Anotace Kniha e určena záemcům o mechaniku tekutin a nelineární dynamiku v geofyzikální hydrodynamice. Publikace e mimo iné zamýšlena ako pokročilý studiní text doplňuící studiní materiál k přednáškám Vybrané partie geofyzikální hydrodynamiky a Vlnové pohyby a energetika atmosféry konané na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Některé partie monografie však istě nadou uplatnění i v kurzu Dynamické meteorologie nebo hydrodynamiky obecně. Kniha seznamue čtenáře s technikami vyšetření stability hydrodynamického proudění ak v lineárním, tak nelineárním přiblížení (část I.). Druhá část knihy poednává o obecněších problémech nelineární geofyzikální hydrodynamiky a netradičních postupech při studiu proudění tekutin. Dodeme, že právě nelineární analýza e perspektivním oborem moderní matematiky, což dobře dokumentue předkládaná monografie. Publikace e určena pracovníkům se zaměřením na dynamiku tekutin na univerzitách i ve výzkumných ústavech. Dobře však poslouží i studentům a doktorandům na vysokých školách univerzitního i technického směru, a to i takových oborů ako e fyzika atmosféry nebo matematické a počítačové modelování.
Hydrodynamická stabilita atmosféry a nelineární problémy geofyzikální hydrodynamiky Jiří Horák *), Aleš Raidl +) *) Ústav fyziky atmosféry AV ČR +) Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta, katedra meteorologie a ochrany prostředí
OBSAH Předmluva...9 ČÁST I... ÚVOD... PERTURBAČNÍ TEORIE...6. Perturbační pohybové rovnice...7 NORMÁLNÍ MODY... 4 KELVINOVA-HELMHOLTZOVA INSTABILITA, INSTABILITA TAYLOROVA A HELMHOLTZOVA TYPU...4 5 PERTURBAČNÍ STAVOVÁ A TERMODYNAMICKÁ ROVNICE...4 6 STABILITA VNITŘNÍCH GRAVITAČNÍCH (VZTLAKOVÝCH) VLN...8 7 NELINEÁRNÍ ZOBECNĚNÍ METODY ČÁSTICE...44 8 KRITICKÉ RICHARDSONOVO ČÍSLO...48 8. Klasické odvození Milesova-Howardova teorému...49 8. Odvození Milesova-Howardova teorému na základě energetických úvah a metody částic...5 9 STABILITA RAYLEIGHOVY-BÉNARDOVY KONVEKCE...57 STABILITNÍ KRITÉRIA VYPLÝVAJÍCÍ Z RAYLEIGHOVY ROVNICE...7 STABILITA FRONTÁLNÍCH VLN...8 INERČNÍ INSTABILITA...96. Základní mechanismus inerční instability...96. Nelineární zobecnění podmínek inerční instability... SYMETRICKÁ INSTABILITA...4 4 BAROTROPNÍ A BAROKLINNÍ INSTABILITA Z HLEDISKA PŘEMĚNY ENERGIE... 5 FORMULACE ROVNIC PRO STUDIUM STABILITY KVAZIGEOSTROFICKÝCH ATMOSFÉRICKÝCH POHYBŮ...7 6 NUTNÁ PODMÍNKA BAROTROPNÍ INSTABILITY... 6. Příklady možných barotropně instabilních profilů proudění...4 6. Zobecnění Kuovy nutné podmínky barotropní instability...9 5
7 BAROKLINNÍ INSTABILITA... 7. Základní mechanismus baroklinní instability... 7. Baroklinní instabilita spoitého modelu na f rovině...5 7. Baroklinní instabilita v diskrétním dvovrstevnatém modelu...54 LITERATURA K ČÁSTI I... 7 ČÁST II...7 ÚVOD...75 O SYSTÉMECH HYDRODYNAMICKÉHO TYPU...79. K definici systémů hydrodynamického typu... 79. Ekvivalence tripletu (neednoduššího netriviálního systému hydrodynamického typu) a Eulerových diferenciálních rovnic rotace...9. Strukturální vlastnosti kvadraticky nelineárních systémů. Afinní invarianty a kriterium existence kvadratického integrálu v systémech. řádu...95.4 Strukturální vlastnosti kvadraticky nelineárních systémů. Afinní invarianty a kriterium existence kvadratického integrálu v systémech. řádu...99.5 Integrace pohybových rovnic tripletu....6 Asymptotické tvary řešení a kvadratické formy dynamického tripletu vyádřené pomocí elementárních funkcí...6.7 K statistickému popisu systémů hydrodynamického typu....8 Komplexifikace systémů hydrodynamického typu. Komplexní triplet v geofyzikální hydrodynamice...4 O SYMETRIZOVANÝCH NELINEÁRNÍCH SYSTÉMECH.... Symetrizované systémy a eich obecné vlastnosti.... Symetrizované komplexní systémy... 