В книге излагаются основы теории кинематики волновых движений, даётся представление о суперпозиции элементарных волн, особенностях орбитального движения частиц в волнах различного типа и закономерностях изменения параметров волн с глубиной. Рассматриваются основные вероятностные характеристики волновых движений и их стохастические модели; гидродинамическая теория свободных и вынужденных инерционно-гравитационных волн на поверхности однородной жидкости. Обращается внимание на особенности ветровых волн, морской зыби, волн цунами и крупномасштабных волн анемобарического происхождения. Даётся представление о теории внутренних волн при различных типах стратификации водных масс. Рассматриваются различные механизмы генерации внутренних волн. Излагается теория баротропных и бароклинных волн Россби, исследованию которых в последние годы уделяется особое внимание.

Пособие предназначено для студентов государственных университетов, гидрометеорологических институтов и высших мореходных училиш, обучающихся по специальности океанология и смежных мореведческих специальностей, а также может быть полезно для лиц инженерно-технических специальностей, желающих начать изучение теории волновых процессов в океане.

Ил. — 33, табл. — 7, библиогр. — 42 назв.

Предлагаемое учебное пособие предназначено для более углублённого изучения теоретических вопросов, излагаемых в курсе «Морские волны», который читается автором в Ленинградском государственном университете для студентов-океанологов III курса географического факультета. Содержание данного пособия определяется общей подготовкой студентов, содержанием смежных курсов, а также наблюдениями автора за усвоением студентами излагаемого материала. Предполагается, что читатель знаком с эмпирическими и полуэмлирическими представлениями о волновых процессах в море в рамках курсов «Общая океанология», «Практическая океанография», а также с курсами общей физики, высшей математики и гидромеханики в объёме естественных факультетов государственных университетов.

Теория волновых движений в океане основывается на общей теории волн в жидкостях и газах, которая, в свою очередь, тесно соприкасается с теорией акустических, световых, электромагнитных и механических волн в других средах. Волны — это раздел классической физики, раздел чрезвычайно обширный и быстро развивающийся благодаря необъятности различных приложений.

В специализированном учебном пособии, естественно, необходимо было выбрать для излагаемого материала определённые ограничительные рамки. Мы прежде всего исходили из значимости различных волновых движений в режиме морей и океанов, т. е. из основного предмета физической океанологии. Поэтому ограничились классом инерционно-гравитационных волн, поверхностных и внутренних, а также классом планетарных волн, или волн Россби, обусловленных вращением и сферичностью Земли.

Рассматриваются только установившиеся волновые движения в линейном приближении. Океан предполагается безграничным, глубина океана принимается постоянной, что исключает рассмотрение топографических эффектов. Сферичность Земли учитывается в так называемом приближении «β-плоскости». Вода предполагается несжимаемой, так что сразу отфильтровываются акустические волны. Не учитываются силы поверхностного натяжения, что исключает капиллярные волны. Не рассматриваются нами также диссипативные процессы в океане.

Хотя эти предположения исключают из рассмотрения важные черты волновых движений в реальных бассейнах, в особенности в замкнутых и вблизи береговой линии, однако представляется, что с методологической точки зрения изучение теории волновых движений в океане целесообразно начинать при этих ограничениях. Это оправдано прежде всего тем, что при таких допущениях сравнительно простыми и доступными для широкого круга читателей методами удаётся выделить и описать основные элементарные типы волновых движений в океане. Дифференциальные уравнения в частных производных, описывающие волновые процессы при этих допущениях, позволяют разделить переменные и сводятся к обыкновенным линейным дифференциальным уравнениям второго порядка.

В первой главе рассматривается кинематика волновых движений, обобщаются априорные феноменологические представления о волнах. В отличие от традиционного изложения этих вопросов уже на этом уровне рассматриваются особенности орбитального движения частиц в волнах различного типа и закономерности изменения параметров волн с глубиной.

Во второй главе даются представления о вероятностном подходе к изучению волновых процессов, рассматриваются основные вероятностные характеристики волновых движений как стохастического процесса и изучаются некоторые феноменологические модели волн.

В третьей главе изучаются волны в однородном океане. В связи с тем, что характер изменения волновых движений с глубиной был установлен в предыдущей главе, основное внимание уделяется волнам на поверхности океана. Рассматриваются инерционно-гравитационные волны, возбуждаемые анемобарическими силами. Волны, возбуждаемые приливообразующими силами, приливные волны, в этой главе не освещаются, так как обычно их изучению посвящается отдельный специальный курс.

В четвёртой главе рассматриваются волны в неоднородном по плотности море — внутренние волны или бароклинные волны.

Пятая, последняя, глава посвящена особому классу волновых движений — волнам Россби или планетарным волнам, сравнительно малоизученному типу волновых движений. Их энергетический вклад в динамику океана, как показывают исследования последних лет, в особенности в связи с проблемой мезомасштабного вихреобразования в океане, чрезвычайно велик.

