Геофизическая гидродинамика

Модельный прогноз урагана «Митч», созданный Лабораторией геофизической гидродинамики . Стрелки - это векторы ветра, а серое затенение указывает на поверхность с эквивалентной потенциальной температурой, которая выделяет поверхностный слой притока и область глаза .

Геофизическая гидродинамика в самом широком смысле относится к гидродинамике естественных потоков, таких как потоки лавы, океаны и атмосферы планет на Земле и других планетах . ^[1]

Двумя физическими особенностями, которые являются общими для многих явлений, изучаемых в геофизической гидродинамике, являются вращение жидкости из-за планетарного вращения и стратификация (расслоение). Приложения геофизической гидродинамики обычно не включают циркуляцию мантии , которая является предметом геодинамики , или жидкостные явления в магнитосфере .

Основы [ править ]

Для описания потока геофизических жидкостей необходимы уравнения сохранения количества движения (или второго закона Ньютона ) и сохранения энергии . Первое приводит к уравнениям Навье – Стокса, которые (пока) не могут быть решены аналитически. Поэтому для решения этих уравнений обычно используются дополнительные приближения. Во-первых, предполагается, что жидкость несжимаема . Примечательно, что это хорошо работает даже для такой сжимаемой жидкости, как воздух, если можно игнорировать звуковые и ударные волны . ^[2]^{: 2–3} Во-вторых, предполагается, что жидкость является ньютоновской., что означает, что существует линейная зависимость между напряжением сдвига $τ$ и деформацией $u$ , например

{\ displaystyle \ tau = \ mu {\ frac {du} {dx}},}

где $μ$ - вязкость . ^[2]^{: 2–3} При этих предположениях уравнения Навье-Стокса имеют вид

\overbrace {\rho {\Big (}\underbrace {\frac {\partial \mathbf {v} }{\partial t}} _{\begin{smallmatrix}{\text{Eulerian}}\\{\text{acceleration}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\mathbf {v} \cdot \nabla \mathbf {v} } _{\begin{smallmatrix}{\text{Advection}}\end{smallmatrix}}{\Big )}} ^{\text{Inertia (per volume)}}=\overbrace {\underbrace {-\nabla p} _{\begin{smallmatrix}{\text{Pressure}}\\{\text{gradient}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\mu \nabla ^{2}\mathbf {v} } _{\text{Viscosity}}} ^{\text{Divergence of stress}}+\underbrace {\mathbf {f} } _{\begin{smallmatrix}{\text{Other}}\\{\text{body}}\\{\text{forces}}\end{smallmatrix}}.

Левая часть представляет собой ускорение, которое небольшой кусочек жидкости испытал бы в системе отсчета, которая двигалась вместе с посылкой ( лагранжевая система отсчета ). В стационарной (эйлеровой) системе отсчета это ускорение делится на локальную скорость изменения скорости и адвекцию , меру скорости потока в небольшой области или из нее. ^[2]^{: 44–45}

Уравнение сохранения энергии по сути является уравнением теплового потока. Если тепло переносится за счет теплопроводности , тепловой поток регулируется уравнением диффузии . Если есть также эффекты плавучести , например, поднимающийся горячий воздух, то может возникнуть естественная конвекция , также известная как свободная конвекция. ^[2]^{: 171} Конвекция во внешнем ядре Земли приводит в движение геодинамо, которое является источником магнитного поля Земли . ^[3]^{( Глава 8 )} В океане конвекция может быть термической (вызванной жарой), халинной.(где плавучесть обусловлена разницей в солености) или термохалин , комбинация этих двух. ^[4]

Плавучесть и стратификация [ править ]

Внутренние волны в Мессинском проливе (фото АСТЕР ).

Жидкость, которая менее плотна, чем ее окружение, имеет тенденцию подниматься, пока не достигнет той же плотности, что и ее окружение. Если в систему не поступает много энергии, она будет расслаиваться . По большому счету, атмосфера Земли разделена на несколько слоев . Поднимаясь вверх от земли, это тропосфера , стратосфера , мезосфера , термосфера и экзосфера . ^[5]

Плотность воздуха в основном определяется температурой и содержанием водяного пара , плотность морской воды - температурой и соленостью , а плотность воды озера - температурой. 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 может называться пикноклин (плотность), термоклин (температура), галоклин (соленость) или хемоклин (химический состав, включая оксигенацию).

