(5.13)
Подставим (5.13) в последнее уравнение (5.12) и получим
, (5.14)
где
, а
- константа разделения. Тогда систему
уравнений (5.12) можно записать в виде двух систем, где одна зависит только от вертикальной
координаты, а другая - от горизонтальных координат.
Для функций
,
,
ставится
-задача (Horyzontal)
(5.15)
а для функций
и
-
-задача
(Vertical)
(5.16)
Для
-задачи
граничных условий нет, так как океан безграничен, а для
-задачи
(5.17)
Чтобы решить поставленную
задачу, нужно найти все возможные
и
, для которых задачи (5.15) и (5.16), при
условиях (5.17), имеют решение. Пересечения собственных кривых
-задач, образованные на
этой плоскости будут решениями общей задачи и дают частоты возможных свободных
колебаний в океане. Заметим, что
-задача не зависит от
вращения системы координат, потому что в ней отсутствует параметр Кориолиса
, а для
-задачи
неважно каким образом стратифицирована система (в уравнениях отсутствует
).
5.2. Анализ простейших случаев.
Пусть
.
Система (5.16) может быть сведена к одному уравнению относительно ![]()
. (5.18)
Рассмотрим графическое решение этой задачи
1. ![]()
а)
;

При
,
тогда собственные значения можно найти из уравнения
; (5.19)
б)
;

Тогда уравнение для собственных значений примет вид
; (5.20)
2. ![]()
в)
;
; (5.21)
г)
;
. (5.22)
При графическом анализе получаем:
a) Рис. 5.1.а - один корень (баротропные волны),
, (5.23)
б) Рис.5.1.б - бесконечное число корней,
, (5.24)
в) Рис.5.1.в - корней нет,
, (5.25)
г) Рис.5.1.г - бесконечное число корней (нет
),
. (5.26)

Рис. 5.1.
Можно рассмотреть следующие асимптотики решений:
1)
.
а) При
выполняется
(с определенной
точностью);
б) Когда
и
мало,
т.е. стратификация слабая,
, а
приближаются к оси
,
следовательно, пренебрегая малыми правыми частями, для них получим уравнение
(5.27)
то есть

2)
.
в) нет корней;
г) аналогично предыдущему (вариант б) получаем тригонометрическое уравнение :
(5.28)
Таким образом полная картина для
-задачи имеет вид:

Рис. 5.2. Собственные кривые
-задачи. Картина симметрична относительно
оси
.
Переходим к рассмотрению
-задачи.

Так как океан безграничный, то ищем решение в виде
,
где
-
волновые числа по
соответственно. Тогда имеем

Это однородная система. Для ее однозначной разрешимости мы должны потребовать, чтобы дискриминант равнялся нулю, т.е.

Отсюда,
. (5.29)
Выражение (5.29) дает
соотношение для собственных кривых
-задачи (схематично
представленное на рис. 5.3). График кривых симметричен относительно
.

Рис. 5.3. Цифры у кривых соответствуют
различным значениям среднего волнового числа
.
Асимптотикой для
-задачи
является
, а для
-задачи
-
, поэтому пересечение собственных кривых
-задачи и собственных кривых
первого типа
-задачи происходит при
, что соответствует поверхностным
гравитационным волнам, которые полностью определяются эффектом свободной
поверхности. Этот тип волн возникает за счет существования свободной границы и
условий на ней. Примером таких волн является цунами, которая представляет собой
очень длинную гравитационную волну. Если на границе положить
, то поверхностные волны исчезают, в
соответствии с условием твердой крышки.
Чтобы получить общее
дисперсионное соотношение, исключим
из (5.29) и выражения (5.19).
В результате получим
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.