miniaturadaimagem|309x309px|Ondas internas (marcados com setas), causada pelo fluxo das marés, através do Estreito de Gibraltar e tornando visível pela rugosidade da superfície do mar realce a retrodifusão da luz solar As ondas internas são ondas de gravidade que oscilam dentro de um meio fluido, ao invés de sua superfície.http://www.dailymail.co.uk/news/article-2274199/Caught-camera-Huge-UNDERWATER-wave-spanning-hundreds-miles-observed-International-Space-Station.html Para existir, o fluido deve ser estratificado: a densidade deve diminuir de forma contínua ou descontínua com profundidade/altura devido a mudanças, por exemplo, em temperatura e/ou salinidade. Se a densidade muda em uma pequena distância vertical (como no caso da termoclina em lagos e oceanos ou em uma inversão atmosférica), as ondas se propagam horizontalmente como ondas superficiais, mas as velocidades mais lentas, conforme determinado pela diferença de densidade do fluido abaixo e acima da interface. Se a densidade muda continuamente, as ondas podem se propagar verticalmente e horizontalmente através do fluido.
As ondas internas, também chamadas de ondas de gravidade internas, passam por muitos outros nomes, dependendo da estratificação de fluidos, mecanismo de geração, amplitude e influência de forças externas. Se se propagar horizontalmente ao longo de uma interface onde a densidade diminui rapidamente com a altura, elas são especificamente chamadas de ondas interfaciais (internas). Se as ondas interfaciais são de grande amplitude, elas são chamadas de ondas solitárias internas ou solitões internos. Se se mover verticalmente através da atmosfera, onde mudanças substanciais na densidade do ar influenciam sua dinâmica, elas são chamadas ondas anelásticas (internas). Se gerado pelo fluxo sobre a topografia, eles são chamados de Onda Lee ou ondas de montanha. Se as ondas da montanha se rompem, podem resultar em fortes ventos quentes no solo conhecidos como ventos de Chinook (na América do Norte) ou em Vento Fönh (na Europa). Se gerados no oceano pelo fluxo de maré sobre os rios submarinos ou a plataforma continental, eles são chamados de marés internas. Se evoluírem lentamente em comparação com a frequência rotacional da Terra, de modo que sua dinâmica seja influenciada pelo efeito Coriolis, eles são chamados de Ondas de Gravidade ou, simplesmente, de ondas inerciais. As ondas internas geralmente se distinguem das ondas de Rossby, que são influenciadas pela mudança da frequência de Coriolis com a latitude.
Visualização de ondas internas Uma onda interna pode ser facilmente observada na cozinha, inclinando lentamente para frente e para trás uma garrafa de molho de salada - as ondas existem na interface entre o óleo e o vinagre.
As ondas internas atmosféricas podem ser visualizadas por nuvens de onda: nas crestas das ondas, o ar aumenta e esfria na pressão relativamente mais baixa, o que pode resultar em condensação de vapor de água se a umidade relativa for próxima de 100%. As nuvens que revelam as ondas internas lançadas pelo fluxo sobre as colinas são chamadas de nuvens lenticulares devido à aparência dessas lentes. Menos dramaticamente, um trem de ondas internas pode ser visualizado por padrões ondulados da nuvem descritos como céu de Herringbone ou céu de Mackerel. A saída de ar frio de uma tempestade pode lançar ondas solitárias internas de grande amplitude em uma inversão atmosférica. No norte da Austrália, estes resultam em nuvens Morning Glory, usadas por alguns aturdidos para deslizarem como um surfista que anda em uma onda oceânica. Satélites sobre a Austrália e outros lugares revelam que essas ondas podem abranger muitas centenas de quilômetros.
As ondulações da termoclina oceânica podem ser visualizadas por satélite porque as ondas aumentam a rugosidade da superfície onde o fluxo horizontal converge, e isso aumenta a dispersão da luz solar (como na imagem no topo desta página mostrando ondas geradas pelo fluxo de maré através da Estreito de Gibraltar).
Flutuabilidade, gravidade reduzida e frequência de flutuabilidade De acordo com o princípio de Arquimedes, o peso de um objeto imerso é reduzido pelo peso do líquido que ele desloca. Isto é válido para uma parcela fluida de densidade cercado por um fluido ambiente de densidade . O seu peso por unidade de volume é , em que é a aceleração da gravidade. Dividindo-se por uma densidade característica, , dá a definição da gravidade reduzida:
Se , é positivo, embora, em geral, é muito menor do que . Porque a água é muito mais densa do que o ar, o deslocamento da água pelo ar de uma onda de gravidade superficial sente quase a força total da gravidade (). O deslocamento da termoclina de um lago, que separa a superfície mais quente das águas profundas mais frias, sente a força de flutuação expressa através da gravidade reduzida. Por exemplo, a diferença de densidade entre a água de gelo e água em temperatura ambiente é de 0.002 a densidade da característica da água. Assim, a gravidade reduzida é de 0,2% que a da gravidade. É por esta razão que as ondas internas movem em câmera lenta em relação à ondas de superfície.
