Волновые процессы в океане

Министерство образования Российской Федерации
Санкт - Петербургский государственный университет
Физический факультет
Рассмотрено и рекомендовано
на заседании кафедры
радиофизики
УТВЕРЖДАЮ
декан факультета
________________ А.С. Чирцов
Протокол от №
Заведующий кафедрой
_____________________Н.Н.Зернов
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Волновые процессы в океане
Магистерская программа 510414/38 (СДМ.В.01-05)
Разработчики:
доцент, канд.физ.-мат.наук _________________ Т.Ю. Алёхина
Рецензент:
профессор, докт.физ.-мат.наук _______________В.А. Павлов
Санкт - Петербург - 2006 г.
1. Организационно-методический раздел
1.1. Цель изучения дисциплины: Обучение магистрантов аналитическим методам
анализа волновых процессов в океане.
1.2. Задачи курса. Изучение типичных волновых возмущений в океане, их классификация. Изучение методов, используемых при описании линейных волновых процессов в однородных и неоднородных средах, а также нелинейных колебаний – в
средах со слабой дисперсией. Анализ условий применимости различных приближений.
1.3. Место дисциплины в профессиональной подготовке выпускника:
Дисциплина «Волновые процессы в океане» является важной в подготовке магистров
по программе «Нелинейная акустика». Она может быть полезна также магистрантам,
специализирующимся в других областях физики.
1.4. Требования к уровню освоения дисциплины "Волновые процессы в океане":
 Знать содержание дисциплины «Волновые процессы в океане»
 уметь применять полученные знания при рассмотрении конкретных вопросов в области физики волновых процессов.
2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и
итогового контроля
Всего аудиторных занятий
48 часов
из них: - лекций
48 часов
- практические занятия
нет
Самостоятельная работа студента (в том числе 30 часов
на курсовую работу по дисциплине)
Итого (трудоемкость дисциплины)
78 часов
Изучение дисциплины по семестрам:
9 семестр: лекции - 48 ч.,
экзамен;
3.
Содержание дисциплины
3.1.1. Темы дисциплин, их краткое содержание и виды занятий
Введение.
I. Линейная теория волн в океане.
Основные уравнения. Частота Вяйсяля – Брента.
Типы волновых движений: акустические, гравитационные, инерционные (гироскопические) волны. Приближение  - плоскости.
Типы волновых движений: волны Россби. Приближение  - плоскости.
II. Основы теории распространения звука в океане.
Акустические характеристики морской среды: скорость звука в морской воде, типичные профили распределения скорости звука. Подводный звуковой канал (ПЗК).
Представление поля в ПЗК в виде нормальных волн, интегральное представление, построение лучевого представления. Связь между различными представлениями поля.
Поле в ВКБ – приближении. Связь нормальных волн в ВКБ – приближении и лучей,
зоны конвергенции.
Модель приповерхностного «линейного» волновода. Каустики, фактор фокусировки.

При наличии по дисциплине курсовой работы, в разделе "Самостоятельная работа" указывается среднее, ориентировочное время, необходимое студенту на выполнение курсовой работы.
III. Внутренние волны.
Основные уравнения теории внутренних гравитационных волн (ВГВ).
Распространение ВГВ бесконечно малой амплитуды.
Нелинейные ВГВ установившегося типа. Приближение слабой нелинейности и дисперсии в мелководном бассейне. Уравнение Кортевега-де-Вриза. Исследование устойчивости стационарных нелинейных ВГВ. Параметры нелинейных ВВ для некоторых характерных для океана распределений частоты Вяйсяля-Брента.
Нестационарные слабонелинейные ВГВ в случае равномерной по глубине стратификации океана. Приближение Буссинеска. Метод многомасштабных разложений.
3.2. Лабораторный практикум отсутствует
3.3. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной
работы
Примерный перечень тестовых вопросов по всему курсу:
1. Пометьте верные утверждения:
а) в однородной среде лучи – прямые линии;
б) в среде с постоянным градиентом скорости звука лучи – дуги окружностей;
в) в анизотропной среде лучи направлены вдоль нормали к волновому фронту.
2. Пометьте верные утверждения. Приближение «  -плоскости»:
а) позволяет описать гравитационно-гироскопические волны;
б) позволяет описать волны Россби;
в) позволяет учитывать широтное изменение вертикальной составляющей силы Кориоллиса;
г) позволяет учесть сферичность Земли.
3. Пометьте, какие из названных решений задачи о поле точечного источника в неоднородном океаническом волноводе являются приближенными:
а) разложение по нормальным волнам;
б) интегральное представление;
в) представление многократного рассеяния.
4. Перечислите основные виды волн, которые могут существовать в океане:
5. Сформулируйте условия применимости лучевого приближения.
6. Какова главная причина возникновения внутренних волн в океане?
7. Какими эффектами можно пренебречь при описании внутренних волн?
8. Напишите уравнение Кортевега – де – Вриза.
9. Что представляют собой решения стационарного уравнения Кортевега – де – Вриза.
