ВОЛНЫ В ОКЕАНАХ И МОРЯХ Лектор профессор Доценко

ВОЛНЫ В ОКЕАНАХ И МОРЯХ Лектор: профессор Доценко Сергей Филиппович Лекции - СНТУ - 2012 1

Повторяющиеся движения среды относительно некоторого среднего положения носят название колебаний. Волны – это распространяющиеся в пространстве колебания. Простейший вид колебаний – гармонические колебания, которые математически описываются выражением a – амплитуда колебаний; t - время; ω – частота колебаний; φ – начальная фаза. Простейший вид волны – гармоническая прогрессивная волна: k – волновое число; x - горизонтальная координата. Лекции - СНТУ - 2012 2

1. Классификация изменчивости полей в океане по масштабам движения • • • По своим пространственным и временным масштабам нестационарные процессы в Мировом океане принято подразделять на семь основных типов (Монин, Каменкович и Корт, 1982): мелкомасштабные процессы (горизонтальные масштабы от десятых долей миллиметра до десятков и первых сотен метров, временные масштабы от долей секунды до десятков минут). В их число входят акустические волны, поверхностные и внутренние гравитационные волны, турбулентность и процессы эволюции вертикальной микроструктуры; мезомасштабные процессы (сотни метров – километры, часы – сутки). Представителями этого класса процессов являются приливные и инерционные колебания, суточные колебания гидрофизических полей, вызываемые суточным ходом солнечной радиации; синоптические процессы (десятки – сотни километров, несколько суток – месяцы). Такая изменчивость океана свойственна океанским вихрям, волнам Россби, движениям Мирового океана под действием атмосферных синоптических процессов; Лекции - СНТУ - 2012 3

• • сезонные колебания полей (масштабы морей и больших районов океанов, годовой период и его гармоники). Они наиболее сильно выражены в высоких широтах, а также в муссонной зоне Индийского океана. Сезонная изменчивость проявляется в колебаниях полей температуры и солености морской воды, в трансформации крупномасштабных течений; междугодичная изменчивость (масштабы морей и больших районов Мирового океана, временные масштабы – несколько лет). Она характеризуется согласованным изменением гидротермодинамического состояния больших акваторий. Подобной изменчивости подвержены главные океанские течения. Она проявляется в колебаниях ветвей струйных течений; внутривековая изменчивость (горизонтальные масштабы океанов и морей, десятки лет). Она взвимосвязана с внутривековыми колебаниями климата. Например, потепление на несколько градусов в Антарктике и некоторое похолодание в Мирового океана в низких широтах во время климатического потепления в первой половине XX века; междувековые колебания (горизонтальные масштабы океанов и морей, сотни лет и более). Подобные процессы взаимосвязаны с междувековыми колебаниями климата, как результат ослабления ли усиления взаимодействия океана и атмосферы. Одно из проявлений междувековой изменчивости – глобальные изменения уровня Мирового океана. Лекции - СНТУ - 2012 4

Характерные периоды и длины наиболее распространенных в Мировом океане типов поверхностных гравитационных волн Лекции - СНТУ - 2012 5

2. Понятие модели, моделирование волн Понятие “модель” чрезвычайно многогранное и широко используется в различных областях научной и практической деятельности людей. Несмотря на разнообразие его конкретного содержания, модели объединяет общая цель: модель предназначена для упрощенного воспроизведения оригинала. Говорят, что объект * является моделью объекта относительно некоторой системы S характеристик (свойств), если * строится (или выбирается) для имитации по этим характеристикам (Блехман, Мышкис и Пановко, 1983). Модель может быть предназначена как для изучения свойств S объекта (исследовательская модель), так и для их непосредственного использования на практике (рабочая модель). Моделирование (построение моделей) лежит в основе любой науки, ставящей своей целью не только констатацию и накопление фактов, но и изучение закономерностей поведения объекта в различных условиях. Важнейшее требование к модели состоит в необходимости ее адекватности исходному объекту относительно выбранной системы характеристик S, что означает правильное качественное и количественное описание главных свойств исходного объекта М. Лекции - СНТУ - 2012 6

Изучение волн на основе теоретического моделирования не представляется возможным без проведения целенаправленных вычислительных экспериментов с использованием высокопроизводительных вычислительных средств. Под вычислительным экспериментом для исследования природных явлений понимается последовательность действий, включающая: § анализ изучаемого явления; § построение соответствующей математической модели; § разработку необходимых численных алгоритмов и соответствующих комплексов программ; § проведение численных расчетов и их анализ. Лекции - СНТУ - 2012 7

3. Математическое моделирование волн в океане Для того чтобы описать волны математическими средствами, необходимо иметь математическую модель этих волн, которая должна включать следующие элементы: § задание области движения жидкости; § систему уравнений в частных производных; § граничные условия на твердых и жидких границах; § начальные условия. Лекции - СНТУ - 2012 8