4 SYSTÉMY S DVĚMA KVADRATICKÝMI INTEGRÁLY...4 5 KVADRATICKY NELINEÁRNÍ SYSTÉMY SE DVĚMA INTEGRÁLY...45 6 POHYBOVÉ ROVNICE n-dimenzionálního TUHÉHO TĚLESA A SYMETRIZOVANÉ SYSTÉMY...47 7 PRVNÍ INTEGRÁLY SYSTÉMU EULEROVÝCH ROVNIC...49 8 SIMPLEKTICKÁ STRUKTURA NA ORBITÁCH, INVOLUCE INTEGRÁLŮ A ÚPLNÁ INTEGRABILITA SYSTÉMU EULEROVÝCH ROVNIC...5 9 POHYBOVÉ ROVNICE ZOBECNĚNÉHO TUHÉHO TĚLESA A JEJICH VZTAH S ROVNICEMI HYDRODYNAMIKY...56 POHYBOVÉ ROVNICE n-dimenzionálního TĚŽKÉHO SETRVAČNÍKU...64 INTEGRACE KOMPLEXNÍ ANALOGIE POHYBOVÝCH ROVNIC n-dimenzionálního TĚŽKÉHO TĚLESA...67 GEODETIKY NA RIEMANNOVÝCH VARIETÁCH...74 SOUVISLOSTI S NELINEÁRNÍMI SYSTÉMY MECHANIKY TEKUTIN...79. Adungované rovnice systémů hydrodynamického typu...79. K problému uzavírání řetězce rovnic pro momenty trodimenzionálního systému Navierových-Stokesových rovnic při velkých Reynoldsových číslech...86. Arnoldova konstrukce zobecněného tuhého tělesa...9.4 Kelvinův (Thomsonův) teorém a Moffatův hydrodynamický invariant...95.5 Zobecněné tuhé těleso a dynamika globálních barotropních a baroklinních toků v geofyzikální hydrodynamice...7.6 Diferenciální formy...7 6
.7 Teorém Noetherové....8 Simplektická struktura na orbitách koadungované reprezentace a levoinvariantní metriky...4.9 Liouvilleův teorém a Hamiltonovy systémy...6. Hamiltonův formalismus na Lieových grupách...8. Matematické úlohy dynamiky stratifikované tekutiny...4. Tichonovovy systémy. Pomalá a rychlá dynamika...7 ZÁVĚREČNÉ POZNÁMKY...74 LITERATURA K ČÁSTI II... 78 7
PŘEDMLUVA Kniha e určena především posluchačům meteorologie a klimatologie na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Publikace e mimo iné zamýšlena ako pokročilý studiní materiál k přednášce Vybrané partie geofyzikální hydrodynamiky určené pro poslední ročník magisterského studia, popřípadě doktorského studia meteorologie a klimatologie. Některé partie monografie však istě nadou uplatnění i v kurzu Dynamické meteorologie nebo hydrodynamiky obecně. Záměrem autorů e seznámit studenty uvedené specializace a případné další záemce s lineární analýzou stability atmosférických procesů, s obecněšími problémy nelineární geofyzikální hydrodynamiky a s netradičními postupy při studiu proudění tekutin, s nimiž se záemci mohou setkat v soudobé literatuře. Těmito postupy rozumíme matematické struktury respektuící současný stav lineární a nelineární analýzy, ve druhém případě velkou měrou přihlížeící k algebraickým metodám. Právě nelineární analýza reprezentue eden z perspektivních oborů matematiky a eí zaměření na fyzikální disciplíny se výrazně proevue v poslední době i při matematickém modelování v dynamice tekutin. To však neznamená, že některé eich problémy nelze řešit lineární analýzou. Svědčí o tom prvá část předkládané monografie, která ako celek tématicky navazue na díla o deterministickém chaosu, vydaná nakladatelstvím Academia v letech 99, 996 a. S tím souvisí ak výběr látky, tak i metody výkladu. Další informace o celkovém zaměření monografie nalezne záemce v úvodních kapitolách. Z matematických prostředků předpokládáme u čtenáře znalost základů diferenciálního a integrálního počtu, diferenciální geometrie a vektorové analýzy. S použitím náročněších partií matematiky se čtenář setká v částech zaměřených na nelineární systémy hydrodynamiky, reprezentovanými konečnědimenzionálními aproximacemi výchozích parciálních diferenciálních rovnic evolučních rovnic dynamiky atmosféry. Jeich součástí e i teorie 9
