Spis treści. Symbole i oznaczenia 13. Przedmowa 19. Część I. Podstawy dynamiki płynów 23

Transkrypt

1 Spis treści Symbole i oznaczenia 13 Przedmowa 19 Część I. Podstawy dynamiki płynów 23 1 Właściwości wody morskiej Wprowadzenie Właściwości fizyczne wody morskiej Gęstość Lepkość Ściśliwość Napięcie powierzchniowe Właściwości chemiczne wody morskiej Składniki organiczne wody morskiej Koncentracja substancji zawieszonych Składniki nieorganiczne wody morskiej Woda w spokoju i w ruchu Wprowadzenie Woda w spokoju: hydrostatyka Rozkład ciśnień w wodzie Mechanizm wyporu i stabilność cieczy Podstawowe prawa zachowania Ruch ustalony i nieustalony Prawo zachowania masy Prawo zachowania pędu Przepływ laminarny i turbulentny Liczba Reynoldsa Średnie i fluktuacyjne składowe przepływu Prawa zachowania dla przepływu turbulentnego Przepływy w warstwie granicznej Warunki brzegowe w warstwie granicznej Laminarna warstwa graniczna Turbulentna warstwa graniczna Siły wywołane przepływem wody Siła oporu hydrodynamicznego

2 6 Spis treści Siła bezwładności Siła nośna Swobodne opadanie ciał w wodzie Zmiany prędkości opadania w czasie Bardzo powolne opadanie ciał w wodzie Wpływ koncentracji zawiesin Wpływ stratyfikacji wody morskiej Część II. Główne morskie procesy hydrodynamiczne 81 3 Fale regularne na powierzchni morza Wprowadzenie Charakterystyczne cechy ruchu falowego Powierzchnia falowa Ruch orbitalny elementów wody Prędkość fazowa i grupowa Fale na powierzchni morza o stałej głębokości Klasyfikacja fal Fale według teorii małej amplitudy Fale nad pochyłym dnem Refrakcja fali powierzchniowej Równanie ruchu falowego nad pochyłym dnem Załamanie fal w strefie brzegowej Zmiana średniego poziomu morza Nabieganie fal na brzeg Warstwa graniczna w obecności falowania Siły wywołane falowaniem Nieliniowe teorie fal powierzchniowych Fale wywołane działaniem wiatru Wprowadzenie Podstawowe mechanizmy generacji fal Oddziaływania nieliniowe w polu falowym Załamanie fal na głębokim morzu Analiza spektralna falowania Analiza harmoniczna zadanej funkcji czasu Widmo częstotliwościowe falowania wiatrowego Typowe widma częstotliwościowe Kierunkowy rozkład energii falowania Statystyka podstawowych parametrów fali Predykcja fal wiatrowych Predykcja fal na głębokiej wodzie Predykcja fal w strefie brzegowej Fale na niektórych morzach i oceanach

3 Spis treści 7 5 Inne zjawiska falowe na morzu Wprowadzenie Fale ekstremalne Fale tsunami Sejsze Wezbrania sztormowe Poziomy wód w Morzu Bałtyckim Fale wewnętrzne Wprowadzenie Fale w dwuwarstwowym oceanie Fale w stratyfikowanym oceanie Stała głębokość morza Zmienna głębokość morza Rozwiązania nieliniowe Widmo energii fal wewnętrznych Pływy Wprowadzenie Siły pływotwórcze Dynamiczna teoria pływów Efekt Coriolisa Fale pływowe w obecności kontynentów Prądy pływowe Prądy w morzach i oceanach Wprowadzenie Pole wiatru na kuli ziemskiej Siły generujące prądy morskie Globalny układ prądów Prądy w Morzu Bałtyckim Wlewy i struktura zasolenia w Bałtyku Pionowa struktura prądów Spirala Ekmana Brzegowe prądy wznoszące Równikowe prądy wznoszące Polarne prądy wznoszące Zjawisko El Niño Cyrkulacja termohalinowa Prądy w strefie brzegowej Transport materii w morzu Wprowadzenie Podstawy procesów dyfuzyjnych Błądzenie przypadkowe i procesy dyfuzyjne Prawo Ficka Koncentracja materii w ruchu molekularnym Koncentracja materii w ruchu turbulentnym Równanie dyfuzji turbulentnej

4 8 Spis treści Współczynniki dyfuzji turbulentnej Dyfuzja traserów radioaktywnych w oceanie Niestabilność hydrodynamiczna i słone palce Hydrodynamika ujść rzecznych i fiordów Ujścia z klinem wody słonej Ujścia częściowo wymieszane Ujścia dobrze wymieszane Dynamika ujść na południowym Bałtyku Fiordy jako specyficzna forma ujścia rzecznego Cyrkulacja wód w fiordach Transport osadów w strefie brzegowej Początek ruchu osadów na dnie morskim Transport wzdłużbrzegowy osadów Transport do- i odbrzegowy osadów Bilans transportu osadów i zmiany głębokości dna Struktura pionowa osadów zawieszonych Infiltracja wód w plaży wywołana falowaniem Dane eksperymentalne Modele teoretyczne zanikania ciśnień porowych Część III. Wpływ procesów fizycznych na chemię i biologię morza Ruch organizmów morskich Wprowadzenie Siły wyporu działające na organizmy Transmisja sił pomiędzy organizmem a wodą Powolny ruch organizmów morskich Wpływ roślinności na dynamikę wód Wprowadzenie Lasy mangrowe Pływy w lasach mangrowych Fale powierzchniowe w lasach mangrowych Rafy koralowe Oddziaływanie fal na rafy koralowe Transport osadów na rafach koralowych Wodorosty i trawy morskie Wodorosty Trawy morskie Cyrkulacja wód w pobliżu dna morskiego Fale wewnętrzne i warstwa przydenna Wysięki wód w warstwie przydennej Źródła termalne na dnie morskim Transport wód w ujściach rzecznych Wprowadzenie Erozja i sedymentacja w ujściach rzek Dyspersja zanieczyszczeń w ujściach rzek Mieszanie i produkcja pierwotna

