基本介紹
- 中文名：地球物理流體動力學
- 外文名：Geophysical fluid dynamics
- 縮寫：GFD
- 領域：力學
- 研究對象：地球和其他行星發生的大規模流動
- 套用：地球動力學、發電機原理
簡介,基本面,浮力和分層,迴轉,一般流通,波浪,正壓,斜壓,
簡介
地球物理流體動力學是對地球和其他行星上自然發生的大規模流動的研究，是指相對於大氣層、海洋和地球內部的流體動力學理論。 它適用於海洋和外核中流體的運動，以及地球和其他行星的氣體運動。 在地球物理流體動力學中研究的許多現象常見的兩個特徵是由於行星旋轉和分層（分層）而導致的流體旋轉。
地球物理流體動力學的套用通常不包括作為地球動力學的主體的地幔的循環，或是磁層中的流體現象。 相對不受地球旋轉或緯度或實質分層影響的較小尺度的流量不是GFD的一部分。可以套用於地球動力學及發電機原理之上。
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）和能量守恆。 前者導致了Navier-Stokes方程。 通常進行進一步的近似。 首先，假定流體是不可壓縮的。 值得注意的是，即使對於像空氣一樣的高度可壓縮的流體，只要能夠忽略聲波和衝擊波，這一點也很好。第二，流體被假定為牛頓流體，意味著存線上性關係在剪下應力τ和應變u之間，例如：
其中μ是粘度。在這些假設下，Navier-Stokes方程是，
左側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，這是一個在小區域內進出的速率的量度。節能方程本質上是熱流的方程式。 如果通過傳導傳輸熱量，則熱流由擴散方程決定。 如果還有浮力效應，例如熱空氣升高，那么就會發生自然對流，也稱為自由對流。地球外核對流驅動作為地球磁場源的地球動力學。在海洋中，對流可以是熱量（由熱驅動）、鹵素（其中浮力是由於鹽度的差異引起的）或溫鹽，或這兩者的組合。
浮力和分層
比周圍環境密度低的流體往往會上升，直到與周圍環境密度相同。如果系統輸入的能量不足，就會趨於分層。大規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。發生分層時，可能有薄層，其中溫度或某些其他性質的高度或深度比周圍的流體更快地變化。根據浮力的主要來源，該層可以稱為親環線（密度），溫躍層（溫度），鹵素線（鹽度）或化學線（化學，包括氧化）。
引起分層的同樣浮力也會引起重力波動。如果重力波發生在流體內，則稱為內波。
在浮力驅動的流動模型中，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。如果壓力僅取決於密度，反之亦然，流體動力學稱為正壓。