grup a eí speciální oblast, teorie reprezentací. Snažili sme se, aby kniha, pokud e to možné, tvořila uzavřený celek a nenutila čtenáře sáhnout k doplňuící matematické literatuře. Záemcům, kteří chtěí hlouběi proniknout do matematického modelování atmosférických pohybů kvadraticky nelineárními systémy hydrodynamického typu, doporučueme ke studiu kapitoly 7 a 8 z knihy J. Horáka, L. Krlína a A. Raidla Deterministický chaos a eho fyzikální aplikace (Academia, Praha ), zaměřené na matematické modely klimatu a na nelineární analýzu chaotických časových řad. Samotné matematice klimatu e věnováno dílo Matematické modelování v problémech klimatu, které vyšla tamtéž v roce 6. O autorství knihy se autoři podělili takto: Jiří Horák sepsal druhou část (II.) a Aleš Raidl e autorem první části (I.). Ještě e třeba učinit poznámku o odkazování na rovnice. Protože se prakticky v části I. neodkazueme na rovnice z části II. a obráceně, sou rovnice v obou částech (pro zkrácení) číslovány odděleně. Autoři vyadřuí vděčnost prof. RNDr. Janu Bednářovi, CSc. za péči a úsilí, které věnoval tomu, aby publikace spatřila světlo světa. Za nakreslení některých obrázků z první části knihy a všech obrázků z eí druhé části autoři děkuí kolegovi RNDr. Jiřímu Mikšovskému, Ph.D. Dík patří rovněž manželce druhého z autorů (A. R.) PhDr. Marině Raidlové za pečlivé přepsání a převedení do elektronické podoby celé druhé části knihy. Speciální poděkování patří doc. RNDr. Otakaru Zikmundovi, CSc. eho podrobné přečtení rukopisu a navržené úpravy přispěly k odbornému i azykovému zpřesnění textu. Autoři
ČÁST I
ÚVOD První část knihy poednává o hydrodynamické stabilitě, respektive instabilitě, neboť právě instabilní proudění se bude těšit našemu zvýšenému zámu. Výběr látky byl uspořádán tak, aby podával určitý přehled o stabilitě atmosférického proudění různých měřítek. Výklad začínáme kapitolou o perturbační metodě a poruchách vlnového charakteru, které hraí ústřední roli v celé první polovině monografie. Další význačnou úlohu při výkladu představue různým způsobem modifikovaná metoda vzduchové částice, kterou vychylueme z eí rovnovážné polohy několika způsoby, a to vertikálně, horizontálně nebo šikmo. Ačkoliv stabilitu atmosféry zkoumáme povětšinou na základě linearizovaných rovnic, v některých případech provádíme i zobecnění na nelineární situace. Výklad postupue od zkoumání stability atmosférických pohybů menších měřítek, aké představue například Kelvinova-Helmholtzova instabilita, přes popis Rayleighovy-Bénardovy konvekce následovaný rozborem instability mezoměřítka (symetrická a částečně inerční instabilita), až po problematiku stability kvazigeostrofických pohybů synoptického měřítka konkrétně výkladem o barotropní a zeména baroklinní instabilitě. Do publikace sme zařadili také některé části, které tvoří dnes iž klasické partie teorie hydrodynamické stability, například Milesův-Howardův teorém, polokruhový teorém a Rayleighův, popřípadě Førtoftův teorém. U čtenáře první části knihy se všeobecně předpokládá znalost základů hydrodynamiky, které lze získat z výborných monografií Batchelora [] a Landaua, Lifsitze [], a dále vědomostí z oblasti proudění vzduchu v atmosféře, tzn. z dynamické meteorologie. V tomto směru ako zdro informací dobře poslouží Holtonova kniha [], Duttonova monografie [4], z česky psané odborné literatury také příručka Pechaly a Bednáře [5]. Omezený prostor, který pro výklad problematiky máme, nám neumožnil zařadit řadu zaímavých statí o hydrodynamické stabilitě. Máme zde na
