Геофизическая гидродинамика

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

Двумя физическими особенностями, общими для многих явлений, изучаемых в геофизической гидродинамике, являются вращение жидкости вследствие вращения планет и ее расслоение (расслоение). Приложения геофизической гидродинамики обычно не включают циркуляцию мантии , которая является предметом геодинамики , или гидродинамические явления в магнитосфере .

Основы

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

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

где $ц$ — 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 ускорение, которое будет испытывать небольшой участок жидкости в системе отсчета, которая перемещается вместе с участком ( лагранжева 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 проводимости , тепловой поток определяется уравнением диффузии . Если существуют также эффекты плавучести , например, подъем горячего воздуха, то может возникнуть естественная конвекция , также известная как свободная конвекция. ^[2]^: 171 Земли Конвекция во внешнем ядре приводит в движение геодинамо , которое является источником магнитного поля Земли . ^[3]^{: Глава 8} В океане конвекция может быть термической (вызванной теплом), халинной (где плавучесть обусловлена разницей в солености) или термохалинной — комбинацией этих двух. ^[4]

Плавучесть и стратификация

Внутренние волны в Мессинском проливе (фото ASTER ).

Жидкость, которая менее плотна, чем ее окружение, имеет тенденцию подниматься до тех пор, пока не станет такой же плотности, как и ее окружение. Если в систему поступает мало энергии, она будет иметь тенденцию к расслоению . В больших масштабах атмосфера Земли разделена на ряд слоев . Поднимаясь вверх от земли, это тропосфера , стратосфера , мезосфера , термосфера и экзосфера . ^[5]

Плотность воздуха определяется главным образом температурой и содержанием водяного пара , плотность морской воды — температурой и соленостью , а плотность озерной воды — температурой. Там, где происходит расслоение, могут существовать тонкие слои, в которых температура или некоторые другие свойства изменяются с высотой или глубиной быстрее, чем в окружающей жидкости. В зависимости от основных источников плавучести этот слой можно назвать пикноклином (плотность), термоклином (температура), галоклином (соленость) или хемоклином (химия, включая оксигенацию).

Та же самая плавучесть, которая вызывает расслоение, также приводит в движение гравитационные волны . Если гравитационные волны возникают внутри жидкости, их называют внутренними волнами . ^[2]^{: 208–214}

При моделировании течений, вызванных плавучестью, уравнения Навье-Стокса модифицируются с использованием приближения Буссинеска . При этом игнорируются изменения плотности, за исключением случаев, когда они умножаются на гравитационное ускорение $g$ . ^[2]^: 188

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

Вращение

Общий тираж

Волны

Баротропный

Бароклиника

Гравитационная волна

См. также

Лаборатория геофизической гидродинамики

Ссылки

^ Валлис, Джеффри К. (24 августа 2016 г.). «Геофизическая гидродинамика: откуда, куда и почему?» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 472 (2192): 20160140. Бибкод : 2016RSPSA.47260140V . дои : 10.1098/rspa.2016.0140 . ПМК 5014103 . ПМИД 27616918 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Триттон, диджей (1990). Физическая гидродинамика (второе изд.). Издательство Оксфордского университета . ISBN 0-19-854489-8 .
^ Меррилл, Рональд Т.; МакЭлхинни, Майкл В.; Макфадден, Филипп 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 с элементами физической океанографии . Лондон: Академическая пресса. п. 414. ИСБН 9780123757210 .
^ Зелл, Холли (2 марта 2015 г.). «Верхняя атмосфера Земли» . НАСА . Проверено 20 февраля 2017 г.
^ Хаби, Джефф. «Баротропные и бароклинные определения» . Подсказки прогноза погоды Хаби . Проверено 17 августа 2017 г.

Дальнейшее чтение

Кушман-Руазен, Бенуа; Беккерс, 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 г.
Гилл, Адриан Э. (1982). Атмосфера: динамика океана (ред. [Начдр.]). Нью-Йорк: Академическая пресса. ISBN 978-0122835223 .
Маквильямс, Джеймс К. (2006). Основы геофизической гидродинамики . Кембридж: Кембриджский университет. Нажимать. 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). Динамика атмосферных и океанических жидкостей: основы и крупномасштабная циркуляция (Переиздание). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521849692 .

Внешние ссылки

[1] Валлис, Джеффри К. (24 августа 2016 г.). «Геофизическая гидродинамика: откуда, куда и почему?» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 472 (2192): 20160140. Бибкод : 2016RSPSA.47260140V . дои : 10.1098/rspa.2016.0140 . ПМК 5014103 . ПМИД 27616918 .

[Tritton-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Триттон, диджей (1990). Физическая гидродинамика (второе изд.). Издательство Оксфордского университета . ISBN 0-19-854489-8 .

