Sóng là hiện tượng xảy ra một cách thường nhật xung quanh ta và nó được thể hiện như âm thanh trong không gian, như sự chuyển động của dây đàn, như sóng lăn tăn trong hồ hay sóng cồn giữa biển khơi. Thật không dễ khi mô tả về sóng. Trước khi nghiên cứu sóng, chúng ta điểm qua một số đặc điểm cơ bản của nó.
Sóng truyền các nhiễu động từ phần này đến phần khác của không gian (nhiễu động tạo ra do ném một viên đá xuống hồ đã truyền sóng sang phía bờ bên kia). Sóng truyền nhưng không mang theo bất cứ vật chất nào theo chúng. Vật nổi nhấp nhô theo sự chuyển động lên xuống của sóng, nhưng hầu như dịch chuyển rất ít theo hướng truyền của sóng.
Nhiễu động được truyền đi, tuy nhiên biến dạng sóng là không đáng kể khi chuyển động trên hồ với tốc độ gần như không đổi. Một câu hỏi đặt ra là các vật chất không mang theo trong quá trình truyền sóng, vậy cái gì được mang theo sóng. Câu trả lời chính là năng lượng đã cung cấp cho chuyển động chứ không phải bản thân vật chất chuyển động. Vậy nếu năng lượng, chứ không phải vật chất bị truyền đi thì bản chất chuyển động sẽ như thế nào khi đi qua hồ?
Có 2 vấn đề cần được xem xét: Thứ nhất là chuyển động sóng (vấn đề này đã được trình bày ở trên) và thứ 2 là chuyển động của các chất điểm nước. Các quan trắc trên bình diện về tác dụng của sóng lên một vật nổi thấy rằng các chất điểm nước chỉ chuyển động lên xuống, nhưng nếu quan sát trong trường hợp độ sâu nước lớn hơn nhiều chiều cao sóng thì chuyển động của vật nổi có quĩ đạo gần tròn trên mặt phẳng thẳng đứng, song song với hướng sóng tiến. Một cách tổng quát, các chất điểm nước dịch chuyển xung quanh vị trí cân bằng và chuyển động sóng đã tạo nên dao động đều xung quanh vị trí cân bằng. Vì vậy, các chất điểm nước chuyển động trên cơ sở tổng hợp các lực dịch chuyển và lực phục hồi. Bản chất các lực này được dùng để mô tả các loại sóng khác nhau.
Tất cả các loại sóng đều liên quan tới sóng tiến, trong đó năng lượng chuyển động qua hoặc trên mặt của vật chất. Sóng đứng mà chuyển động của dây đàn ghi ta là một ví dụ điển hình là tổng của 2 sóng tiến chuyển động cùng phương, nhưng ngược chiều.
Sóng chuyển động trong lòng vật chất gọi là sóng nội. Sóng âm và sóng động đất là các ví dụ về sóng nội, tuy nhiên trong chương này chúng ta chỉ xem xét đến sóng bề mặt. Sóng bề mặt là sóng xảy ra khi có sự tiếp xúc giữa không khí và mặt biển mà nguyên nhân là gió thổi trên mặt biển. Các lực ngoài tác động lên chất lỏng cũng có thể tạo nên sóng. Các ví dụ về tạo sóng có thể từ các hạt mưa rơi vào mặt nước, đến các con tàu đi trên biển hay động đất tạo ra.
Thủy triều cũng là một loại sóng gây ra bởi ảnh hưởng của lực hút giữa mặt trăng, mặt trời và trái đất có chu kỳ tương ứng với các lực tạo ra nó. Vấn đề này đã được nghiên cứu trong chương 5 và sẽ được nghiên cứu tiếp trong các chương sau. Tuy nhiên phần
lớn các sóng do các nhiễu động ngẫu nhiên, không chu kỳ tạo ra. Các chất điểm nước dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng và trở lại vị trí đó nhờ lực phục hồi. Lực hồi phục cũng là nguyên nhân làm cho chất điểm nước vượt qua vị trí cân bằng ban đầu. Sự dịch chuyển và phục hồi như vậy đã tạo nên đặc tính dao động của sóng mà dạng đơn giản nhất là chuyển động hình sin, gọi đơn giản là chuyển động tuần hoàn. Với sóng bề mặt, có 2 loại lực phục hồi duy trì chuyển động của sóng: (i) lực hút của trái đất và (ii) sức căng bề mặt, đó là xu thế các phân tử nước liên kết với nhau tạo ra mặt tiếp xúc bé nhất đối với không khí. Hiệu ứng sóng giống như một lớp đàn hồi yếu trải đều trên mặt nước.
Hình 6-1a: Các loại sóng bề mặt
Hình 6-1a biểu diễn mối quan hệ giữa bước sóng, tần số, chu kỳ, bản chất của các lực tạo nên các loại sóng và năng lượng tương ứng của mỗi loại sóng. Sóng không phải do gió tạo ra là sự kết hợp của các sóng có tần số cao di chuyển từ rất xa từ các vùng tâm bão.
