Бароклинность

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  "Baroclinity"  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( сентябрь 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Линии плотности и изобары пересекаются вертикально в бароклинной жидкости.

Визуализация (фиктивного) образования изотерм (красно-оранжевый) и изобар (синий) при бароклинном атмосферном наслоении.

В динамике жидкости , то бароклинность (часто называемая бароклинностью ) стратифицированная жидкости является мерой того , насколько смещен градиент давления от градиента плотности в жидкости. ^{[1] [2]} В метеорологии бароклинная атмосфера - это атмосфера, плотность которой зависит как от температуры, так и от давления; Сравните это с баротропной атмосферой, для которой плотность зависит только от давления. С точки зрения атмосферы, баротропные зоны Земли обычно находятся в центральных широтах или тропиках , тогда как бароклинные зоны обычно находятся в средних широтах / полярных регионах. ^[3]

Бароклинность пропорциональна:

${\ Displaystyle \ набла п \ раз \ набла \ ро}$

который пропорционален синусу угла между поверхностями постоянного давления и поверхностями постоянной плотности . Таким образом, в баротропной жидкости (которая определяется нулевой бароклинностью) эти поверхности параллельны. ^{[4] [5] [6]}

Области высокой бароклинности атмосферы характеризуются частым образованием циклонов . ^[7]

Бароклинная нестабильность [ править ]

Бароклинная неустойчивость - это динамическая неустойчивость жидкости, имеющая фундаментальное значение в атмосфере и океанах . В атмосфере это доминирующий механизм, формирующий циклоны и антициклоны, которые определяют погоду в средних широтах. В океане он генерирует поле мезомасштабных (100 км или меньше) вихрей, которые играют различные роли в океанической динамике и переносе индикаторов .

Считается ли жидкость быстро вращающейся , определяется в этом контексте числом Россби , которое является мерой того, насколько поток близок к вращению твердого тела. Точнее, поток при вращении твердого тела имеет завихренность , пропорциональную его угловой скорости . Число Россби является мерой отклонения завихренности от завихренности вращения твердого тела. Число Россби должно быть небольшим, чтобы концепция бароклинной нестабильности была актуальной. Когда число Россби велико, другие виды нестабильности, часто называемые инерционными, становятся более актуальными. ^{[ необходима цитата ]}

Простейшим примером стабильно стратифицированного потока является поток несжимаемой жидкости, плотность которого уменьшается с высотой. ^{[ необходима цитата ]}

В сжимаемом газе, таком как атмосфера, подходящей мерой является вертикальный градиент энтропии , который должен увеличиваться с высотой, чтобы поток был устойчиво стратифицирован. ^{[ необходима цитата ]}

Сила стратификации измеряется, задавая вопрос, насколько велик должен быть вертикальный сдвиг горизонтальных ветров, чтобы дестабилизировать поток и вызвать классическую неустойчивость Кельвина – Гельмгольца . Эта мера называется числом Ричардсона . Когда число Ричардсона велико, стратификация достаточно сильна, чтобы предотвратить эту сдвиговую нестабильность. ^{[ необходима цитата ]}

До классической работы Джула Чарни и Эрика Иди о бароклинной нестабильности в конце 1940-х годов ^{[8] [9]} большинство теорий, пытающихся объяснить структуру среднеширотных водоворотов, брали за отправную точку высокое число Россби или малое число Ричардсона знакомый специалистам по гидродинамике в то время. Наиболее важной особенностью бароклинной неустойчивости является то, что она существует даже в ситуации быстрого вращения (малое число Россби) и сильной устойчивой стратификации (большое число Ричардсона), обычно наблюдаемых в атмосфере. ^{[ необходима цитата ]}

Источником энергии бароклинной нестабильности является потенциальная энергия в потоке окружающей среды. По мере роста нестабильности центр масс жидкости опускается. При растущих волнах в атмосфере холодный воздух, движущийся вниз и к экватору, вытесняет более теплый воздух, движущийся к полюсу и вверх. ^{[ необходима цитата ]}

Бароклинную нестабильность можно исследовать в лаборатории, используя вращающееся кольцевое пространство, заполненное жидкостью . Кольцевое пространство нагревается на внешней стенке и охлаждается на внутренней стенке, и результирующие потоки жидкости вызывают бароклинно неустойчивые волны. ^{[10] [11]}