[Merrill-3] Меррилл, Рональд Т.; МакЭлхинни, Майкл В.; Макфадден, Филипп 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 с элементами физической океанографии . Лондон: Академическая пресса. п. 414. ИСБН 9780123757210 .

[5] Зелл, Холли (2 марта 2015 г.). «Верхняя атмосфера Земли» . НАСА . Проверено 20 февраля 2017 г.

[Haby-6] Хаби, Джефф. «Баротропные и бароклинные определения» . Подсказки прогноза погоды Хаби . Проверено 17 августа 2017 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

v т и Геофизика
Overview	Outline Geophysicists
Subfields	Geodynamics Geophysical survey Geomagnetism Geomathematics Geophysical fluid dynamics Mineral physics Near-surface geophysics Paleomagnetism Seismology Tectonophysics
Physical phenomena	Chandler wobble Coriolis effect Earth's energy budget Earth's magnetic field Geodynamo Geothermal gradient Gravity of Earth Mantle convection Precession of the equinoxes Seismic wave Tide
Related disciplines	Geodesy
Geophysics portal Category Commons

v т и Физическая океанография
Waves	Airy wave theory Ballantine scale Benjamin–Feir instability Boussinesq approximation Breaking wave Clapotis Cnoidal wave Cross sea Dispersion Edge wave Equatorial waves Fetch Gravity wave Green's law Infragravity wave Internal wave Iribarren number Kelvin wave Kinematic wave Longshore drift Luke's variational principle Mild-slope equation Radiation stress Rogue wave Rossby wave Rossby-gravity waves Sea state Seiche Significant wave height Soliton Stokes boundary layer Stokes drift Stokes wave Swell Trochoidal wave Tsunami megatsunami Undertow Ursell number Wave action Wave base Wave height Wave nonlinearity Wave power Wave radar Wave setup Wave shoaling Wave turbulence Wave–current interaction Waves and shallow water one-dimensional Saint-Venant equations shallow water equations Wind setup Wind wave model
Circulation	Atmospheric circulation Baroclinity Boundary current Coriolis force Coriolis–Stokes force Craik–Leibovich vortex force Downwelling Eddy Ekman layer Ekman spiral Ekman transport El Niño–Southern Oscillation General circulation model Geochemical Ocean Sections Study Geostrophic current Global Ocean Data Analysis Project Gulf Stream Halothermal circulation Humboldt Current Hydrothermal circulation Langmuir circulation Longshore drift Loop Current Modular Ocean Model Ocean current Ocean dynamics Ocean dynamical thermostat Ocean gyre Overflow Princeton ocean model Rip current Subsurface currents Sverdrup balance Thermohaline circulation shutdown Upwelling Wind generated current Whirlpool World Ocean Circulation Experiment
Tides	Amphidromic point Earth tide Head of tide Internal tide Lunitidal interval Perigean spring tide Rip tide Rule of twelfths Slack tide Tidal bore Tidal force Tidal power Tidal race Tidal range Tidal resonance Tide gauge Tideline Theory of tides
Landforms	Abyssal fan Abyssal plain Atoll Bathymetric chart Coastal geography Cold seep Continental margin Continental rise Continental shelf Contourite Guyot Hydrography Knoll Oceanic basin Oceanic plateau Oceanic trench Passive margin Seabed Seamount Submarine canyon Submarine volcano
Plate tectonics	Convergent boundary Divergent boundary Fracture zone Hydrothermal vent Marine geology Mid-ocean ridge Mohorovičić discontinuity Vine–Matthews–Morley hypothesis Oceanic crust Outer trench swell Ridge push Seafloor spreading Slab pull Slab suction Slab window Subduction Transform fault Volcanic arc
Ocean zones	Benthic Deep ocean water Deep sea Littoral Mesopelagic Oceanic Pelagic Photic Surf Swash
Sea level	Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis Future sea level Global Sea Level Observing System North West Shelf Operational Oceanographic System Sea-level curve Sea level rise Sea level drop World Geodetic System
Acoustics	Deep scattering layer Hydroacoustics Ocean acoustic tomography Sofar bomb SOFAR channel Underwater acoustics
Satellites	Jason-1 Jason-2 (Ocean Surface Topography Mission) Jason-3
Related	Acidification Argo Benthic lander Color of water DSV Alvin Marginal sea Marine energy Marine pollution Mooring National Oceanographic Data Center Ocean Explorations Observations Reanalysis Ocean surface topography Ocean temperature Ocean thermal energy conversion Oceanography Outline of oceanography Pelagic sediment Sea surface microlayer Sea surface temperature Seawater Science On a Sphere Stratification Thermocline Underwater glider Water column World Ocean Atlas
Oceans portal Category Commons