Podstawy dynamiki atmosfery

• Druk: 2019
• Autor: Lech Łobocki
• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Podręcznik adresowany jest do studentów studiów I i II stopnia kierunków leżących w dyscyplinach inżynierii środowiska i nauk o Ziemi i środowisku, doktorantów, nauczycieli akademickich i pracowników naukowych, zajmujących się meteorologią ogólną, stosowaną i dynamiczną, oceanografią fizyczną, fizyką atmosfery lub geofizyczną dynamiką płynów. Ze względu na obserwowane obecnie różnice w przygotowaniu studentów podejmujących kursy w tym obszarze, sporo miejsca znalazły w książce elementy wiedzy, wykładanej często w ramach odrębnych kursów z matematyki, termodynamiki i dynamiki płynów (rozdziały 1-4 oraz dodatki). Dzięki temu, uspójniono terminologię tych obszarów, wraz z zapisem równań i wzorów i ujednoliceniem stosowanych w nich symboli – co znacznie usprawnia odwoływanie się do wiedzy podstawowej. Zagadnienia specyficzne dla geofizycznej dynamiki płynów omówiono w kolejnych rozdziałach, obejmujących tu zarówno elementarne pojęcia dotyczące form ruchu zrównoważonego i wirowości, jak i dość szczegółowy wykład dwóch podstawowych teorii geofizycznych – teorii płytkiej wody i teorii quasi-geostroficznej, adresowany do średnio zaawansowanych czytelników - po którym następuje omówienie głównych typów niestabilności hydrodynamicznych, obserwowanych w przepływach geofizycznych. Na bazie tej wiedzy, w rozdziale 14 wyjaśniona zostaje ewolucja struktur ruchu w atmosferze – cyrkulacji ogólnej, cyklogenezy umiarkowanych szerokości geograficznej i wiatrów lokalnych. Rozdział 15 poświęcony jest dolnej troposferze – nacechowanego obecnością turbulencji obszarowi, w którym koncentruje się przebywanie i działalność człowieka, i poprzez który zachodzi wymiana masy, pędu i energii między atmosferą, a powierzchnią planety.

• Kategorie:
  1. Ebooki i Audiobooki »
  2. Ebooki »
  3. Ebooki popularnonaukowe i specjalistyczne »
  4. Technika
• Język wydania: polski
• ISBN: 978-83-7814-851-7
• ISBN druku: 978-83-7814-802-9
• Liczba stron: 537

Spis tresci v
Od autora xii
Spis symboli i oznaczen xvii
1 Pole skalarne 1
	1.1 Pojecie pola  1
	1.2 Iloczyn skalarny  2
	1.3 Izopowierzchnie i izolinie  4
	1.4 Pochodne czastkowe 5
	1.5 Pochodna lokalna 7
	1.6 Gradient pola skalarnego  8
	1.7 Rózniczka zupełna 13
2 Termodynamika i statyka atmosfery 16
	2.1 Budowa atmosfery 16
		2.1.1 Układ, stan układu i procesy termodynamiczne  17
		2.1.2 Równanie stanu   20
	2.2 Pierwsza zasada termodynamiki      25
		2.2.1 Entalpia  27
		2.2.2 Ciepło własciwe   28
		2.2.3 Przemiana adiabatyczna i temperatura potencjalna  29
	2.3 Druga zasada termodynamiki      30
		2.3.1 Cykl Carnota 31
		2.3.2 Postulat Clausiusa      33
		2.3.3 Postulat Kelvina  34
		2.3.4 Twierdzenie Carnota      35
		2.3.5 Temperatura termodynamiczna     37
		2.3.6 Nierównosc Clausiusa      38
		2.3.7 Entropia  39
		2.3.8 Scisliwosc i rozszerzalnosc cieplna    44
		2.3.9 Równania Maxwella      46
		2.3.10 Równowaga fazowa: równanie Clausiusa-Clapeyrona  47
		2.3.11 Ciepło utajone. Równanie Kirchhoffa    51
	2.4 Statyka atmosfery 52
		2.4.1 Atmosfera jednorodna      52
		2.4.2 Atmosfera izotermiczna      53
		2.4.3 Atmosfera stałogradientowa     54
	2.5 Równowaga pionowa 55
		2.5.1 Gradient sucho-adiabatyczny    55
		2.5.2 Gradient wilgotno-adiabatyczny    59
		2.5.3 Diagramy aerologiczne     64
