Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам...

36
Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы

Upload: institute-of-water-problems-of-russian-academy-of-sciences

Post on 08-Aug-2015

66 views

Category:

Education


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы

Page 2: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Вращающаяся Земля

• Движение вязкой стратифицированной вращающейся жидкости описывается системой уравнений

),,(),,( wvuzyxq

zyx

,,

z

Ay

Ax

A zLLq ,,~

где- вектор скорости;

- оператор Гамильтона;

- оператор турбулентного обмена.

dt

drFqPrqqq

t

qq

~

,1

)(2,

Page 3: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Особенности вращения Земли

• Прецессия оси вращения Земли (причина солнце):

период 26000 лет, II век до н.э. Гиппарх;

• Нутация (качания) оси (причина Луна):

период 18.6 лет, открыл англ. астроном Дж. Брадлей в 1727 году;

• Период движения полюсов (чандлеровы блуждания оси), период 1.2 года (?).

• В скорости вращения Земли обнаружен период 60-65 лет (?).

Page 4: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Прецессия оси вращения Земли

'02623

Угол наклона оси Земли к эклиптике остается постоянным, но направление оси относительно Солнца меняется.

Page 5: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

ДВИЖЕНИЕ ЗЕМНОЙ ОСИ ПО НЕБУ

Page 6: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Механика прецессии и нутации

Page 7: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Вращение пары Земля-Луна и образование приливов

53.81Л

З

m

m

'0'0 185594

'''0 2.153366 кмL 384395

Page 8: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

КОТИДАЛЬНЫЕ КАРТЫ ПРИЛИВОВ

Резонансные заливы:

Фанди (18 м), Унгава (16 м), Пенжинская губа (14 м), Мезенский залив (9-10 м)

Page 9: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Сила Кориолиса, бета-эффект

• Сила Кориолиса (сила инерции, сила Даламбера)

sin21f - первый параметр Кориолиса

- второй параметр Кориолиса cos22f

),,(22 2121 ufufwfvfVFCor

yfff 01 sin2

00 sin2 f

0Rd

df

бета-эффект:где

,,

- бета-эффект

Page 10: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Когда проявляется сила Кориолиса ?

• Число Кибеля-Россби

fL

URo

1Ro

1Ro

Критерий:

- сила Кориолиса существенна

- сила Кориолиса несущественна

(Воронка в ванне - теорема Сквайра-Винтера)

Page 11: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Волга в нижнем течении

Page 12: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Струйные течения в Мировом океане по данным буев Argo

Page 13: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Закон вращательного движения

• В инерциальной системе координат имеет место закон сохранения момента количества движения :

Mdt

Ld

ZZYX JLLL ,0Вращение вокруг оси Z:

2

2

1mRJ Z

Для цилиндра момент инерции равен:

Page 14: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Закон сохранения потенциального вихря

На масштабах не более синоптических (7-10 сут), имеет место закон сохранения потенциального вихря для атмосферы и гидросферы:

.0ln,20

Dt

D

02

HDt

D0

H

f

Dt

D

H

f

Однородный или слабо стратифицированный океан:

или

потенциальный вихрь, инвариант –сохраняется при движении.

sin2f

V

Page 15: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ

Разлагая величины в регулярные асимптотические ряды по малому параметру, числу Кибеля-Россби, до членов второго порядка включительно, получим

закон сохранения потенциального вихря в виде:

Pwu ,,,,

,0,0

PJt

x

g

y

f

y

g

x

fgfJ

,

H

Pf )0(

Для однородного океана:

- якобиан.где

Page 16: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Стратифицированный океан

,0

220 byz

PzN

zBP

Потенциальный вихрь:

LfNHB 0

02 /ULb

dy

df

где

- число Бургера;

- частота Вяйсяля-Брента;

- планетарный параметр;

- бета-эффект.

zd

dgzN

)(

Page 17: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Волны Россби

• Однородный океан:

0),(

yPPJPt

)(~ lykxtieP

22 lk

k

220

2022 mN

flk

k

k

2kk

2kdk

d

Ищем решение в виде волн:

Дисперсионное соотношение:

Зональные волны:

- фазовая скорость (на запад)

- групповая скорость (на восток)

Page 18: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Русловые дюны

Page 19: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Ураганы, тайфуны - продукты вращения Земли

