지구물리학적 유체역학

지구물리학적 유체역학 연구소가 만든 허리케인 미치의 모델 예보. 화살표는 바람 벡터(wind bector)이며 회색 음영은 표면 유입층과 안벽 부위를 강조하는 등가 전위 온도 표면을 나타낸다.

지구물리학적 유체역학(geophysical fluid dynamics)은 가장 넓은 의미로 지구와 다른 행성에서 용암 흐름, 해양, 행성 대기와 같은 자연적으로 발생하는 흐름의 유동역학을 가리킨다.^[1]

지구물리학적 유체역학에서 연구된 많은 현상에 공통적으로 나타나는 두 가지 물리적 특징은 행성 회전과 층화(층화)로 인한 유체의 회전이다. 지구물리학적 유체역학의 적용은 일반적으로 지구역학(geodynamics)의 대상인 맨틀의 순환이나 자력권의 유체 현상을 포함하지 않는다.

기초

지구물리학적 유체의 흐름을 설명하기 위해서는 운동량 보존(또는 뉴턴의 제2법칙)과 에너지 보존을 위해 방정식이 필요하다. 전자는 나비에로 통한다.–해석적으로 해결할 수 없는 방정식(Yet)을 강조한다. 따라서 이러한 방정식을 해결할 수 있도록 일반적으로 더 많은 근사치가 만들어진다. 첫째, 유체는 압축할 수 없는 것으로 가정한다. 놀랍게도, 이것은 소리와 충격파가 무시될 수 있는 한 공기처럼 압축성이 매우 높은 액체가 있어도 잘 작동한다.^[2]^{: 2–3} 둘째, 유체는 뉴턴 유체로 가정되는데, 이는 예를 들어 전단 응력과 변형률 $u$ 사이에 선형 관계가 있음을 의미한다.

\tau =\mu {\frac {du}{dx}},

점도는 어디에 있지?^[2]^{: 2–3} 이러한 가정 하에서 Navier-Stokes 방정식은 다음과 같다.

\overbrace {\rho {\Big (}\underbrace {\frac {\partial \mathbf {v} }{\partial t}} _{\begin{smallmatrix}{\text{Eulerian}}\\{\text{acceleration}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\mathbf {v} \cdot \nabla \mathbf {v} } _{\begin{smallmatrix}{\text{Advection}}\end{smallmatrix}}{\Big )}} ^{\text{관성(볼륨당)}}=\overbrace {\underbrace {-\nabla p} _{\begin{smallmatrix}{\text{Pressure}}\\{\text{gradient}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\mu \nabla ^{2}\mathbf {v} } _{\text{Viscosity}}} ^{\text{Divergence of stress}}+\underbrace {\mathbf {f} } _{\begin{smallmatrix}{\text{Other}}\\{\text{body}}\\{\text{forces}}\end{smallmatrix}}.

왼쪽은 소포와 함께 이동된 기준 프레임(라그랑지안 기준 프레임)에서 작은 유체 소포가 경험할 수 있는 가속도를 나타낸다. 정지해 있는 (Ulerian) 기준 프레임에서, 이 가속도는 국부적인 속도 변화율과 부속률로 나뉘는데, 이는 작은 지역 안이나 바깥으로 흐르는 비율의 척도다.^[2]^{: 44–45}

에너지 절약 방정식은 본질적으로 열 흐름의 방정식이다. 전도에 의해 열이 전달되는 경우, 열 흐름은 확산 방정식에 의해 제어된다. 뜨거운 공기가 상승하는 등 부력 효과도 있다면 자유 대류라고도 알려진 자연 대류가 발생할 수 있다.^[2]^{: 171} 지구 외핵의 대류는 지구 자기장의 근원인 지오디나모를 움직인다.^[3]^{: Chapter 8} 바다에서 대류는 열(열로 움직인다), 할린(염도 차이로 부력이 생기는 곳), 또는 둘의 조합인 테르모할린(thermohaline)이 될 수 있다.^[4]

부력 및 층화

메시나 해협의 내부 파동(ASTER에 의해 서명됨)

주변보다 밀도가 낮은 유체는 주변과 같은 밀도를 가질 때까지 상승하는 경향이 있다. 시스템에 에너지 투입량이 많지 않으면 층화되는 경향이 있다. 대규모로 지구의 대기는 일련의 층으로 나뉜다. 지상에서 위로 올라가면 대류권, 성층권, 중류권, 열권, 외부권이다.^[5]

공기의 밀도는 주로 온도와 수증기 함량, 온도와 염도에 따른 바닷물의 밀도, 온도에 따른 호수물의 밀도에 의해 결정된다. 층화가 발생하는 경우 온도나 다른 특성이 주변 유체보다 높이나 깊이에 따라 더 빠르게 변하는 얇은 층이 있을 수 있다. 부력의 주요 근원에 따라 이 층을 피크노클라인(밀도), 열로클라인(온도), 할로클라인(염도), 화학(산소화를 포함한 화학)이라고 부를 수 있다.