	2.6 Niezmienniki procesów zachodzacych z udziałem kondensacji  67
3 Pole wektorowe i kinematyka 71
	3.1 Przestrzen liniowa (wektorowa)      73
	3.2 Iloczyn wektorowy 77
	3.3 Linie pradu i trajektorie  78
	3.4 Opis ruchu w układach Eulera i Lagrange’a    79
	3.5 Pochodna substancjalna  80
	3.6 Ruch linii materialnej  81
	3.7 Kinematyka pola wiatru  82
		3.7.1 Dywergencja 82
		3.7.2 Wirowosc 85
		3.7.3 Krazenie  87
		3.7.4 Tensory  88
		3.7.5 Niezmienniki tensorów     91
		3.7.6 Notacja sumacyjna Einsteina    95
		3.7.7 Tensor symetryczny i antysymetryczny   99
		3.7.8 Odkształcenie 100
		3.7.9 Deformacja w przepływie płaskim    107
	3.8 Opis ruchu we współrzednych naturalnych    108
	3.9 Przykłady obliczen 110
		3.9.1 Operatory rózniczkowe we współrzednych sferycznych 111
		3.9.2 Nieregularnie rozmieszczone dane    113
	3.10 Potencjał skalarny pola wektorowego    114
	3.11 Potencjał wektorowy 115
	3.12 Linie i rurki wirowe 117
	3.13 Przepływ płaski  118
	3.14 Wzory Greena 121
	3.15 Jednoznacznosc  121
	3.16 Wyznaczanie pola z jego zródeł i wirów    123
4 Prawa zachowania masy, pedu i energii 129
	4.1 Objetosciowe i masowe natezenie przepływu    129
	4.2 Równanie ciagłosci 131
	4.3 Równanie transportu wielkosci zachowawczych   132
	4.4 Równanie ruchu  134
		4.4.1 Siły objetosciowe  136
		4.4.2 Siły powierzchniowe      143
		4.4.3 Równanie Naviera-Stokesa     149
		4.4.4 Funkcja Exnera  . 157
	4.5 Równanie zachowania energii      157
		4.5.1 Bilans energii mechanicznej     158
		4.5.2 Bilans energii wewnetrznej     166
		4.5.3 Bilans energii całkowitej      168
		4.5.4 Równanie Bernoulli’ego     168
5 Układy współrzednych 174
	5.1 Zestawienie równan zachowania     174
	5.2 Zapis równan ruchu we współrzednych sferycznych   175
	5.3 Płaszczyzny  i f 181
	5.4 Transformacje współrzednej pionowej     181
		5.4.1 Współrzedne izobaryczne     184
		5.4.2 Współrzedne izentropowe     188
6 Ruch zrównowazony 191
	6.1 Analiza skalowa. Przyblizenie geostroficzne i hydrostatyczne 191
	6.2 Wiatr geostroficzny 193
	6.3 Wiatr cyklostroficzny 194
	6.4 Ruch inercyjny  195
	6.5 Liczba Rossby’ego 196
	6.6 Wiatr gradientowy 198
	6.7 Wiatr w atmosferze tarciowej     201
	6.7.1 Model Ekmana   202
	6.8 Odchylenie ageostroficzne w atmosferze swobodnej   204
	6.9 Wiatr termiczny 205
	6.10 Twierdzenie Taylora-Proudmana     207
7 Wirowość 209
	7.1 Równanie wirowosci 209
	7.2 Wirowosc potencjalna  216
	7.3 Twierdzenie Kelvina o cyrkulacji     222
	7.4 Twierdzenie Bjerknesa  223
	7.5 Model barotropowy 225
8 Ruchy falowe 227
	8.1 Kinematyka ruchu falowego      228
	8.2 Fale dzwiekowe  234
		8.2.1 Bezposrednia eliminacja algebraiczna   236
		8.2.2 Metoda mnozników Lagrange’a    239
		8.2.3 Zwiazki dyspersyjne poprzez wyznacznik układu  240
	8.3 Fale grawitacyjne 240
		8.3.1 Oscylacje grawitacyjne     240
		8.3.2 Fale grawitacyjne  242
		8.3.3 Opór falowy 250
		8.3.4 Podsumowanie  253
9 Analiza skalowa 254
	9.1 Skale zjawisk atmosferycznych     256
	9.2 Skale i wartosci charakterystyczne     256
	9.3 Równanie ruchu: liczby podobienstwa    258
	9.4 Stan odniesienia 259
	9.5 Linearyzacja i analiza równan zachowania    263
		9.5.1 Równanie stanu  264
		9.5.2 Równanie ruchu  265
		9.5.3 Równanie zachowania energii    267
		9.5.4 Równanie ciagłosci      269
	9.6 Przyblizenie hydrostatyczne      269
	9.7 Efekty scisliwosci i wyporu      272
		9.7.1 Skalowanie 273
