[科普中國]-地球物理流體動力學(xué)

簡介

地球物理流體動力學(xué)是對地球和其他行星上自然發(fā)生的大規(guī)模流動的研究，是指相對于大氣層、海洋和地球內(nèi)部的流體動力學(xué)理論。 它適用于海洋和外核中流體的運(yùn)動，以及地球和其他行星的氣體運(yùn)動。 在地球物理流體動力學(xué)中研究的許多現(xiàn)象常見的兩個特征是由于行星旋轉(zhuǎn)和分層（分層）而導(dǎo)致的流體旋轉(zhuǎn)。1

地球物理流體動力學(xué)的應(yīng)用通常不包括作為地球動力學(xué)的主體的地幔的循環(huán)，或是磁層中的流體現(xiàn)象。 相對不受地球旋轉(zhuǎn)或緯度或?qū)嵸|(zhì)分層影響的較小尺度的流量不是GFD的一部分?？梢詰?yīng)用于地球動力學(xué)及發(fā)電機(jī)原理之上。

基本面為了描述地球物理流體的流動，需要方程來保存動量（或牛頓第二定律）和能量守恒。 前者導(dǎo)致了Navier-Stokes方程。 通常進(jìn)行進(jìn)一步的近似。2 首先，假定流體是不可壓縮的。 值得注意的是，即使對于像空氣一樣的高度可壓縮的流體，只要能夠忽略聲波和沖擊波，這一點(diǎn)也很好。第二，流體被假定為牛頓流體，意味著存在線性關(guān)系在剪切應(yīng)力τ和應(yīng)變u之間，例如：

其中μ是粘度。在這些假設(shè)下，Navier-Stokes方程是，

左側(cè)表示一小塊流體在與包裹一起移動的參考框架（拉格朗日參照系）中會遇到的加速度。 在一個固定的（歐拉）參考系中，這個加速度被分為速度和對流的局部變化速率，這是一個在小區(qū)域內(nèi)進(jìn)出的速率的量度。節(jié)能方程本質(zhì)上是熱流的方程式。 如果通過傳導(dǎo)傳輸熱量，則熱流由擴(kuò)散方程決定。 如果還有浮力效應(yīng)，例如熱空氣升高，那么就會發(fā)生自然對流，也稱為自由對流。地球外核對流驅(qū)動作為地球磁場源的地球動力學(xué)。在海洋中，對流可以是熱量（由熱驅(qū)動）、鹵素（其中浮力是由于鹽度的差異引起的）或溫鹽，或這兩者的組合。

浮力和分層比周圍環(huán)境密度低的流體往往會上升，直到與周圍環(huán)境密度相同。如果系統(tǒng)輸入的能量不足，就會趨于分層。大規(guī)模地球的大氣分為一系列的層次。從地面向上，這些是對流層，平流層，中層，熱層和大氣層。

空氣密度主要由溫度和水汽含量，海水溫度和鹽度的密度以及湖水的溫度密度決定。發(fā)生分層時，可能有薄層，其中溫度或某些其他性質(zhì)的高度或深度比周圍的流體更快地變化。根據(jù)浮力的主要來源，該層可以稱為親環(huán)線（密度），溫躍層（溫度），鹵素線（鹽度）或化學(xué)線（化學(xué)，包括氧化）。3

引起分層的同樣浮力也會引起重力波動。如果重力波發(fā)生在流體內(nèi)，則稱為內(nèi)波。

在浮力驅(qū)動的流動模型中，使用Boussinesq近似修正了Navier-Stokes方程。這忽略了密度變化，除了乘以重力加速度g。如果壓力僅取決于密度，反之亦然，流體動力學(xué)稱為正壓。

回轉(zhuǎn)科里奧利效應(yīng)

循環(huán)

開爾文循環(huán)定理

渦度方程

熱風(fēng)

地球電流

地風(fēng)

泰勒 - 普魯定理4

靜水平衡

Ekman螺旋

Ekman層

一般流通 大氣環(huán)流

海流

海洋動力

溫鹽循環(huán)

邊界電流

Sverdrup平衡

地下電流

波浪正壓開爾文波

羅斯比波

Sverdrup波

斜壓重力波