Войти
Модельный прогноз урагана Митч, созданный Лабораторией геофизической гидродинамики. Стрелки представляют собой векторы ветра, а серая штриховка указывает на поверхность эквивалентной потенциальной температуры, которая выделяет поверхностный слой притока и глазную стенку. Геофизическая гидродинамика в самом широком смысле значение, относится к гидродинамике естественных потоков, таких как потоки лавы, океаны и атмосферы планет, на Земле и других планетах.
Две физические особенности, которые Общими для многих явлений, изучаемых в геофизической гидродинамике, являются вращение жидкости из-за вращения планеты и стратификация (наслоение). Приложения геофизической гидродинамики обычно не включают циркуляцию мантии, которая является предметом геодинамики, или явления флюидов в магнитосфере.
Для описания потока геофизических жидкостей необходимы уравнения для сохранения импульса (или второго закона Ньютона ) и сохранение энергии. Первое приводит к уравнениям Навье – Стокса. Обычно делаются дальнейшие приближения. Во-первых, предполагается, что жидкость несжимаема. Примечательно, что это хорошо работает даже для сильно сжимаемой жидкости, такой как воздух, если можно игнорировать звук и ударные волны. Во-вторых, предполагается, что жидкость представляет собой ньютоновскую жидкость, что означает, что существует линейная зависимость между напряжением сдвига τи деформацией u, например
, где μ- вязкость. При этих предположениях уравнения Навье-Стокса следующие:
Левая часть представляет собой ускорение, которое небольшой кусочек жидкости испытал бы в системе отсчета, которая двигалась вместе с этим участком (лагранжевой системой 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.
Уравнение сохранения энергии по сути является уравнением теплового потока. Если тепло переносится посредством теплопроводности, тепловой поток определяется уравнением диффузии. Если есть также эффекты плавучести, например, подъем горячего воздуха, то может возникнуть естественная конвекция, также известная как свободная конвекция. Конвекция во внешнем ядре Земли приводит в движение геодинамо, которое является источником магнитного поля Земли. В океане конвекция может быть термической (вызванной жарой), халинной (где плавучесть обусловлена разницей солености) или термохалинной, комбинацией этих двух.
Внутренние волны в Мессинском проливе (сфотографировано ASTER ).Флюид, который менее плотен, чем его окружение, имеет тенденцию подниматься, пока не достигнет той же плотности, что и его окружение. Если есть не так много энергии поступает в систему, она будет иметь тенденцию к расслоению. В крупном масштабе атмосфера Земли разделена на серию слоев. При движении вверх от земли эти тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера.
Плотность воздуха в основном определяется температуры и содержания водяного пара, плотности морской воды по температуре и солености и плотности воды в озере по температуре. Если происходит расслоение, может наблюдаться тонкие слои в какая 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 (химия, в том числе оксигенация).
Та же плавучесть, которая вызывает расслоение, также движет гравитационными волнами. Если гравитационные волны возникают внутри жидкости, они называются внутренними волнами.
. При моделировании потоков, 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.
. Если давление зависит только от плотности и наоборот, гидродинамика называется баротропной. В атмосфере это соответствует отсутствию фронтов, как в тропиках. Если есть фронты, поток бароклинный, и могут возникать нестабильности, такие как циклоны.