Considerando que a gravidade reduzida é a variável chave que descreve a flutuabilidade das ondas internas interfaciais, uma quantidade diferente é usada para descrever a flutuabilidade em um fluido continuamente estratificado cuja densidade varia com a altura como. Suponha que uma coluna de água está em equilíbrio hidrostático e uma pequena parcela de fluido com densidade é deslocada verticalmente por uma pequena distância de . O dinamismo da restauração de força resulta em uma aceleração vertical, dada por(Sutherland 2010, pp 141-151)
Esta é a equação da primavera cuja solução prevê deslocamento vertical oscilatório sobre no tempo com frequência dada pela frequência de flutuabilidade:
O argumento acima pode ser generalizado para prever a frequência, , de um pacote fluido que oscila ao longo de uma linha em um ângulo vertical: . Esta é uma maneira de escrever a relação de dispersão para ondas internas cujas linhas de fase constante se encontram em um ângulo para o vertical. Particularmente, isto mostra que a flutuação de frequência é um limite superior permitido interno frequências da onda.
Modelagem matemática de ondas internas A teoria de ondas internas difere na descrição de interfacial ondas na vertical e na propagação de ondas internas. Estes são tratados separadamente abaixo.
Ondas interfaciais No caso mais simples, considera-se um fluido de duas camadas no qual uma laje de fluido com densidade uniforme supera uma laje de fluido com densidade uniforme . Arbitrariamente, a interface entre as duas camadas é levado para ser situado na O fluido nas camadas superiores e inferiores são considerados irrotacional. Assim, a velocidade em cada camada é dada pelo gradiente de um potencial de velocidade, e o potencial em si satisfaz equação de Laplace:
Supondo que o domínio é ilimitada e bidimensional (no plano ), e supondo que a onda é periódica em com o número de onda as equações em cada camada reduz a uma segunda ordem equação diferencial ordinária em . Insistindo em soluções delimitadas, o potencial de velocidade em cada camada é
e
com a amplitude da onda e a sua frequência angular. No desenvolvimento dessa estrutura, correspondentes condições têm sido utilizados na interface necessita de continuidade de massa e de pressão. Estas condições também dar a dispersão relação:
em que a gravidade reduzida é baseado na diferença de densidade entre as camadas superiores e inferiores:
com a gravidade da Terra. Observe que a relação de dispersão é a mesma que para a profundidade de água, ondas de superfície por definição
Ondas internas em fluido uniformemente estratificado A estrutura e a relação de dispersão das ondas internas em um fluido uniformemente estratificado são encontradas através da solução da conservação linearizada das equações de massa, momentum e energia interna assumindo que o fluido é incompressível e a densidade do fundo varia em uma pequena quantidade (a aproximação de Boussinesq) . Supondo que as ondas são bidimensionais no plano x-z, as respectivas equações são
em que é a perturbação densidade, é a pressão, e é a velocidade. O ambiente densidade muda linearmente com a altura, como dado por e uma constante, é a característica do ambiente densidade.
Resolvendo as quatro equações em quatro incógnitas para uma onda da forma dá a dispersão em relação
em que é a flutuação de frequência e é o ângulo do vetor número de onda para o horizontal, que é também o ângulo formado pelas linhas de constante de fase para a vertical.
A velocidade de fase e velocidade de grupo encontrado a partir da dispersão relação prever o incomum propriedade que eles são perpendiculares e que os componentes verticais da fase de grupo e velocidades de ter sinal oposto: se um wavepacket se move para cima, para a direita, as cristas se movem para baixo, para a direita.
Ondas internas no oceano direita|miniaturadaimagem|400x400px|Ondas internas em torno da ilha de Trindade e Tobago, visto do espaço A maioria das pessoas pensa em ondas como um fenômeno superficial, que atua entre a água (como em lagos ou oceanos) e o ar. Quando a água de baixa densidade se sobrepõe a água de alta densidade no oceano, as ondas internas se propagam ao longo do limite. Eles são especialmente comuns nas regiões da plataforma continental dos oceanos mundiais e onde a água salobre sobrepõe a água salgada na saída dos grandes rios. Normalmente, há pouca expressão superficial das ondas, além de bandas lisas que podem se formar sobre a calha das ondas.
As ondas internas são a origem de um curioso fenômeno chamado de água morta, relatada pela primeira vez em 1893 pelo norueguês oceanógrafo Fridtjof Nansen, em que um barco pode enfrentar forte resistência ao movimento para a frente, aparentemente, em condições calmas. Isso ocorre quando o navio está navegando em uma camada relativamente água doce, cuja profundidade é comparável a um rascunho do navio. Isso faz com que uma sequência de ondas internas que dissipa uma quantidade enorme de energia.
Propriedades de ondas internas As ondas internas tipicamente têm freqüências muito baixas e amplitudes maiores do que as ondas de gravidade superficial porque as diferenças de densidade (e, portanto, as forças de restauração) dentro de um fluido são geralmente muito menores. Os comprimentos de onda variam de centímetros a quilômetros com períodos de segundos a horas, respectivamente.
A atmosfera e o oceano estão continuamente estratificada: densidade potencial geralmente aumenta de forma constante para baixo. As ondas internas continuamente estratificada médio pode propagar-se na vertical, como na horizontal. A relação de dispersão para tais ondas é curioso: Para um livre de propagação de onda interna de pacotes, a direção de propagação de energia (velocidade de grupo) é perpendicular à direção de propagação da onda de cristas e calhas (velocidade de fase). Uma onda interna também pode ficar confinada a uma região finita de altitude ou profundidade, como resultado de diferentes graus de estratificação ou de vento. Aqui, diz-se que a onda é conduzida ou presa, e uma onda verticalmente estável, onde o componente vertical da velocidade do grupo se aproxima de zero. Uma onda interna de dutos modo pode propagar horizontalmente, com grupo paralelo e os vetores da velocidade de fase , análoga à de propagação dentro de uma guia de ondas.