(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.