[科普中国]-地球物理流体动力学

简介

地球物理流体动力学是对地球和其他行星上自然发生的大规模流动的研究，是指相对于大气层、海洋和地球内部的流体动力学理论。 它适用于海洋和外核中流体的运动，以及地球和其他行星的气体运动。 在地球物理流体动力学中研究的许多现象常见的两个特征是由于行星旋转和分层（分层）而导致的流体旋转。1

地球物理流体动力学的应用通常不包括作为地球动力学的主体的地幔的循环，或是磁层中的流体现象。 相对不受地球旋转或纬度或实质分层影响的较小尺度的流量不是GFD的一部分。可以应用于地球动力学及发电机原理之上。

基本面为了描述地球物理流体的流动，需要方程来保存动量（或牛顿第二定律）和能量守恒。 前者导致了Navier-Stokes方程。 通常进行进一步的近似。2 首先，假定流体是不可压缩的。 值得注意的是，即使对于像空气一样的高度可压缩的流体，只要能够忽略声波和冲击波，这一点也很好。第二，流体被假定为牛顿流体，意味着存在线性关系在剪切应力τ和应变u之间，例如：

其中μ是粘度。在这些假设下，Navier-Stokes方程是，

左侧表示一小块流体在与包裹一起移动的参考框架（拉格朗日参照系）中会遇到的加速度。 在一个固定的（欧拉）参考系中，这个加速度被分为速度和对流的局部变化速率，这是一个在小区域内进出的速率的量度。节能方程本质上是热流的方程式。 如果通过传导传输热量，则热流由扩散方程决定。 如果还有浮力效应，例如热空气升高，那么就会发生自然对流，也称为自由对流。地球外核对流驱动作为地球磁场源的地球动力学。在海洋中，对流可以是热量（由热驱动）、卤素（其中浮力是由于盐度的差异引起的）或温盐，或这两者的组合。

浮力和分层比周围环境密度低的流体往往会上升，直到与周围环境密度相同。如果系统输入的能量不足，就会趋于分层。大规模地球的大气分为一系列的层次。从地面向上，这些是对流层，平流层，中层，热层和大气层。

空气密度主要由温度和水汽含量，海水温度和盐度的密度以及湖水的温度密度决定。发生分层时，可能有薄层，其中温度或某些其他性质的高度或深度比周围的流体更快地变化。根据浮力的主要来源，该层可以称为亲环线（密度），温跃层（温度），卤素线（盐度）或化学线（化学，包括氧化）。3

引起分层的同样浮力也会引起重力波动。如果重力波发生在流体内，则称为内波。

在浮力驱动的流动模型中，使用Boussinesq近似修正了Navier-Stokes方程。这忽略了密度变化，除了乘以重力加速度g。如果压力仅取决于密度，反之亦然，流体动力学称为正压。

回转科里奥利效应

循环

开尔文循环定理

涡度方程

热风

地球电流

地风

泰勒 - 普鲁定理4

静水平衡

Ekman螺旋

Ekman层

一般流通 大气环流

海流

海洋动力

温盐循环

边界电流

Sverdrup平衡

地下电流

波浪正压开尔文波

罗斯比波

Sverdrup波

斜压重力波