Термин «бароклинный» относится к механизму образования завихренности . Завихренность - это ротор поля скорости. В общем, эволюция завихренности может быть разбита на вклады от адвекции (когда вихревые трубки движутся вместе с потоком), растяжения и скручивания (когда вихревые трубки притягиваются или скручиваются потоком) и генерации бароклинной завихренности, которая возникает всякий раз, когда есть градиент плотности вдоль поверхностей постоянного давления. Бароклинные потоки можно противопоставить баротропным потокам, в которых поверхности плотности и давления совпадают и нет бароклинной генерации завихренности. ^{[ необходима цитата ]}

Изучение эволюции этих бароклинных нестабильностей по мере их роста и последующего распада является важной частью разработки теорий фундаментальных характеристик погоды в средних широтах. ^{[ необходима цитата ]}

Бароклинический вектор [ править ]

Начав с уравнения движения жидкости без трения ( уравнения Эйлера ) и взяв ротор, мы приходим к уравнению движения для ротора скорости жидкости , то есть завихренности . ^{[ необходима цитата ]}

В жидкости, которая не все имеет одинаковую плотность, источник энергии появляется в уравнении завихренности, когда поверхности постоянной плотности ( изопикнические поверхности) и поверхности постоянного давления ( изобарические поверхности) не выровнены. Материал производной местного вихря определяется по формуле: ^{[ править ]}

${\displaystyle {\frac {D{\vec {\omega }}}{Dt}}\equiv {\frac {\partial {\vec {\omega }}}{\partial t}}+\left({\vec {u}}\cdot {\vec {\nabla }}\right){\vec {\omega }}=\left({\vec {\omega }}\cdot {\vec {\nabla }}\right){\vec {u}}-{\vec {\omega }}\left({\vec {\nabla }}\cdot {\vec {u}}\right)+\underbrace {{\frac {1}{\rho ^{2}}}{\vec {\nabla }}\rho \times {\vec {\nabla }}p} _{\text{baroclinic contribution}}}$

(где - скорость и - завихренность , ^[12] - давление, а - плотность). Бароклинный вклад - это вектор: ^[13]${\displaystyle {\vec {u}}}$${\displaystyle {\vec {\omega }}={\vec {\nabla }}\times {\vec {u}}}$ ${\displaystyle p}$${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle {\frac {1}{\rho ^{2}}}{\vec {\nabla }}\rho \times {\vec {\nabla }}p}$

Этот вектор, иногда называемый соленоидальным вектором ^[14], представляет интерес как для сжимаемых жидкостей, так и для несжимаемых (но неоднородных) жидкостей. Внутренние гравитационные волны, а также нестабильные моды Рэлея – Тейлора могут быть проанализированы с точки зрения бароклинного вектора. Это также представляет интерес в создании завихренности при прохождении ударной волны через неоднородные среды ^{[15] [16],} например, в неустойчивости Рихтмайера – Мешкова . ^{[17] [ необходима ссылка ]}

Опытные дайверы знакомы с очень медленными волнами, которые могут быть возбуждены на термоклине или галоклине , которые известны как внутренние волны.. Подобные волны могут возникать между слоем воды и слоем нефти. Когда граница между этими двумя поверхностями не горизонтальна, а система близка к гидростатическому равновесию, градиент давления является вертикальным, а градиент плотности - нет. Следовательно, бароклинный вектор отличен от нуля, и смысл бароклинного вектора заключается в создании завихренности, чтобы выравнивать границу раздела. При этом граница раздела выходит за пределы, и в результате возникает колебание, которое является внутренней гравитационной волной. В отличие от поверхностных гравитационных волн, внутренние гравитационные волны не требуют резкой границы раздела. Например, в водоемах постепенного градиента температуры или солености достаточно для поддержки внутренних гравитационных волн, вызываемых бароклинным вектором. ^{[ необходима цитата ]}

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Холтон, Джеймс Р. (2004). Дмовская, Рената; Холтон, Джеймс Р .; Россби, Х. Томас (ред.). Введение в динамическую метеорологию . Международная серия по геофизике. 88 (4-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Elsevier Academic Press . ISBN 978-0-12-354015-7.
• Гилл, Адриан Э. (1982). Донн, Уильям Л. (ред.). Динамика атмосферы и океана . Международная геофизическая серия. 30 . Сан-Диего, Калифорния: Academic Press . ISBN 978-0-12-283522-3.
• Педлоски, Джозеф (1987) [1979]. Геофизическая гидродинамика (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Verlag . ISBN 978-0-387-96387-7.
• Триттон, DJ (1988) [1977]. Физическая гидродинамика (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Джерси: Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-854493-7.
• Валлис, Джеффри К. (2007) [2006]. «Завихренность и потенциальная завихренность». Динамика атмосферных и океанических флюидов: основы и крупномасштабная циркуляция . Кембридж: Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-84969-2.

Внешние ссылки [ править ]