Та же плавучесть, которая вызывает стратификацию, также управляет гравитационными волнами . Если гравитационные волны возникают внутри жидкости, они называются внутренними волнами . ^[2]^{: 208–214}

При моделировании течений, управляемых плавучестью, уравнения Навье-Стокса модифицируются с использованием приближения Буссинеска . Это игнорирует изменения плотности, за исключением случаев, когда они умножаются на ускорение свободного падения $g$ . ^[2]^{: 188}

Если давление зависит только от плотности и наоборот, гидродинамику называют баротропной . В атмосфере это соответствует отсутствию фронтов, как в тропиках . Если есть фронты, поток является бароклинным , и могут возникать нестабильности, такие как циклоны . ^[6]

Вращение [ править ]

Эффект Кориолиса
Тираж
Теорема циркуляции Кельвина
Уравнение завихренности
Термальный ветер
Геострофическое течение
Геострофический ветер
Теорема Тейлора – Праудмена
Гидростатическое равновесие
Спираль Экмана
Слой Экмана

Общее обращение [ править ]

Атмосферная циркуляция
океаническое течение
Динамика океана
Термохалинное кровообращение
Граничный ток
Свердруп баланс
Подземные течения

Волны [ править ]

Баротропный [ править ]

Волна Кельвина
Волна Россби
Волна Свердрупа (волна Пуанкаре)

Baroclinic [ править ]

Гравитационная волна

См. Также [ править ]

Лаборатория геофизической гидродинамики

Ссылки [ править ]

^ Валлис, Джеффри К. (24 августа 2016). «Геофизическая гидродинамика: откуда, куда и почему?» . Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 472 (2192): 20160140. Bibcode : 2016RSPSA.47260140V . DOI : 10,1098 / rspa.2016.0140 . PMC 5014103 . PMID 27616918 .
^ Б с д е е Tritton, DJ (1990). Физическая гидродинамика (второе изд.). Издательство Оксфордского университета . ISBN 0-19-854489-8.
^ Merrill, 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 . Проверено 20 февраля 2017 .
^ Хаби, Джефф. «Баротропное и бароклинное определение» . Подсказки прогноза погоды Хэби . Проверено 17 августа 2017 года .

Дальнейшее чтение [ править ]

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. Проверено 14 октября 2010 года .
Гилл, Адриан Э. (1982). Атмосфера: динамика океана ([Nachdr.] Ed.). Нью-Йорк: Academic Press. ISBN 978-0122835223.
Маквильямс, Джеймс С. (2006). Основы геофизической гидродинамики . Кембридж: Cambridge Univ. Нажмите. ISBN 9780521856379.
Монин, А.С. (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 (Переиздание ред.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521849692.

Внешние ссылки [ править ]

Программа геофизической гидродинамики ( Океанографический институт Вудс-Холла )
Лаборатория геофизической гидродинамики ( Вашингтонский университет )

[1] Валлис, Джеффри К. (24 августа 2016). «Геофизическая гидродинамика: откуда, куда и почему?» . Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 472 (2192): 20160140. Bibcode : 2016RSPSA.47260140V . DOI : 10,1098 / rspa.2016.0140 . PMC 5014103 . PMID 27616918 .

[Tritton-2] Б с д е е Tritton, DJ (1990). Физическая гидродинамика (второе изд.). Издательство Оксфордского университета . ISBN 0-19-854489-8.

[Merrill-3] Merrill, 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.

[4] 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.

[5] Зелл, Холли (2015-03-02). «Верхняя атмосфера Земли» . НАСА . Проверено 20 февраля 2017 .

[Haby-6] Хаби, Джефф. «Баротропное и бароклинное определение» . Подсказки прогноза погоды Хэби . Проверено 17 августа 2017 года .