mysli zeména kapitoly o nelineárních interakcích mezi základním stavem a perturbacemi. Rovněž, až na výimku představovanou Rayleighovou- Bénardovou konvekcí, neuvažueme disipaci. Samostatnou kapitolu by si istě vyžádálo i studium barotropní stability Rossbyho vln. Potřebné informace v tomto směru istě čtenář nalezne v monografiích (seřazeno chronologicky) Lina [6], Chandrasekhara [7], Drazina a Reida [8], popřípadě Gonrèche a Mannevilla [9]. Z hlediska geofyzikální hydrodynamiky lze záemcům doporučit vynikaící knihu Pedloskeho []. Co e vlastně předmětem zámu teorie hydrodynamické stability? Tato teorie studue stabilitu určitého základního, chcete-li výchozího stavu, vůči poruchám různého charakteru, které na tento základní stav působí. Poruchy nebo-li perturbace mohou díky stabilitě základního stavu zanikat, nebo naopak v instabilním případě s časem sílit. Velmi často uvažueme, že perturbace maí na počátku infinitezimální charakter. Jeich případné zvětšování však může představovat spouštěcí mechanismus, kdy kupříkladu ustálené laminární proudění přede v neuspořádané, chaotické proudění turbulenci. Poněkud zednodušeně a s istou dávkou nadsázky lze říci, že proevy počasí spočívaí v nestabilitě atmosférické cirkulace například podle moderních představ soudobé dynamické meteorologie vznikaí synoptické poruchy ve středních zeměpisných šířkách díky baroklinní instabilitě původně zonálního západního proudění. Prostřednictvím baroklinní instability tak může doít k přestavbě zonální atmosférické cirkulace v cyklonální. Studium vzáemného působení fluktuací a základního stavu se rozpadá na dva zásadní problémy. Na určení základního stavu osvobozeného od fluktuací a na popis evoluce poruch (fluktuací). Druhým úkolem se budeme vesměs zabývat v následuících kapitolách, kdy odvodíme rovnice pro perturbace a tyto poruchy budeme povětšinou uvažovat ve tvaru vln. Proto se nyní zastavme u problematiky stanovení základního stavu. To není při studiu pohybů v atmosféře tak ednoduché, ak by se na první pohled mohlo zdát. Mohlo by nás napadnout, že takový základní stav by bylo možné získat časovým průměrováním proudění přes dostatečně dlouhý časový interval; podobný postup se vskutku používá například při studiu turbulence. Je užitečné si však uvědomit, že takto získaný akýsi střední základní stav iž obsahue a e ovlivněn fluktuacemi, od kterých bychom e chtěli oprostit. Fluktuace totiž mohou vést ke vznikům toků tepla a hybnosti s obecně nenulovými časovými průměry. Časově vystředované proudění tak zahrnue i existuící fluktuace. Jak v této souvislosti poznamenává Pedlosky [], časově průměrované proudění se obvykle eví stabilněší než skutečný stav bez fluktuací. Neznalost základního stavu nás tedy nutí k eho definování. Musí to být však definice dostatečně smysluplná. V atmosféře obvy- 4
kle předpokládáme, že základní stav e tvořen zonálním geostrofickým prouděním. To dobře odpovídá podmínkám, když studueme stabilitu pohybů velkého měřítka. V práci se snažíme nalézt istý kompromis mezi tím, aby na edné straně byl základní stav atmosféry dostatečně ednoduchý a mohli sme získané rovnice řešit bez použití metod numerické matematiky, a na druhé straně dosti složitý na to, aby výsledný model popisoval vlastnosti atmosféry dostatečně věrně. Naštěstí se ukazue, ak uvidíme z dalšího výkladu, že i poměrně ednoduchá konfigurace základního stavu, například při studiu baroklinní instability, uspokoivě postihue řadu skutečných rysů zemské atmosféry. 5
