WikiDer > Геофизическая гидродинамика - Википедия
Геофизическая гидродинамика, в самом широком смысле, относится к гидродинамике естественных потоков, таких как потоки лавы, океаны и планетарные потоки. атмосферы, на земной шар и другие планеты.[1]
Две физические особенности, общие для многих явлений, изучаемых в геофизической гидродинамике: вращение жидкости из-за планетарного вращения и стратификация (наслоение). Приложения геофизической гидродинамики обычно не включают циркуляцию мантия, который является предметом геодинамика, или жидкие явления в магнитосфера.
Основы
Для описания течения геофизических жидкостей необходимы уравнения для сохранение импульса (или же Второй закон Ньютона) и сохранение энергии. Первое приводит к Уравнения Навье – Стокса. Обычно делаются дальнейшие приближения. Во-первых, предполагается, что жидкость несжимаемый. Примечательно, что это хорошо работает даже для сильно сжимаемой жидкости, такой как воздух, если звук и ударные волны можно игнорировать.[2]:2–3 Во-вторых, предполагается, что жидкость Ньютоновская жидкость, что означает, что существует линейная связь между напряжение сдвига τ и напряжение ты, Например
куда μ это вязкость.[2]:2–3 При этих предположениях уравнения Навье-Стокса имеют вид
Левая часть представляет собой ускорение, которое небольшой кусочек жидкости испытал бы в системе отсчета, которая двигалась вместе с этим участком ( Лагранжева система отсчета). В стационарной (эйлеровой) системе отсчета это ускорение делится на локальную скорость изменения скорости и адвекция, мера скорости потока в небольшой области или из нее.[2]:44–45
Уравнение сохранения энергии по сути является уравнением теплового потока. Если тепло переносится проводимость, тепловой поток регулируется распространение уравнение. Если есть также плавучесть эффекты, например, подъем горячего воздуха, затем естественная конвекция, также известная как свободная конвекция.[2]:171 Конвекция на Земле внешнее ядро движет геодинамо это источник Магнитное поле Земли.[3](Глава 8) В океане конвекция может быть тепловой (движимый жарой), Халин (где плавучесть обусловлена различиями в солености), или термохалин, комбинация двух.[4]
Плавучесть и стратификация
Жидкость, которая менее плотна, чем ее окружение, имеет тенденцию подниматься, пока не достигнет той же плотности, что и ее среда. Если в систему не поступает много энергии, она может стать стратифицированный. По большому счету, атмосфера Земли разделен на серию слоев. Поднимаясь вверх от земли, это тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, и экзосфера.[5]
Плотность воздуха в основном определяется температурой и водяной пар содержание, плотность морская вода по температуре и соленость, а плотность воды в озере - по температуре. Там, где происходит расслоение, могут быть тонкие слои, в которых температура или какое-либо другое свойство изменяется быстрее с высотой или глубиной, чем окружающая жидкость. В зависимости от основных источников плавучести этот слой можно назвать пикноклин (плотность), термоклин (температура), галоклин (соленость), или хемоклин (химия, в том числе оксигенация).
Та же плавучесть, которая вызывает расслоение, также движет гравитационные волны. Если гравитационные волны возникают внутри жидкости, они называются внутренние волны.[2]:208–214
При моделировании течений, управляемых плавучестью, уравнения Навье-Стокса модифицируются с использованием Приближение Буссинеска. Это игнорирует изменения плотности, кроме случаев, когда они умножаются на гравитационное ускорение грамм.[2]:188
Если давление зависит только от плотности и наоборот, гидродинамику называют баротропный. В атмосфере это соответствует отсутствию фронтов, как в тропики. Если есть фронты, то поток бароклиника, и нестабильности, такие как циклоны может случиться.[6]
Вращение
- Эффект Кориолиса
- Тираж
- Теорема циркуляции Кельвина
- Уравнение завихренности
- Термальный ветер
- Геострофическое течение
- Геострофический ветер
- Теорема Тейлора – Праудмена
- Гидростатическое равновесие
- Спираль Экмана
- Слой Экмана
Общее кровообращение
- Атмосферная циркуляция
- океаническое течение
- Динамика океана
- Термохалинное кровообращение
- Граничный ток
- Баланс Свердрупа
- Подземные течения
Волны
Баротропный
- Волна Кельвина
- Волна Россби
- Волна Свердрупа (Волна Пуанкаре)
Бароклиника
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Валлис, Джеффри К. (24 августа 2016 г.). «Геофизическая гидродинамика: откуда, куда и почему?». Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 472 (2192): 20160140. Bibcode:2016RSPSA.47260140V. Дои:10.1098 / rspa.2016.0140. ЧВК 5014103. PMID 27616918.
- ^ а б c d е ж Триттон, Д. Дж. (1990). Физическая гидродинамика (Второе изд.). Oxford University Press. ISBN 0-19-854489-8.CS1 maint: ref = harv (связь)
- ^ Меррилл, Рональд Т .; МакЭлхинни, Майкл В .; Макфадден, Филип Л. (1996). Магнитное поле Земли: палеомагнетизм, ядро и глубокая мантия. Академическая пресса. ISBN 978-0-12-491246-5.
- ^ Соловьев, А .; Клингер, Б. (2009). «Циркуляция открытого океана». В Торпе, Стив А. (ред.). Энциклопедия наук об океане элементы физической океанографии. Лондон: Academic Press. п. 414. ISBN 9780123757210.
- ^ Зелл, Холли (2015-03-02). «Верхняя атмосфера Земли». НАСА. Получено 2017-02-20.
- ^ Хаби, Джефф. «Баротропное и бароклинное определение». Подсказки Хаби по прогнозированию погоды. Получено 17 августа 2017.CS1 maint: ref = harv (связь)
дальнейшее чтение
- Кушман-Ройзен, Бенуа; Бекерс, Жан-Мари (октябрь 2011 г.). Введение в геофизическую гидродинамику: физические и численные аспекты (Второе изд.). Академическая пресса. ISBN 978-0-12-088759-0. Получено 14 октября, 2010.CS1 maint: ref = harv (связь)
- Гилл, Адриан Э. (1982). Атмосфера: динамика океана ([Nachdr.] Ред.). Нью-Йорк: Academic Press. ISBN 978-0122835223.
- Маквильямс, Джеймс С. (2006). Основы геофизической гидродинамики. Кембридж: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN 9780521856379.
- Монин, А. (1990). Теоретическая геофизическая гидродинамика. Дордрехт: Springer, Нидерланды. ISBN 978-94-009-1880-1.
- Педлоски, Джозеф (2012). Геофизическая гидродинамика. Springer Science & Business Media. ISBN 9781468400717.
- Лосось, Рик (1998). Лекции по геофизической гидродинамике. Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780195355321.
- Валлис, Джеффри К. (2006). Атмосферная и океаническая гидродинамика: основы и крупномасштабная циркуляция (Перепечатка ред.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521849692.