10. Нарисуйте профиль скорости звука, при котором возникает подводный звуковой
канал (ПЗК).
11. Нарисуйте блок - схему связи различных представлений поля акустического давления в подводном звуковом канале.
Вопросы для самостоятельного изучения:
1. Типы волновых движений: акустические, гравитационные, инерционные (гироскопические) волны и волны Россби. Приближение  - плоскости. Приближение  - плоскости. ыСвободные волновые колебания на сфере.
2. Акустические волны в двухслойной жидкости.
3. Каустики, фактор фокусировки.
4. Волны цунами. Постановка задачи.
5. Исследование устойчивости стационарных нелинейных ВГВ.
6. Нестационарные слабонелинейные ВГВ. Приближение Буссинеска.
3.4. Темы курсовых работ
Раздел 3.4 в данной программе отсутствует.
3.5. Темы рефератов
Раздел 3.5 в данной программе отсутствует.
3.6. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу
1. Линейная теория волн в океане: исходные уравнения.
2. Типы волновых движений в океане: звуковые и внутренние волны.
3. Типы волновых движений в океане: поверхностные и внутренние волны.
4. Типы волновых движений в океане: инерционные и гравитационно - гироскопические волны.
5. Типы волновых движений в океане: волны Россби – баротропные и бароклинные.
6. Акустические характеристики морской среды: скорость звука в морской воде,
типичные вертикальные профили скорости звука и соответствующие им условия
распространения звука.
7. Распространение звука в океане: постановка задачи и основные уравнения.
8. Распространение звука в океане: построение решения в лучевом представлении.
9. Распространение звука в океане: уравнение траектории луча и изменение интенсивности вдоль луча. Каустики.
10. Распространение звука в океане: рефракция звуковых лучей.
11. Распространение звука в океане: фокусировка звука, фактор фокусировки.
12. Подводный звуковой канал: представление поля в виде нормальных волн (спектральная задача для поперечного оператора).
13. Подводный звуковой канал: представление поля в виде интегрального преобразования (спектральная задача для продольного оператора).
14. Подводный звуковой канал: представление поля с помощью многократного рассеяния.
15. Подводный звуковой канал: связь между различными представлениями поля.
16. Приповерхностный «линейный» волновод – строгое решение в виде нормальных
волн.
17. Подводный звуковой канал: нормальные волны в ВКБ – приближении.
18. Основные уравнения теории внутренних волн.
19. Внутренние волны в приближении слабой нелинейности и дисперсии в мелководном бассейне.
20. Уравнение Кортевега-де-Вриза.
21. Исследование устойчивости стационарных нелинейных ВГВ.
22. Параметры стационарных нелинейных ВВ для некоторых характерных для океана распределений частоты Вяйсяля-Брента.
23. Нестационарные слабонелинейные ВГВ в случае равномерной по глубине стратификации океана. Приближение Буссинеска.
24. Нестационарные слабонелинейные ВГВ в случае равномерной по глубине стратификации океана. Метод многомасштабных разложений.
4. Учебно-методическое обеспечение курса
4.1. Перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ, диафильмов, слайдфильмов, кино и видио- фильмов
По желанию лектора при изложении части тем применяется проектор для демонстрации слайдов.
4.2. Активные методы обучения
В данном курсе используются классические аудиторные методы и самостоятельное решение студентами заданных на дом задач.
4.3. Материальное обеспечение дисциплины, технические средства обучения и
контроля
Стандартно оборудованные лекционные аудитории.
4.4. Методические рекомендации (материалы) преподавателю по организации
лабораторных работ
Раздел в программе отсутствует.
4.5. Методические указания студенту по лабораторной работе. Раздел в программе отсутствует.
4.6. Методические рекомендации по использованию систем Mathcad и MatlabSimulink
Раздел в программе отсутствует.
4.7. Литература
4.7.1. Основная литература:
1. Карпман В.И. Нелинейные волны в диспергирующих средах. М., Наука, 1973.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: в 10 –ти т. Т.VI. Гидродинамика.
М., 1988.
3. Нелинейные волны. Спец. выпуск «Радиофизика», Изв. ВУЗов, т.19, 5, 6, 1976.
4. Океанология. Т.2. Гидродинамика океана. Под ред. Монина А.С. М., Наука, 1978.
5. Распространение волн и подводная акустика. Под ред. Бреховских Л.М., М., Мир,
1980.
6. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. 1977.
4.7.1. Дополнительная литература:
1. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М., Наука, 1963.
2. Бреховских Л.М., Лысанов С.П. Теоретические основы акустики океана. Л., Гидрометеоиздат, 1988.
3. Исакович М.А. Общая акустика. М., Наука, 1973.
4. Лайтхилл Дж. Волны в жидкостях. М., Мир, 1981.
5. Подводная акустика. Под ред. Бреховских Л.М., М., Мир, 1970.
6. Скучик Е.Л. Основы акустики. М., Мир, 1985.
7. Филипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. Л., Гидрометеоиздат, 1980.
8. Эккарт К. Гидродинамика океана и атмосферы. М. 2004.