PERTURBAČNÍ TEORIE Úlohy dynamické meteorologie a geofyzikální hydrodynamiky vůbec sou spoeny s nutností řešit soustavu hydrodynamických rovnic, t. tří pohybových rovnici, rovnice kontinuity, stavové rovnice a první hlavní věty termodynamické. Zmíněnou soustavu lze psát v mnoha tvarech, z nichž edním z možných e tento: v + ( v ) v = α p Ω v + g + f r, (.a) t dα α = + v α = α v, (.b) dt t pα = RT, (.c) dq dt cp dt = α dt d p d t. (.d) Souřadnicovou soustavu O(x,y,z) volíme pravotočivou, obvykle pevně spoenou s rotuící Zemí tak, že osa x míří k východu, osa y na sever a osa z kolmo vzhůru. Čas značíme t, v se složkami (u, v, w) představue rychlost proudění, p e tlak, Ω (, Ω cosϕ, Ω sinϕ) e úhlová rychlost rotace Země, kterou v dostatečně přesném přiblížení považueme za konstantní (Ω = 7,9 5 s, ϕ e zeměpisná šířka). Tíhové zrychlení Země e reprezentováno vektorem g (,, g) a f r značí sílu tření. Veličina α představue měrný obem, souviseící s hustotou ρ vztahem α = /ρ, R e měrná plynová konstanta, T teplota a q e teplo vztažené na ednotku hmoty dodané, nebo odebrané studované soustavě. Na tomto místě poznameneme, že v případě nutnosti, pracueme-li například s oceánem, e nutné soustavu hydrodynamických rovnic obohatit o další rovnice, typicky o rovnici salinity (slanosti) a vhodným způsobem upravit i stavovou rovnici; viz např. []. 6
Analytické řešení soustavy (.) není v obecném případě známo, zeména díky existenci nelineárních členů. Jeí řešení tedy musíme hledat buď pomocí numerické integrace, nebo přistoupit k zavedení zednodušuících předpokladů. Vhodnou metodou, která zednodušue výchozí rovnice, e perturbační teorie. Spočívá v tom, že studované proudění považueme za součet dvou toků (proudění): základního stavu osvobozeného od fluktuací, a malých poruch (perturbací). Přitom předpokládáme, že ) základní stav splňue soustavu rovnic (.), ) výsledné proudění (základní stav + perturbace) splňue soustavu rovnic (.). Předpokládáme-li navíc, že ) poruchové (perturbační) veličiny sou řádově menší než im odpovídaící veličiny popisuící základní stav, hovoříme o lineární perturbační metodě. Hydrodynamické rovnice napsané pro výsledný stav zednodušíme pomocí rovnic (.), napsaných pro základní proudění, eich vzáemným odečtením. Předpoklad ) nám pak navíc umožňue zanedbat v rovnicích členy, které sou nelineární vzhledem k poruchám. Získáme tak rovnice popisuící chování poruch. Tyto rovnice pak nazýváme perturbačními rovnicemi.. Perturbační pohybové rovnice Pro ilustraci nyní odvodíme perturbační pohybové rovnice. Veličiny vztahuící se k základnímu stavu označíme pruhem, tzn. v, α, p. Poruchové veličiny označíme svislou čárkou, tzn. v, α, p reprezentuí postupně perturbace v poli rychlosti proudění, měrného obemu a tlaku. Zopakume znovu pro přehlednost, že základní stav e dán veličinami v, α, p, výsledný stav e dán veličinami v + v, α + α, p + p. Pochopitelně vezmeme-li v úvahu i rovnice (.c) a (.d), sme nuceni uvažovat i případné poruchy v poli teploty atd., ale v tomto ilustrativním případě, kdy používáme pouze pohybové rovnice, vystačíme s poruchami v poli rychlosti, měrného obemu a tlaku. Podle předpokladu ) platí pohybová rovnice pro základní stav, tedy v + ( v ) v = α p Ω v + g, t 7
