方便，我們常常先以週期長短來進行分類：一般常見的波動，最短週期的是表面張力波（Capillary Wave），或稱為毛細波，其週期在1秒以下，波長3公分以下。它是由風引起的，是海面粗糙度與海表摩擦力最主要的來源，也是衛星遙測海洋重要的訊號反射機制。由它名字就知道，這類波動中，水分子間的表面張力是控制它傳遞最重要的因子，所以當水表面因為有表面活性劑或是油污造成表面張力改變的時候，很容易就可以由衛星遙測資料中辨識判讀出來。......【更多內容請閱讀科學月刊第556期】