• Парниковый эффект

• Потепление климата

• Усиление ураганов

• Почему ураганы всегда циклоны

• Траектории ураганов (сохранение потенциального вихря)

Page 20: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Ураган Исаак (30 августа 2012 г.) над Флоридой. Светлые пятна - города

Page 21: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Ураган Floid (1991год)

Page 22: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

УРАГАН КАТРИНА (28.08.2005)

Page 23: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Тайфун Хайян (Йоланда)

Page 24: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

ЗНАМЕНИТАЯ «ГАВАЙСКАЯ ПИЛА»

Кривая изменения содержания углекислого газа на станции Мауна–Лоа (Гавайские острова) с конца 1950-х гг. Пунктирная кривая – изменение мирового потребления ископаемого топлива и производства цемента, а также соответствующая эмиссия СО2 в атмосферу в пересчете на углерод. Непрерывная кривая («гавайская пила») – содержание СО2 в атмосфере в частях на млн. (взято из [2]).

Page 25: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

СХЕМА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СИСТЕМЕ ОКЕАН-АТМОСФЕРА

Парниковый эффект

Пампинг-эффект

Page 26: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Изменение температуры за период 1992-2002 гг. на широтном разрезе 24.5 N ( M.V.Yariez et al, 2004)

Page 27: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Распределение температуры в слое 200–1000 м в Арктике (Фролов И.Е. и др., 2005)

(1) – (4) – 1973-1976 годы, (5) – 1998 год. Температура на 1000 m упала примерно на -0.08 C in 1998 по сравнению с 1973-1976, но температура в верхних слоях (< 400 m) увеличилась.

0

0

0

Page 28: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Возникновение завихренности. Теорема Кельвина-Бьеркнеса.

• Изменение вихря во времени равно векторному произведению градиентов давления и удельного объема:

SL

dxdyPsdVdt

d)

1(),(

constP

const1

PP

1

1

- изобары

-изопикныГенерация циклона:

Page 29: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Эволюция вихрей без притока энергии

• Какова эволюция вихрей, в том числе пятен нефти, без притока энергии как в ураганах ?

Page 30: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Мексиканский залив. Разлив нефти 2010 г.

Page 31: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Демон Лапласа (Пьер Симон Лаплас, 1814)

• Это демон, который знает положение и скорость каждой частицы во Вселенной и все законы физики и механики. Спрашивается, может ли он вычислить и предсказать будущее? Ответ был «да»! …до появления квантовой механики и релятивистской физики.

2

px

сДж 3410)53(054571628.1

1. Соотношение неопределенностей Гейзенберга:

где

- постоянная Дирака

2. Скорость перемещения энергии (массы) ограничена скоростью света (постулат Эйнштейна).

Page 32: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Динамические системы

• Динамическая система:

)...,.........,,(

................................................

).,,.........,,(

),,.........,,(

21

2122

2111

NNN

N

N

xxxtfdt

dx

xxxtfdt

dx

xxxtfdt

dx

i

i

i

i

q

H

dt

dp

p

H

dt

dq

Гамильтонова система:

Теорема Пуанкаре о возвращении (1890 г.):

Если система с инвариантной мерой, то через любую окрестность любой точки проходит траектория, которая возвращается в эту окрестность. (Ледниковый период ?)

Page 33: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

АТТРАКТОРЫ

Аттрактор – притягивающее множество устойчивых траекторий в фазовом пространстве.

Page 34: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Странные аттракторы.• Странный аттрактор — это притягивающее множество

неустойчивых траекторий в фазовом пространстве диссипативной динамической системы. В отличие от аттрактора, не является многообразием, то есть не является кривой или поверхностью. Структура странного аттрактора фрактальна. Траектория такого аттрактора непериодическая (она не замыкается) и режим функционирования неустойчив - малые отклонения от режима нарастают. Малая неточность в начальных данных через некоторое время может привести к сильному расхождению прогноза с реальной траекторией. Непредсказуемость траектории в детерминированных динамических системах называют динамическим хаосом.

Page 35: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Аттрактор Лоренца. Эффект бабочки.

bzxydt

dz

yzrxdt

dy

xydt

dx

)(

)(

Page 36: Геофизическая гидродинамика в приложении к задачам гидросферы (В.Н. Зырянов)

Теория катастроф

• Хасслер Уитни «Об отображениях поверхности на плоскость» (1955 г.).