kde sme pro ednoduchost zanedbali tření. Podle předpokladu ) platí pohybová rovnice (.a) i pro výsledný stav, tzn. ( v + v ) + (( v + v ) )( v + v ) = ( α + α ) ( p+ p ) Ω ( v + v ) + g. t Odečteme-li od poslední rovnice rovnici předposlední, získáme v + ( v v ) + ( v ) v + ( v ) v = α p α p α p Ω v. t Uvážíme-li i předpoklad ), můžeme členy, které sou nelineární vzhledem k poruchám zanedbat, protože sou co do velikosti alespoň o řád menší než členy zbývaící. V takovém případě dostáváme v + ( v ) v + ( v ) v = α p α p Ω v, t což e hledaná lineární perturbační pohybová rovnice. Analogicky postupueme i při odvozování perturbační rovnice kontinuity, stavové rovnice i první hlavní věty termodynamické. Ještě poznameneme, že místo měrného obemu α bývá obvykleší používat v pohybových rovnicích hustotu ρ =/α tak, ak to budeme činit pozděi. Lineární perturbační metoda představue isté omezení v tom smyslu, že umožňue studium stability základního proudění, které e vystaveno pouze malým (v podstatě nekonečně malým) poruchám. Selhává však v případě, kdy amplitudy poruch narostou po určité době v důsledku instability do takových velikostí, že iž není možno nelineární členy v rovnicích opomenout. Podobně, e-li základní proudění stabilní vzhledem k nekonečně malým poruchám, nedává lineární perturbační metoda žádné informace o tom, e-li toto proudění stabilní i vzhledem k poruchám dostatečně velkým. Přesto e možné, ak uvidíme pozděi, pomocí lineární teorie popsat některé vlastnosti fluktuací v reálné atmosféře, například délku dominantní vlnové poruchy nebo eí vertikální strukturu. Poznameneme eště, že lineární perturbační metoda e v dynamické meteorologii spoena zeména s Berknesovým ménem (viz například []). Aplikume nyní výše popsanou lineární perturbační metodu na proudění ve vertikální rovině (x, z). Pro ednoduchost neuvažume rotaci Země a atmosféru považume za nestlačitelnou tekutinu. Není-li dále explicitně uvedeno inak, neuvažueme ani síly tření. Základní stav definume následovně: u( z ), w =, p( z ), ρ ( z). Pro takové základní proudění maí pohybové rovnice v rovině (x, z) tvar 8
p x =, (.a) p z = ρ g. (.b) Rovnice kontinuity pro základní stav e splněna identicky. Poruchy v poli rychlosti ve směru osy x a z nechť sou u ( x, z, t), w ( x, z, t), v poli tlaku p ( xzt,, ) a poli v hustoty ρ ( x, zt, ). Výsledný stav má tedy tvar u( z ) + u ( x, z, t), w ( x, z, t), p( z) + p ( x, z, t), ρ( z) + ρ ( x, z, t). Podle předpokladu ) perturbační metody můžeme psát ( u + u ) ( u + u ) ( u + u ) ( p+ p ) ( ρ + ρ ) + ( u + u ) + w = t x z, (.a) x w w w ( p+ p ) ( ρ + ρ ) + ( u + u ) + w = g( ρ + ) t x z ρ, (.b) z ( ρ + ρ ) ( ρ + ρ ) ( ρ + ρ ) + ( u + u ) + w =. (.c) t x z V této soustavě rovnic zanedbáme nelineární členy vzhledem k poruchám a odečteme od každé z rovnic (.) odpovídaící rovnici (.). Tímto postupem dostáváme následuící perturbační rovnice u u d u p + u + w =, (.4a) t x dz ρ x w w p ρ + u = g, (.4b) t x ρ z ρ ρ d u ρ + + w ρ =. (.4c) t x dz Není obtížné se přesvědčit, že rovnici kontinuity pro perturbace e možné rovněž psát ve tvaru: u w + =. (.4d) x z 9
Zaveďme dále proudovou funkci ψ vztahy Tím rovnice (.4a) až (.4c) předou na tvar ψ ψ u =, w = z x. (.5) ψ du u ψ ψ p + =, (.6a) t z x z x dz ρ x ψ ψ ρ + = g, (.6b) ρ ρ p u t x x z ρ d u ρ + + ψ ρ =. (.6c) t x x dz Rovnici (.6b) parciálně derivume podle x a odečtěme i od rovnice (.6a) parciálně derivované podle z. Tím dostaneme dρ ψ du dρ du ψ g ρ ψ ρ ρ + u + + + =. (.7) t x dz z dz dz dz x ρ x Derivume rovnici (.6c) parciálně podle x, dělme i ρ a vyádřeme z ní (/ ρ)( ρ / x). Výsledek pak dosaďme do rovnice (.7). Poté dostáváme d u du ψ δ δ g u ψ ψ + + = ψ δ, (.8) t x z dz dz x x kde sme označili dρ δ. ρ dz Tím sme převedli řešení soustavy perturbačních rovnic (.4) pro neznámé u, w, ρ a p na řešení edné diferenciální rovnice pro proudovou funkci ψ. K rovnici (.8) (steně ako k soustavě (.) resp. (.4)) e třeba přidat vhodné okraové, popřípadě počáteční podmínky, ak provedeme pozděi.
