Типы волновых движений в атмосфере

Типы
волновых
движений в
атмосфере
Стоячие волны
Миска с обычной водой поставленная на крышку стиральной
машины.
В результате действия вибрации работающей машины на
поверхности воды возникают стоячие волны, различные при
разных режимах работы стиральной машины.
Стоячие и бегущие волны
СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ, укладывающиеся
вдоль круга широты.
Широта показана тонкой линией, n – число полных волн,
укладывающихся вдоль нее.
Классификация по направлению
распространения
Уравнения динамики – общая база
для описания атмосферных волн
u
u
u
u
1 p
u
v
 w l v  
0
t
x
y
z
 x
v
v
v
v
1 p
 u  v  w  l u  
0
t
x
y
z
 y
p
 g  0
z
 u v w 




u
v
w
  

0
t
x
y
z
 x y z 
для замыкания - политропность атмосферы
g
R
p T 
 
p0  T0 
p
T

p0 0T0





p


  
1 dp  d 


p

0
0





p dt  dt
  g


g  R  


Звук –единственный вид
продольных волн в атмосфере
Любой предмет, совершающий
возвратно-поступательные движения
(камертон, струна рояля или гитары,
наши голосовые связки и т.д.),
вызывает в воздухе попеременное
уменьшение или увеличение
плотности.
Движения одних молекул воздуха
передаются другим молекулам, в
результате чего в пространстве
распространяются периодически
повторяющиеся зоны увеличения и
уменьшения плотности.
Они-то и представляют собой
звуковую волну
Математическое и физическое
описание звуковых волн
u
u 1 p
p
p
u
u
 
0 и
u
 p
0
t
x  x
t
x
x
после ряда упрощений получается уравнение звуковых волн
  
 
 p  2 p'

при p'( x,t )  Aei ( x  ct )
  u   u  p' 
x  t
x 
 x 2
 t
p'( x,t )
 2 p'( x,t )
 i p'( x,t )
  i 2 p'( x,t )   2 p'
x
x 2
p'
 

 i p'   u  p'  i u  c p'
t
x 
 t
2
  
 

2 u  c 2 p'



u

u
p'

i

u

c
p'








x  t
x 
 t
2
подставив в исходное, получим  2 u  c p'   2 p'

Схема возбуждения
одномерных
звуковых волн в
неподвижном
воздухе




откуда
cu  p




 u   RT , где   g
 g  R 
Звуковые волны делятся:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
слышимый звук - от - 20 Гц (17 м ) - до 20 000 Гц (17 мм);
инфразвук ниже 20 Гц;
ультразвук выше 20 000 Гц.
Скорость звука зависит от упругих свойств среды и от
температуры, например:
в воздухе V = 331 м/с ( при t=0оС) и V= 3317 м/с (при t=10 С);
в воде V = 1400 м/с: в стали V=5000 м/с.
Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом,
называется музыкальным тоном.
Звуковые волны не имеют дисперсии в атмосфере, их фазовая
скорость совпадает с групповой, поэтому они распространяются
без изменения формы волновых пакетов.
Именно поэтому мы различаем звуки, а не погружены в хаос из
шумов.
Полезные факты
Не путать высоту, т. е. тон звука, с силой его!
Высота звука зависит от частоты колебаний. А сила – от амплитуды
Звуковой барьер
Перед головной частью образуется уплотнение воздуха. От этого
уплотнения расходится во все стороны головная волна. Позади
летящего снаряда образуется зона разреженного воздуха: пустота,
которую оставил позади себя снаряд, вытолкнувший частицы
воздуха, еще не успевает заполниться
Гравитационные волны – представляют в
атмосфере вертикально поперечные
волны
Так как большая глубина, жидкости лежит слева от линии А, то масса,
находящаяся над некоторой точкой, расположенной левее А, и
лежащая на заданной горизонтальной поверхности, будет больше,
чем лежащая на той же горизонтальной поверхности масса,
находящаяся над точкой, расположенной правее А.
Тогда в течение следующего очень короткого промежутка времени At
жидкость по всей линии А будет двигаться. направо, тогда как
жидкость по всей линии В будет все еще неподвижна.
Таким образом, первоначальная деформация поверхности раздела
распространится направо от А и по симметрии налево от А'.
Описание гравитационных волн
на поверхности скачка плотности
(например, вода-воздух)
g 1,2
  p 
  p 



 0 используем формулу:
 
 
z  x 1,2 x  z 1,2
x
 ( z )
 ( z )

f ( x,z )



f
(
x,z
)dx
dx

f
(
x,

)

f
(
x,

)



z 
z
z
z
 ( z )
 ( z )
 1  H
тогда получим при 
,и


h(
x
)
 2
1  H  h( x )
градиент в форме:



0
2

   h
u
u
 u  g 1  2  
0
t
x


x
1

p
h
 g  1  2 
x
x
u w
u

 0  h  wz  h( t,x )  0
x z
x
   h'
u'
u'
h'
h'
h'
u
 g 1  2  
0 и
u
H
0
t
x


x

t

x

x
1

h'( x,t )  Aei ( x  ct ) , при
c  u  gH 1  2 1 
Подветренные горные волны
и чечевицеобразные облака
Облачные улицы (нижний неустойчивый
слой покрыт сильной инверсией)
А теперь перейдем к волнам
Россби
• О лабораторных экспериментах:
• http://paoc.mit.edu/labweb/experiments.ht
m
Как волны Россби выглядят на картах
Вертикальный разрез части
волны Россби
Следы невиданных….
(чудеса из Интернета)
«Фотография сделана
вечером, в начале
одиннадцатого. На грунтовой
дороге между 2 полями (одно пашня, другое - пшеница).
Место достаточно безлюдное.
Гуляла там с собакой и
решила сделать фотографию
на память. Вот, что из этого
получилось.
Что это или кто это - пусть
каждый решает сам для себя,
но могу сказать точно, что это
не животное, не птица, не
насекомое, иначе бы и я, и,
тем более, моя собака
среагировали на них».