		9.7.2 Przyblizenie nieelastyczne     275
		9.7.3 Przyblizenie Boussinesqa     283
		9.7.4 Przepływy niescisliwe     288
	9.8 Podsumowanie  293
10 Analiza wymiarowa 295
	10.1 Niezaleznosc wymiarowa  297
	10.2 Twierdzenie  Buckinghama      298
	10.3 Podobienstwo 301
	10.4 Podsumowanie  302
11 Model płytkiej wody 303
	11.1 Konstrukcja modelu 303
	11.2 Bilans energii mechanicznej      305
	11.3 Wielkosci niezmiennicze  309
		11.3.1 Wysokosc wzgledna      309
		11.3.2 Wirowosc potencjalna Rossby’ego    310
	11.4 Mody własne 311
		11.4.1 Powierzchniowe fale grawitacyjne    312
		11.4.2 Oscylacje inercyjne      313
		11.4.3 Fale inercyjno-grawitacyjne     313
	11.5 Rozwiazania zagadnien brzegowych     314
	11.6 Adaptacja geostroficzna  318
		11.6.1 Promien deformacji Rossby’ego    318
		11.6.2 Przemiany energii w procesie adaptacji   324
		11.6.3 Adaptacja rozkładu masy i pola predkosci   327
	11.7 Przepływ strefowy w płaszczyznie      328
12 Teoria quasi-geostroficzna 330
	12.1 Quasi-geostroficzny model płytkiej wody    332
	12.2 Wirowosc quasi-geostroficzna     336
	12.3 Fale Rossby’ego  339
	12.4 Atmosfera o zmiennej gestosci     342
		12.4.1 Oscylacje pionowe      343
		12.4.2 Zarys przyblizenia      343
		12.4.3 Przyblizenie quasi-geostroficzne    349
		12.4.4 Quasi-geostroficzna wirowosc potencjalna   351
	12.5 Podsumowanie  355
13 Niestabilnosci w przepływach geofizycznych 357
	13.1 Niestabilnosc barotropowa      358
		13.1.1 Niestabilnosc Kelvina-Helmholtza    358
		13.1.2 Warunek konieczny niestabilnosci Rayleigha   360
		13.1.3 Niestabilnosc w strefie scinania    365
	13.2 Niestabilnosc baroklinowa      370
	13.3 Stabilnosc przepływów ze scinaniem    376
		13.3.1 Podsumowanie  381
14 Cyrkulacja atmosferyczna 382
	14.1 Ogólna cyrkulacja atmosfery      382
	14.2 Cyklony umiarkowanych szerokosci geograficznych   384
	14.3 Wiatry lokalne  391
		14.3.1 Cyrkulacje bryzowe      391
		14.3.2 Wiatry lokalne nad nachylonym podłozem   393
		14.3.3 Przepływy w terenie urzezbionym    396
15 Warstwa graniczna 402
	15.1 Usrednianie i filtracja 406
	15.2 Równania usrednione 411
	15.3 Strumienie turbulencyjne      412
	15.4 Kinetyczna energia turbulencji     415
		15.4.1 Bilans energii kinetycznej przepływu sredniego  415
		15.4.2 Bilans energii kinetycznej turbulencji   416
	15.5 Przestrzenne skale turbulencji     420
	15.6 Hipoteza Boussinesqa  428
	15.7 Warstwa przyziemna 430
		15.7.1 Zwiazki przy równowadze obojetnej    431
		15.7.2 Szorstkosc aerodynamiczna     432
		15.7.3 Skala długosci Obuchowa     432
		15.7.4 Teoria podobienstwa warstwy przyziemnej   434
	15.8 Potencjalna energia turbulencji      447
	15.9 Domykanie równan Reynoldsa      450
		15.9.1 Modele pierwszego rzedu     451
		15.9.2 Modele z wyzszym rzedem zamykania   451
	15.10 Efekty wypornosciowe pary wodnej    468
	15.11 GWA nad niejednorodnym podłozem    469
	15.12 Dobowy cykl GWA 469
	15.13 Konwekcyjna warstwa graniczna     472
	15.14 Stabilna warstwa graniczna      477
16 Zakonczenie 490
A Rachunek wektorowy 493
	A.1 Tozsamosci rachunku wektorowego     493
	A.2 Kartezjanski układ współrzednych     495
B Tozsamosci trygonometryczne 496
C Liczby zespolone 497
D Szeregi Fouriera 499
E Równania rózniczkowe zwyczajne 502
F Numeryczny model GWA 506
	F.1 Równania transportu 506
	F.2 Siatka modelu 506
	F.3 Transformacja współrzednej pionowej    507
	F.4 Metoda numeryczna 508
Bibliografia 512
Indeks 532