Каждая глава завершается исторической и библиографической справкой, в которой в весьма лаконичной форме излагается история вопроса и даются указания на современную обзорную и монографическую литературу, которой читатель может воспользоваться для более углублённого изучения предмета и в которой также найдёт необходимые ссылки на научные статьи, посвящённые отдельным проблемам.

К каждой главе прилагается список задач, упражнений и опытов, выполняя которые читатель закрепит изучаемый материал и приобретёт навыки для самостоятельного научного мышления. Насколько нам известно, это первая попытка составления сборника упражнений и задач по динамической океанологии. Педагогический опыт автора показывает, что без специальных упражнений и решения задач по отдельным разделам курса его изучение оказывается поверхностным. В заключение даётся некоторая сводка полученных знаний, представленная в виде общей классификации линейных волновых движений в океане…

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книги на ту же тему

1. Моделирование и прогноз верхних слоёв океана, Краус Э. Б., ред., 1979
2. Динамика внутренних гравитационных волн в океане, Миропольский Ю. З., 1981
3. Тонкая термохалинная структура вод океана, Фёдоров К. Н., 1976
4. Климат и циркуляция океана, Манабе С., Брайен К., 1972
5. Диффузия примесей в океане, Озмидов Р. В., 1986
6. Вычислительный эксперимент в проблеме цунами, Шокин Ю. И., Чубаров Л. Б., Марчук А. Г., Симонов К. В., 1989
7. Морские нерегулярные волны, Бычков В. С., Стрекалов С. С., 1971
8. Эффекты волн в пограничных слоях атмосферы и океана, Дворянинов Г. С., 1982
9. Математические модели циркуляции в океане, Марчук Г. И., Кочергин В. П., Саркисян А. С., Бубнов М. А., Залесный В. Б., Климок В. И., Кордзадзе А. А., Кузин В. И., Протасов А. В., Сухоруков В. А., Цветова Е. А., Щербаков А. В., 1980
10. Явления на поверхности океана, Монин А. С., Красицкий В. П., 1985
11. Динамика волновых процессов в пограничных слоях атмосферы и океана, Ефимов В. В., 1981
12. Океанские внутренние волны, Морозов Е. Г., 1985
13. Динамика верхнего слоя океана. — 2-е изд., испр. и доп., Филлипс О. М., 1980
14. Динамика приповерхностного слоя воздуха, Бютнер Э. К., 1978
15. Океанология, Истошин Ю. В., 1969
16. Основы океанологии: Учебное пособие, Иванов В. А., Показеев К. В., Шрейдер А. А., 2008
17. Пространственно-временная изменчивость структуры и динамики вод Охотского моря, Власова Г. А., Васильев А. С., Шевченко Г. В., 2008
18. Приливные движения, Ржонсницкий В. Б., 1979
19. Исследование течений океана, Фомин Л. М., ред., 1985
20. Избранные труды. Нелинейные волны в океане, Воляк К. И., 2002
21. Проливы Мирового океана. Общий подход к моделированию, Андросов А. А., Вольцингер Н. Е., 2005
22. Теоретическое моделирование синоптической изменчивости океана, Коротаев Г. К., 1988
23. Микроволновая диагностика поверхностного слоя океана, Райзер В. Ю., Черный И. В., 1994
24. Аналитические методы моделирования планетарного пограничного слоя, Браун Р. А., 1978
25. Оптика моря. — 2-е испр. и доп. изд. «Оптической океанографии», Ерлов Н. Г., 1980
26. Лабораторные модели физических процессов в атмосфере и океане, Алексеев В. В., Киселева С. В., Лаппо С. С., 2005
27. Мелкомасштабная турбулентность в океане, Поздынин В. Д., 2002
28. Моделирование вертикальной термической структуры деятельного слоя океана, Калацкий В. И., 1978
29. Теоретические основы акустики океана, Бреховских Л. М., Лысанов Ю. П., 2007
30. Солитоны и нелинейные волновые уравнения, Додд Р., Эйлбек Д., Гиббон Д., Моррис Х., 1988
31. Нелинейная динамика гравитационных волн на глубокой воде, Юэн Г., Лэйк Б., 1987
32. Теория волн, Виноградова М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П., 1979
33. Нелинейные волны в диспергирующих средах, Карпман В. И., 1973
34. Нелинейные волны 2012, Литвак А. Г., Некоркин В. И., ред., 2013
35. Линейные и нелинейные волны, Уизем Д., 1977
36. Задачи дифракции волн в низкочастотной акустике, Иванов В. П., 2004
37. Внутренние гравитационные волны в неоднородных средах, Булатов В. В., Владимиров Ю. В., 2005
38. Модели глобальной атмосферы и Мирового океана: алгоритмы и суперкомпьютерные технологии: Учебное пособие, Толстых М. А., Ибраев Р. А., Володин Е. М., Ушаков К. В., Калмыков В. В., Шляева А. В., Мизяк В. Г., Хабеев Р. Н., 2013