Fala Kelvina – fala w oceanie lub atmosferze powstająca na skutek zaburzenia ruchu wody lub powietrza przez siłę Coriolisa, obserwowana w pobliżu linii brzegowej ląd-ocean lub na równiku.

Nazwa fali pochodzi od tytułu Lorda Kelvina, który w 1879 roku jako pierwszy opisał wpływ obrotu Ziemi na fale grawitacyjne w oceanie^[1].

Długie fale w oceanie zachowują się inaczej niż fale na wodzie obserwowane w małej skali ze względu na obrót Ziemi. Równania opisujące ruch takiej fali dane są przez tzw. równania płytkiej wody^[2].

gdzie:

– prędkość równoległa do równoleżnika,

– prędkość równoległa do południka,

– przyspieszenie ziemskie,

– parametr Coriolisa,

– odchylenie od średniej wysokości kolumny wody (głębokość morza),

Parametr Coriolisa dany jest jako:

gdzie:

– prędkość kątowa Ziemi,

– szerokość geograficzna.

Brzeg morza stanowi barierę dla przepływu wody. Dla brzegu równoległego do równoleżnika (dla przykładu, w przybliżeniu polskie wybrzeże Bałtyku jest tak ułożone) przepływ wody jest także w kierunku równoleżnikowym, czyli wtedy:

Rozwiązania zależą tylko od i można je ogólnie zapisać w postaci:

Związek dyspersyjny jest dany przez Prędkość grupową fali określa wzór: prędkość fazową Prędkość grupowa i fazowa nie zależą od częstości i są sobie równe oznacza to, że fala nie ulega dyspersji.

Rozwiązanie równań daje:

Amplituda fal Kelvina zanika eksponencjalnie od brzegu z długością zaniku, nazywaną promieniem Rossby’ego Promień Rossby'ego określa odległość od brzegu, gdzie siła Coriolisa wywiera istotny wpływ na charakterystykę fali.

Fale te są obserwowane w Jeziorze Ontario^[3], czy też na kanale La Manche^[4].

Podobne zjawisko zachodzi w oceanie tropikalnym wzdłuż równika, gdzie równik odgrywa rolę brzegu. Jeżeli następuje lokalne zwiększenie prędkości wiatru z kierunku zachodniego, wywoływany jest przepływ wody w oceanie z zachodu na wschód. Na samym równiku siła Coriolisa znika. Poza nim, na półkuli północnej, siła ta odchyla cząstki wody na prawo od kierunku przepływu – czyli w kierunku z północy na południe. Z drugiej strony na półkuli południowej następuje odchylenie cząstek wody na lewo od kierunku przepływu, czyli z południa na północ. Powoduje to konwergencję wody na równiku i eksponencjalny zanik jej amplitudy prostopadle do równika. Fala ta nazywa się falą Kelvina schwytaną równikowo (ang. equatorially trapped Kelvin waves). Fala Kelvina jest symetryczna względem równika, a cząstki wody oscylują równolegle do równika.

Atmosferyczne fale Kelvina na równiku zostały opisane przez Matsuno w 1966 roku^[5]. Prędkość atmosferycznych fal Kelvina jest modyfikowana przez konwekcję w atmosferze i oddziaływanie z oceanem^[6].