Sóng nước chịu ảnh hưởng của cả 2 loại lực trên. Các sóng có bước sóng nhỏ hơn 1.7cm, thì lực phục hồi cơ bản là sức căng bề mặt và các sóng như vậy được gọi là sóng mao dẫn. Các sóng loại này thường liên quan đến phạm trù viễn thám ở ngoài biển.
Tuy nhiên, các nhà hải dương học quan tâm đến các loại sóng có bước sóng dài hơn 1.7cm và lực phục hồi là trọng lực và sóng loại này gọi là sóng trọng lực (hình 6-1a).
Sóng trọng lực cũng có thể tạo ra bởi sự tương tác giữa 2 lớp nước ở đại dương có mật độ khác nhau. Vì chúng tiếp xúc thông qua bề mặt, nên các sóng loại này được gọi là sóng bề mặt, nhưng các nhà hải dương học thường gọi là sóng nội. Sóng nội thường xảy ra ở những nơi mật độ nước tăng nhanh theo chiều sâu, tức là có gradient mật độ lớn. Gradient mật độ là kết quả sự thay đổi của nhiệt độ hoặc độ muối, 2 nhân tố này
kết hợp với nhau tạo nên mật độ của nước biển. Vì sự khác nhau về mật độ giữa 2 lớp nước nhỏ hơn rất nhiều giữa nước và không khí, và chỉ cần một năng lượng nhỏ để dịch chuyển bề mặt tới vị trí cân bằng mới và dao động sẽ được tạo ra dễ dàng hơn ở mặt phía trong hơn là trên mặt biển. Sóng nội bộ chuyển động rất chậm so với sóng trên mặt, nhưng có biên độ lên đến hàng chục mét và chu kỳ rất dài (tính bằng phút, giờ, trong khi sóng bề mặt chỉ tính bằng giây, xem hình 6-1a) và bước sóng lên tới hàng trăm mét so với vài chục mét. Sóng nội rất quan trọng khi nghiên cứu quá trình xáo trộn trong lòng đại dương, nhất là khi sóng có hiện tượng đột biến.
Không phải tất cả các sóng trên đại dương dịch chuyển trên mặt phẳng thẳng đứng.
Chẳng hạn cả đại dương và khí quyển đều quay theo trái đất, sự thay đổi tốc độ quay theo vĩ độ và ảnh hưởng chuyển động quay của trái đất lên các chuyển động trên mặt ngang là nguyên nhân làm lệch hướng của dòng khí và dòng chảy và tạo ra lực phục hồi là nguyên nhân tạo nên sự dao động trên mặt phẳng nằm ngang, vì vậy các dòng phía đông hoặc phía tây có xu thế quay hướng trở lại các vĩ độ cân bằng. Các dao động trên mặt phẳng ngang được gọi là sóng hành tinh và xảy ra ở trên mặt hoặc trong lòng chất lỏng. Đây không phải là sóng trọng lực (nghĩa là lực hồi phục không phải là trọng lực), do vậy không được biểu diễn trọng hình 6-1a.
Năm 1774, Benjamin Franklin đã phát biểu:” Khi gió thổi trên bề mặt nước nó sẽ cọ sát vào mặt nước và tạo gợn trên mặt nước và nếu gió tiếp tục duy trì thì gợn sóng phát triển lớn dần mà ta gọi là sóng.
Nói cách khác, nếu 2 lớp vật chất chuyển động với tốc độ khác nhau khi tiếp xúc với nhau thì sẽ tạo nên ma sát giữa chúng, kết quả là có sự biến đổi mô men và năng lượng. Lực ma sát sinh ra trên bề mặt chất lỏng chuyển động tỉ lệ thuận với bình phương lưu tốc dòng chảy và tương tự lực do gió tạo ra cũng tỉ lệ thuận với bình phương tốc độ gió. Tại bề mặt chất lỏng, hầu hết năng lượng được truyền sang từ gió tạo nên sóng, mặc dù có một tỉ lệ nhỏ năng lượng từ gió được truyền sang cho dòng chảy. Vào năm 1925, Harold Jeffreys đã phát hiện rằng sóng nhận năng lượng từ gió do sự khác nhau về khí áp ở vùng thềm lục địa.
Một trong những hiện tượng quan trọng nhất đối với vùng ven biển là sóng ngắn - loại sóng hình thành do gió. Sóng triều và sóng do động đất tạo thành khác về nguồn gốc với sóng ngắn. Các đặc trưng như bước sóng, chu kỳ sóng đều lớn hơn. Sóng ngắn có chu kỳ từ 2 đến 20(s).
Khi sóng được tạo ra trong các máng sóng cổ điển, thì mọi con sóng là đồng nhất với nhau, nghĩa là chúng có cùng chiều cao, chu kỳ và bước sóng. Sóng loại này được gọi là sóng đều hay còn gọi là sóng đơn (vì chúng có cùng tần số). Để hiểu về sóng nói chung, trước hết cần phải hiểu về sóng đều, vì nó là hình ảnh gần thực. Phần tiếp theo sẽ trình bày về sóng đều.