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地球流体力学は、その最も広い意味では、地球や他の惑星上の溶岩流、海洋、惑星の大気など、自然に発生する流れの流体力学を指します。[1]
地球流体力学で研究される多くの現象に共通する 2 つの物理的特徴は、惑星の自転による流体の回転と成層化です。地球流体力学の応用には、地球力学の対象であるマントルの循環や磁気圏内の流体現象は一般に含まれません。
基礎
地球流体の流れを記述するには、運動量保存則（またはニュートンの第2法則）とエネルギー保存則の方程式が必要である。前者はナビエ・ストークス方程式につながるが、これは解析的には（まだ）解くことができない。したがって、これらの方程式を解くために、一般にさらなる近似が行われる。まず、流体は非圧縮性であると仮定する。驚くべきことに、これは、音波や衝撃波を無視できる限り、空気のような高圧縮性流体でもうまく機能する。 [2] : 2–3 次に、流体はニュートン流体であると仮定する。つまり、せん断応力 τとひずみ uの間には線形関係があり、たとえば
ここでμは粘性である。[2] : 2–3 これらの仮定の下ではナビエ・ストークス方程式は
左側は、流体の小塊が、その小塊とともに移動する基準フレーム（ラグランジュ基準フレーム）内で経験する加速度を表しています。静止した（オイラー）基準フレームでは、この加速度は、速度の局所的な変化率と、小さな領域に出入りする流れの速度の尺度である移流に分けられます。[ 2] : 44–45
エネルギー保存の方程式は、本質的には熱の流れの方程式です。熱が伝導によって輸送される場合、熱の流れは拡散方程式によって決まります。また、熱い空気が上昇するなど浮力の影響もある場合は、自然対流（自由対流とも呼ばれる）が発生する可能性があります。[2] : 171 地球の外核の対流は、地球の磁場の源である地球ダイナモを駆動します。[3] : 第8章 海洋では、対流は熱（熱によって駆動）、塩分（浮力は塩分濃度の差による）、または熱塩分（この2つの組み合わせ）のいずれかになります。[4]
浮力と成層
周囲より密度が低い流体は、周囲と同じ密度になるまで上昇する傾向があります。システムへのエネルギー入力があまりない場合、成層化する傾向があります。地球の大気は、大規模な一連の層に分かれています。地上から上に向かって、対流圏、成層圏、中間圏、熱圏、外気圏です。[5]
空気の密度は主に温度と水蒸気量によって決まり、海水の密度は温度と塩分濃度によって決まり、湖水の密度は温度によって決まります。成層が発生すると、周囲の流体よりも高さや深さに応じて温度やその他の特性が急速に変化する薄い層が生じることがあります。浮力の主な発生源に応じて、この層は密度躍層(密度)、温度躍層(温度)、塩分躍層(塩分濃度)、または化学躍層(化学、酸素化を含む) と呼ばれることがあります。
成層化を引き起こすのと同じ浮力が重力波も引き起こします。重力波が流体内で発生する場合、それは内部波と呼ばれます。[2] : 208–214
浮力駆動流をモデル化する場合、ナビエ・ストークス方程式はブシネスク近似を使用して修正される。これは、重力加速度 gが乗じられる場合を除いて、密度の変化を無視する。[2] ：188
圧力が密度のみに依存し、密度が圧力に依存する場合、流体力学は順圧と呼ばれます。大気では、これは熱帯地方のように前線がないことに相当します。前線がある場合、流れは傾圧的であり、サイクロンなどの不安定性が発生する可能性があります。[6]
回転
一般循環
波
順圧性
バロクリニック
参照
参考文献
- ^ Vallis, Geoffrey K. (2016 年 8 月 24 日). 「地球物理流体力学: どこから、どこへ、そしてなぜ?」Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 472 (2192): 20160140. Bibcode :2016RSPSA.47260140V. doi : 10.1098/rspa.2016.0140. PMC 5014103. PMID 27616918.
- ^ abcdef Tritton, DJ (1990).物理流体力学（第2版）. Oxford University Press . ISBN 0-19-854489-8。
- ^ メリル、ロナルド T.; マケルヒニー、マイケル W.; マクファデン、フィリップ L. (1996)。地球の磁場：古地磁気、核、深部マントル。アカデミックプレス。ISBN 978-0-12-491246-5。
- ^ Soloviev, A.; Klinger, B. (2009). 「外洋循環」 Thorpe, Steve A. (編)海洋科学百科事典 物理海洋学の要素ロンドン: Academic Press. p. 414. ISBN 9780123757210。
- ^ Zell, Holly (2015-03-02). 「地球の上層大気」NASA . 2017-02-20閲覧。
- ^ Haby, Jeff. 「Barotropic and baroclinic defined」. Habyの天気予報のヒント。 2017年8月17日閲覧。
さらに読む
- Cushman-Roisin, Benoit; Beckers, Jean-Marie (2011 年 10 月)。『地球流体力学入門: 物理的側面と数値的側面 (第 2 版)』。Academic Press。ISBN 978-0-12-088759-0. 2010年10月14日閲覧。
- ギル、エイドリアン E. (1982)。大気：海洋ダイナミクス（[Nachdr.] 編）。ニューヨーク：アカデミック プレス。ISBN 978-0122835223。
- マクウィリアムズ、ジェームズ C. (2006)。地球物理流体力学の基礎。ケンブリッジ: ケンブリッジ大学出版局。ISBN 9780521856379。
- Monin, AS (1990).理論地球物理流体力学. ドルドレヒト: Springer Netherlands. ISBN 978-94-009-1880-1。
- ペドロスキー、ジョセフ (2012)。地球物理流体力学。Springer Science & Business Media。ISBN 9781468400717。
- サルモン、リック（1998年）。地球物理流体力学に関する講義。オックスフォード大学出版局。ISBN 9780195355321。
- ヴァリス、ジェフリー・K. (2006)。大気と海洋の流体力学：基礎と大規模循環（再版）。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 978-0521849692。
外部リンク
- 地球物理流体力学プログラム (ウッズホール海洋研究所)
- 地球流体力学研究所（ワシントン大学）