浪花的奥秘

日本有一幅著名的浮世绘(风俗画)“神奈川海浪里”，画的是大海中汹涌澎湃的巨浪，浪花奔腾，一叶扁舟出没在风浪里。苏轼有一首名词《念奴娇·赤壁怀古》，其中有“乱石穿空，惊涛拍岸，卷起千堆雪”的词句。

　　从物理海洋学的角度来分析，上述日本的画和苏轼的词描写的浪花都很准确、很科学。

　　日本浮世绘画的是深水中“风浪”的浪花。顾名思义，也就是风吹成的波浪的浪花。风从空中以某个角度吹向海面，就对海而产生一个压力。这个压力有两个分量：垂直于海面的分量和沿海面切线的分量。前者被海水抵消，后者则驱动海水的质点，迫使它们进行圆周运动，从而形成了海面的起伏，这就是风浪。风越大，风压就越大，波浪的波高和波长也就越大。俗话说“风大浪高”，就是这个道理。

　　不过天有不测风云。如果海面上风向变了，变得与波“逆流”，“风大浪高”就无从谈起了。这时，风反而阻挡了波浪的前进，沿海面切线的压力反而阻挡了海水质点原来的圆周运动，海面不再稳定，波就被风吹成了浪花。因此，风与波逆流是形成浪花的一个必要条件。但很显然，微风肯定阻挡不了波浪的前进，或者说吹成浪花的风速必须足够大，这是形成浪花的另一个必要条件。这个足够大的风速值受波速、海面张力以及海水密度等的影响，十分复杂。根据美国物理学家、诺贝尔奖获得者拉姆的计算，一般至少要在12.5海里／小时以上。

　　那么，风是怎样把波浪吹成浪花的呢?这是因为波峰处水质点作圆周运动的半径大，位置又高，所以动量和势能都大；与此相反，波谷处水质点的动量和势能都小。因而在同样大小的沿海面切线风压的阻挡下，波峰处水质点的速度就大于波谷处，于是波浪变得前后不对称，前倾、弯曲，最后坍塌形成浪花。

　　与深水中的浪花成因不同，苏轼词里描写的是浅水或近岸“拍岸浪”的浪花。如前所述，波浪中的每一个水质点并不是在“随波逐流”，而是在“原地”作圆周运动。越接近海面的质点，圆周运动的半径也就越大。水深到一个波长以下时，水质点就静止了。但是，在浅水或近岸处，由于水与河底或海底的摩擦，水质点的圆周运动已改变为椭圆运动，运动速度则自上而下越来越小。也就是说，波峰处的水质点仍以原来的速度向前运动，但波谷处水质点的速度却慢了很多，这同样会使波浪变得前后不对称，前倾、弯曲。越接近岸边，前倾弯曲越严重。最后终于坍塌，形成了浪花，这叫做“破浪”。拍打在岸边的就叫“拍岸浪”，所激起的浪花就是拍岸浪花。拍岸浪高速扑打在“乱石”上，自然就“惊涛拍岸，卷起千堆雪”了。一个“拍”字，一个“卷”字，十分生动而且科学。

　　浪花绽放时伴随着美妙的歌声。美国科学家利用高速摄影发现，浪花在前倾、弯曲的过程中，浪尖会迅速卷进一部分空气，形成无数支粗细不同的气管。坍塌的瞬间，无数支粗细不同的气管被水挤破，成为数量更多的大气泡和水珠，四处飞溅。浪尖与水而苒次碰撞时，大气泡又会变成数量更多的小气泡和水珠，激荡飞扬。气管的粗细不同，振动所发出的频率和音响就不同。气泡的大小不同，发出的频率和音响也不同。

　　于是粗细不同的气管犹如无数支长号、萨克斯、巴松和低音号，大气泡犹如无数个大提琴、低音提琴和小捉琴，小气泡则像无数个琵琶和古筝，气泡破裂时又像无数架大鼓小鼓，它们同时在演奏!排山倒海，惊天动地。

　　经过分析，科学家发现波浪的频谱特别宽，高次谐波特别丰富，20～8000赫兹间的中低音尤其丰厚。因此，它竟是最适于人耳的最动人心魄的音乐!这是世界上最磅礴、最雄浑、最纯美的浪花的歌唱!

　　

　　责任编辑　张田勘