[1]

vтеГеофизика
Обзор	Контур Геофизики
Подполя	Геодезия Геодинамика Геофизические исследования Геомагнетизм Геофизическая гидродинамика Математическая геофизика Минеральная физика Приповерхностная геофизика Палеомагнетизм Сейсмология Тектонофизика
Физические явления	Чендлер колеблется Эффект Кориолиса Магнитное поле Земли Геодинамо Геотермальный градиент Гравитация Земли Мантийная конвекция Прецессия равноденствий Сейсмическая волна Прилив
Категория Портал Commons

vтеФизическая океанография
Волны	Теория волн Эйри Шкала баллантина Неустойчивость Бенджамина – Фейра Приближение Буссинеска Разбивающаяся волна Клапотис Кноидальная волна Пересечь море Дисперсия Краевая волна Экваториальные волны Принести Гравитационная волна Закон Грина Инфрагравитационная волна Внутренняя волна Число Ирибаррена Волна Кельвина Кинематическая волна Береговой дрейф Вариационный принцип Люка Уравнение с умеренным наклоном Радиационный стресс Разбойная волна Волна Россби Россби-гравитационные волны Состояние моря Seiche Значительная высота волны Солитон Пограничный слой Стокса Стоксов дрейф Волна Стокса Опухать Трохоидальная волна Цунами Мегацунами Прилив Номер Урселла Волновое действие Волновая база Высота волны Мощность волны Волновой радар Настройка волны Обмеление волн Волновая турбулентность Взаимодействие волны с током Волны и мелководье одномерные уравнения Сен-Венана уравнения мелкой воды Ветровая волна модель
Тираж	Атмосферная циркуляция Бароклинность Граничный ток Сила Кориолиса Сила Кориолиса – Стокса Вихревая сила Крейка – Лейбовича. Даунвеллинг Эдди Слой Экмана Спираль Экмана Экман транспорт Эль-Ниньо - Южное колебание Модель общей циркуляции Изучение геохимических разрезов океана Геострофическое течение Проект анализа глобальных океанических данных Гольфстрим Галотермальная циркуляция Течение Гумбольдта Гидротермальная циркуляция Ленгмюровское кровообращение Береговой дрейф Контурный ток Модульная модель океана океаническое течение Динамика океана Круговорот океана Принстонская модель океана Ток разрыва Подземные течения Свердруп баланс Термохалинное кровообращение неисправность Апвеллинг Ток, генерируемый ветром Водоворот Эксперимент по циркуляции Мирового океана
Приливы	Амфидромная точка Земной прилив Глава прилива Внутренний прилив Лунный интервал Перигей весенний прилив Rip tide Правило двенадцатых Стоячая вода Приливная скважина Приливная сила Приливная сила Приливная гонка Приливный диапазон Приливный резонанс Датчик приливов и отливов Линия прилива Теория приливов и отливов
Формы рельефа	Глубинный веер Глубинная равнина Атолл Батиметрическая карта Прибрежная география Холодное просачивание Континентальная окраина Континентальный подъем континентальный шельф Контурит Гайо Гидрография Океанический бассейн Океаническое плато Океанический желоб Пассивная маржа Морское дно Подводная гора Подводный каньон Подводный вулкан
Тектоника плит	Сходящаяся граница Расходящаяся граница Зона перелома Гидротермальный источник Морская геология Срединно-океанический хребет Разрыв Мохоровича Гипотеза Вайна – Мэтьюза – Морли Океаническая кора Набухание внешней траншеи Ридж-толчок Распространение морского дна Вытягивание плиты Всасывание плиты Плиточное окно Субдукция Преобразовать ошибку Вулканическая дуга
Океанские зоны	Бентосный Глубокая океанская вода Глубокое море Прибрежный Мезопелагический Океанический Пелагический Photic Серфинг Swash
Уровень моря	Глубоководная оценка цунами и сообщение о них Будущий уровень моря Глобальная система наблюдения за уровнем моря Оперативная океанографическая система Северо-Западного шельфа Кривая уровня моря Повышение уровня моря Мировая геодезическая система
Акустика	Глубокий рассеивающий слой Гидроакустика Акустическая томография океана Софар бомба ГНФАР канал Подводная акустика
Спутники	Джейсон-1 Джейсон-2 (Миссия по топографии поверхности океана) Джейсон-3
Связанный	Арго Бентический спускаемый аппарат Цвет воды DSV Элвин Окраинное море Морская энергия загрязнение морской среды Швартовка Национальный центр океанографических данных Океан Исследование океана Наблюдения за океаном Реанализ океана Топография поверхности океана Преобразование тепловой энергии океана Океанография Очерк океанографии Пелагический осадок Микрослой морской поверхности Температура поверхности моря Морская вода Наука о сфере Термоклин Подводный планер Толщина воды Атлас Мирового океана
Портал океанов Категория Commons