5 Spis treści Dyspersja wód słodkich w ujściach rzecznych Rola transportu i mieszania wód w fiordach Transport materii w dnie morskim Wprowadzenie Cyrkulacja wód w przypadku płaskiego dna Cyrkulacja wód w sąsiedztwie form dennych Przypadek pojedynczej formy dennej Przypadek ciągu małych form dennych Wpływ wzniesienia średniego poziomu wody Dyfuzja i błądzenie przypadkowe Wprowadzenie Dyfuzja zanieczyszczeń w strefie brzegowej Współczynniki dyfuzji turbulentnej Wpływ czynników dynamicznych i biologicznych Dyfuzja w eksperymentach laboratoryjnych Dyfuzja trasera uwalnianego z mikropipety Dyfuzja cieczy w zbiornikach o różnej koncentracji Dyfuzja w pobliżu sfer pochłaniających Dyfuzja w pobliżu płaskiego dysku pochłaniającego Znaczenie dyfuzji w mechanizmach przechwytywania Opadanie larw w wodzie Modyfikacje równań dyfuzji Wymiana na styku ocean atmosfera Wprowadzenie Wymiana gazów Aerozole morskie Mechanizmy produkcji aerozolu morskiego Parametryzacja strumieni aerozolu morskiego Zależność strumieni aerozoli od stanu morza Sezonowe zmiany produkcji aerozolu w Bałtyku Wpływ dynamiki systemu ocean atmosfera na klimat Zmiany w bilansie cieplnym i w zasoleniu oceanów Wpływ cyrkulacji termohalinowej na klimat Wpływ dynamiki wód na biologię Wprowadzenie Wpływ prądów wznoszących Fronty oceaniczne i produkcja biologiczna Struktura wód a dynamika planktonu Plamy planktonu w górnej warstwie oceanu Stratyfikacja wód a rozkład fitoplanktonu Mieszanie a produkcja pierwotna w Bałtyku Sezonowa dynamika planktonu w Bałtyku Relacja drapieżnik ofiara w ośrodku turbulentnym Część IV. Procesy hydrodynamiczne a inżynieria morska 381

6 10 Spis treści 17 Pełnomorskie budowle inżynierskie Wprowadzenie Wpływ prądów oraz falowania na kolumny pionowe Konstrukcje o małych rozmiarach Konstrukcje o dużych rozmiarach Rurociągi podmorskie Obciążenia hydrodynamiczne rurociągu Wpływ rurociągu na środowisko morskie Brzegowe budowle inżynierskie Wprowadzenie Erozja wokół kolumn pionowych Erozja raf koralowych Klimat falowy wokół rafy Inżynieria i ekologia na rafach koralowych Dodatki 401 A System miar SI i wybrane funkcje 403 A.1 Międzynarodowy system miar A.1.1 Wielkości podstawowe A.1.2 Wielkości pokrewne A.2 Wielkości wektorowe i operacje na wektorach A.3 Wybrane funkcje matematyczne A.4 Niektóre funkcje i całki A.4.1 Całka prawdopodobieństwa A.4.2 Funkcja błędu A.5 Szereg Fibonacciego B Obróbka danych eksperymentalnych 411 B.1 Metody pomiarów oceanograficznych B.1.1 Pomiar stacjonarny prądów B.1.2 Pomiar falowania B.1.3 Pomiar temperatury i zasolenia B.1.4 Pomiary satelitarne B.1.5 Pomiar koncentracji osadów zawieszonych B.2 Podstawy analizy wymiarowej B.3 Analiza spektralna i statystyczna szeregów czasowych B.3.1 Próbkowanie danych eksperymentalnych B.3.2 Usuwanie trendu i filtrowanie danych B.3.3 Obliczanie widm częstotliwościowych B.3.4 Statystyka szeregów czasowych B.4 Charakterystyczne wartości statystyczne B.4.1 Miary skupienia B.4.2 Miary rozproszenia B.4.3 Miary korelacji w zbiorze danych empirycznych B.5 Estymacja parametrów statystycznych B.6 Regresja wielowymiarowa

7 Spis treści 11 C Przykłady obliczeń praktycznych 431 C.1 Gęstość wody morskiej C.2 Profil częstotliwości Väisälä-Brunta C.3 Prędkość opadania cząstek C.4 Parametry fal regularnych C.5 Wysokość fali w strefie załamania C.6 Zmiany średniego poziomu morza w strefie przyboju C.7 Fale w sąsiedztwie linii brzegowej C.8 Fale według teorii nieliniowej C.9 Autokorelacja i widmo częstotliwościowe C.10 Wysokość fali wiatrowej w zatoce C.11 Profil gęstości w fali wewnętrznej C.12 Fala wewnętrzna nad progiem podwodnym C.13 Spirala oraz transport Ekmana w Bałtyku C.14 Prędkość prądu wzdłużbrzegowego C.15 Zrzut zanieczyszczeń do wody płynącej C.16 Ciągły dopływ zanieczyszczeń do morza C.17 Plama zanieczyszczeń na płynącej wodzie C.18 Wzdłużbrzegowy transport osadów C.19 Prędkości wód pod poziomym dnem C.20 Ciśnienia i prędkości wód porowych wokół pojedynczej formy dennej C.21 Potencjał prędkości dla ruchu falowego nad dnem pofałdowanym Literatura 459 Indeks autorów 479 Indeks rzeczowy 489 Kolorowe ryciny 497