층화를 일으키는 같은 부력이 중력파를 움직이기도 한다. 중력파가 유체 내에서 발생하면 내파라고 한다.^[2]^{: 208–214}

부력 구동 흐름 모델링에서 Navier-Stokes 방정식은 Boussinesq 근사치를 사용하여 수정된다. 이는 중력 가속 $g$ 로 곱한 경우를 제외하고 밀도의 변화를 무시한다.^[2]^{: 188}

압력이 밀도에만 의존하고 그 반대의 경우에는 유체 역학을 바로방성이라고 한다. 대기에서 이것은 열대지방에서와 같이 전선의 부족에 해당한다. 전선이 있을 경우 흐름이 바로크린(baroclinic)하며 사이클론 등의 불안이 발생할 수 있다.^[6]

회전

일반순환

흔든다

바라티방성

바라클린어

중력파

참고 항목

지구물리학적 유체역학 연구소

참조

^ Vallis, Geoffrey K. (24 August 2016). "Geophysical fluid dynamics: whence, whither and why?". 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.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Tritton, D. J. (1990). Physical Fluid Dynamics (Second ed.). Oxford University Press. ISBN 0-19-854489-8.
^ Merrill, Ronald T.; McElhinny, Michael W.; McFadden, Phillip L. (1996). The magnetic field of the earth: paleomagnetism, the core, and the deep mantle. Academic Press. ISBN 978-0-12-491246-5.
^ Soloviev, A.; Klinger, B. (2009). "Open ocean circulation". In Thorpe, Steve A. (ed.). Encyclopedia of ocean sciences elements of physical oceanography. London: Academic Press. p. 414. ISBN 9780123757210.
^ Zell, Holly (2015-03-02). "Earth's Upper Atmosphere". NASA. Retrieved 2017-02-20.
^ Haby, Jeff. "Barotropic and baroclinic defined". Haby's weather forecasting hints. Retrieved 17 August 2017.

추가 읽기

Cushman-Roisin, Benoit; Beckers, Jean-Marie (October 2011). Introduction to Geophysical Fluid Dynamics: Physical and Numerical Aspects (Second ed.). Academic Press. ISBN 978-0-12-088759-0. Retrieved October 14, 2010.
Gill, Adrian E. (1982). Atmosphere : Ocean dynamics ([Nachdr.] ed.). New York: Academic Press. ISBN 978-0122835223.
McWilliams, James C. (2006). Fundamentals of geophysical fluid dynamics. Cambridge: Cambridge Univ. Press. ISBN 9780521856379.
Monin, A.S. (1990). Theoretical Geophysical Fluid Dynamics. Dordrecht: Springer Netherlands. ISBN 978-94-009-1880-1.
Pedlosky, Joseph (2012). Geophysical Fluid Dynamics. Springer Science & Business Media. ISBN 9781468400717.
Salmon, Rick (1998). Lectures on Geophysical Fluid Dynamics. Oxford University Press. ISBN 9780195355321.
Vallis, Geoffrey K. (2006). Atmospheric and oceanic fluid dynamics : fundamentals and large-scale circulation (Reprint ed.). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0521849692.

외부 링크

[1] Vallis, Geoffrey K. (24 August 2016). "Geophysical fluid dynamics: whence, whither and why?". 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.

[Tritton-2] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Tritton, D. J. (1990). Physical Fluid Dynamics (Second ed.). Oxford University Press. ISBN 0-19-854489-8.

[Merrill-3] Merrill, Ronald T.; McElhinny, Michael W.; McFadden, Phillip L. (1996). The magnetic field of the earth: paleomagnetism, the core, and the deep mantle. Academic Press. ISBN 978-0-12-491246-5.

[4] Soloviev, A.; Klinger, B. (2009). "Open ocean circulation". In Thorpe, Steve A. (ed.). Encyclopedia of ocean sciences elements of physical oceanography. London: Academic Press. p. 414. ISBN 9780123757210.

[5] Zell, Holly (2015-03-02). "Earth's Upper Atmosphere". NASA. Retrieved 2017-02-20.

[Haby-6] Haby, Jeff. "Barotropic and baroclinic defined". Haby's weather forecasting hints. Retrieved 17 August 2017.

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[6]

v t 지구물리학
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순환	대기 순환 바로클린성 경계 전류 코리올리스 힘 코리올리-스토크스 힘 크라이크-라이보비치 소용돌이 힘 다운웰링 에디 에크만층 에크만 나선형 에크만 운송 엘니뇨-남부 진동 일반순환모형 지구화학적 해양 단면 연구 지반전류 글로벌 해양 데이터 분석 프로젝트 걸프 스트림 할로온 순환 험볼트 전류 열수 순환 랑무어 순환 롱쇼어 드리프트 루프 전류 모듈러 오션 모델 해류 해양 역학 해양동력온도조절기 오션 세레 프린스턴 오션 모델 리핑 전류 지표하류 스버드럽 잔액 테르모할린 순환 셧다운하다 업웰링 풍력발생 전류 소용돌이 세계해양순환실험
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