Уравнения динамики жидкости (уравнения Эйлера) Лекции - СНТУ - 2012 9

Лекции - СНТУ - 2012 10

Лекции - СНТУ - 2012 11

Лекции - СНТУ - 2012 12

Лекции - СНТУ - 2012 13

4. Уравнения длинных волн Лекции - СНТУ - 2012 14

Лекции - СНТУ - 2012 15

Лекции - СНТУ - 2012 16

Лекции - СНТУ - 2012 17

Лекции - СНТУ - 2012 18

Лекции - СНТУ - 2012 19

Лекции - СНТУ - 2012 20

Лекции - СНТУ - 2012 21

Лекции - СНТУ - 2012 22

Лекции - СНТУ - 2012 23

Лекции - СНТУ - 2012 24

Лекции - СНТУ - 2012 25

Батиметрия Черного моря Лекции - СНТУ - 2012 26

Рефракция длинных волн типа цунами в Черном море Лекции - СНТУ - 2012 27

Лекции - СНТУ - 2012 28

Лекции - СНТУ - 2012 29

Лекции - СНТУ - 2012 30

Лекции - СНТУ - 2012 31

5. Сейши Лекции - СНТУ - 2012 32

Лекции - СНТУ - 2012 33

Лекции - СНТУ - 2012 34

Лекции - СНТУ - 2012 35

Лекции - СНТУ - 2012 36

Лекции - СНТУ - 2012 37

Лекции - СНТУ - 2012 38

Лекции - СНТУ - 2012 39

Лекции - СНТУ - 2012 40

Лекции - СНТУ - 2012 41

Лекции - СНТУ - 2012 42

Лекции - СНТУ - 2012 43

Лекции - СНТУ - 2012 44

Лекции - СНТУ - 2012 45

Лекции - СНТУ - 2012 46

Лекции - СНТУ - 2012 47

Лекции - СНТУ - 2012 48

Лекции - СНТУ - 2012 49

6. Цунами Лекции - СНТУ - 2012 50

Лекции - СНТУ - 2012 51

Лекции - СНТУ - 2012 52

Лекции - СНТУ - 2012 53

Лекции - СНТУ - 2012 54

Лекции - СНТУ - 2012 55

Лекции - СНТУ - 2012 56

Лекции - СНТУ - 2012 57

Лекции - СНТУ - 2012 58

Лекции - СНТУ - 2012 59

Лекции - СНТУ - 2012 60

Лекции - СНТУ - 2012 61

Лекции - СНТУ - 2012 62

Лекции - СНТУ - 2012 63

Лекции - СНТУ - 2012 64

Лекции - СНТУ - 2012 65

Лекции - СНТУ - 2012 66

Лекции - СНТУ - 2012 67

Лекции - СНТУ - 2012 68

7. Приливы Лекции - СНТУ - 2012 69

Лекции - СНТУ - 2012 70

Лекции - СНТУ - 2012 71

Лекции - СНТУ - 2012 72

Китай, приливной бор в реке Лекции - СНТУ - 2012 73

Лекции - СНТУ - 2012 74

Лекции - СНТУ - 2012 75

Лекции - СНТУ - 2012 76

Лекции - СНТУ - 2012 77

Лекции - СНТУ - 2012 78

Лекции - СНТУ - 2012 79

Лекции - СНТУ - 2012 80

Лекции - СНТУ - 2012 81

Лекции - СНТУ - 2012 82

Лекции - СНТУ - 2012 83

Лекции - СНТУ - 2012 84

Лекции - СНТУ - 2012 85

Лекции - СНТУ - 2012 86

Лекции - СНТУ - 2012 87

Общая характеристика природных катастрофических гидрометеорологических явлений Азово-Черноморского бассейна • • • • аномальные подъемы и опускания уровня моря метеорологического происхождения (сгонно-нагонные ветровые и анемобарические колебания уровня); штормовые ветры, вызванные, например, прохождением средиземноморских циклонов; штормовые волны, волны-убийцы; цунами, вызванные землетрясениями и/или оползнями; тягун в портах; сверхдальнее распространение соленых вод в устья рек; раннее образование припая; апвеллинг в летний период; аномальные температуры воздуха и связанные с ними явления (Новороссийская бора, Крымская бора); обильные дожди; смерчи; туман над акваториями Черного и Азовского морей; . . . Лекции - СНТУ - 2012 88

Доминирующие опасные природные явления в украинском секторе Черного моря в 1990 -1996 гг. (101 событие, данные собраны МО Укр. НИГМИ, критерии гидрометеослужбы) Лекции - СНТУ - 2012 89

Астероидная опасность В Солнечной системе обнаружены десятки тысяч астероидов. По состоянию на 26. 09. 2009 г. в базах данных насчитывался 460271 объект, у 219018 из них точно определены орбиты. Предполагается, что в Солнечной системе может находиться от 1, 1 до 1, 9 миллиона объектов с диаметром более 1 км. Лекции - СНТУ - 2012 90

В настоящее время обнаружено около 800 астероидов, сближающихся с Землей или пересекающих ее орбиту. Диаметры этих астероидов - от 6 м до 40 км. Каждый год регистрируется пролет 2 -3 космических тел диаметром 100 -1000 м на расстоянии 0, 5 -3 млн. км от Земли (часто их пролет обнаруживается уже после максимального сближения с Землей). Основную опасность представляют еще не открытые астероиды. Кратер Берринджер в штате Аризона (США)диаметром 1, 2 км и глубиной 183 м Возник 20 -50 тыс. лет назад при падении астероида Ø 260 м со скоростью 20 км∙с-1 Лекции - СНТУ - 2012 91

Карта известных мест падения астероидов в Мировой океан (Kharif С. , Pelinovsky E. , 2005 ) Лекции - СНТУ - 2012 92

Расчет волны цунами, вызванной падением астероида Ø 200 м в океан глубиной 4 км со скоростью 20 км∙с– 1. Высота головной волны через 300 с равна 325 м (Ward S. N. , 2002) Лекции - СНТУ - 2012 93