NORMÁLNÍ MODY Vhodnou metodou řešení rovnice (.8) e metoda normálních modů. Protože koeficienty v rovnici (.8) nezávisí ani na čase t ani na souřadnici x, eí řešení hledáme ve tvaru i ( ) { ψˆ z } ψ ( xzt,, ) =R ( )e k x ct, (.) kde R značí reálnou část výrazu, před kterým stoí. Vlnové číslo k ve směru osy x musí být reálné, aby amplituda vlny (modu) byla při velkých x konečná. Amplitudová funkce ψˆ a růstový faktor (rychlost růstu) kc i mohou být komplexní (c i značí imaginární část fázové rychlosti c). Zapíšeme-li fázovou rychlost c ako součet reálné a imaginární části a dosadíme-li toto vyádření do (.), máme c= c + ic (.) r i kc i ( ) { ˆ } i t k x c r t ψ z ψ ( xzt,, ) =R ( )e e. (.) Je-li kc i =, pak se amplituda poruchy s časem nemění, tzn. e stabilní. Jeli kc i <, pak porucha s časem slábne. Naopak, e-li kc i >, pak porucha s časem zesilue. V posledních dvou případech říkáme, že e porucha instabilní. Na tomto místě e však třeba poznamenat, že někteří autoři, například [], zavádí poem stability (instability) poněkud odlišně, a to: kc i = neutrální porucha, kc i < stabilní porucha, kc i > instabilní porucha. My se budeme vždy snažit o explicitní rozlišení, aby bylo zřemé, o aký časový vývo poruchu se edná. V dalším textu budeme písmeno R vynechávat a budeme mít na paměti, že fyzikální význam maí en reálné části výrazů (.), (.), respektive eich analogie.
Všimněme si, že při kc i > se může porucha stát po uplynutí dostatečně dlouhé doby natolik velká, že se nelineární efekty stanou natolik významnými, že lineární přístup pozbyde platnosti. Proto e vhodné metodu normálních modů používat, v souladu s lineární perturbační teorií, en na počáteční stadia vývoe poruch. Dosazením (.) do rovnice (.8) dostáváme dψˆ dψˆ d u du ( u c) k ψˆ δ ( u c) ˆ g ˆ δ ψ = δψ, (.4) dz dz dz dz což e iž en obyčená diferenciální rovnice pro amplitudovou funkci ψ ˆ. Rovnice (.4) e velmi důležitá neen proto, že í budeme studovat v dalším textu, ale i pro to, že z ní vyplývaí další vztahy, které hraí důležitou úlohu v teorii hydrodynamické stability. Předně, uvážíme-li, že se hustota ρ ( z) mění s výškou obvykle mnohem pomalei než rychlost proudění u( z ), a že δ <<, můžeme v poslední rovnici zanedbat ty členy obsahuící δ, které se nacházeí na eí levé straně, a ponechat pouze ten člen s δ, který stoí na pravé straně rovnice (.4). Fyzikálně to znamená, že zanedbáváme změny hustoty u členů postihuících setrvačnost, ale ponecháváme u členu, který popisue archimédovský vztlak. Taková situace se velmi podobá Boussinesquově aproximaci [8]. Po naznačené úpravě přede (.4) na tvar dψˆ d u gδ ( u c) k ψˆ ˆ ˆ ψ + ψ =, (.5) dz d z ( u c) který nazýváme Taylorova-Goldsteinova rovnice. Půdeme-li eště dále a nebudeme-li uvažovat změny hustoty vůbec (budeme pracovat například s homogenní tekutinou), redukue se rovnice (.4), popřípadě (.5), na rovnici dψˆ d u ( u c) k ψˆ ψˆ =, (.6) dz dz o které hovoříme ako o Rayleighově rovnici. Pro dvě posledně menované rovnice byla odvozena řada teorémů, které se váží ke stabilitě různých typů proudění. Některé si v následuícím textu uvedeme. Závěrem tohoto oddílu si eště povšimněme, že sme poruchy (.) popřípadě (.) uvažovali dvourozměrné, nezávislé na souřadnici y. K tomu nás vede tvrzení Squireova teorému, podle kterého v homogenní tekutině
existue ke každé instabilní trorozměrné vlně vždy vlna dvorozměrná, která e instabilněší a která se pohybue rovnoběžně se směrem proudění. Na případ stratifikované tekutiny Squireův teorém zobecnil Yih (bližší podrobnosti viz [4]). Předmětem našeho prioritního zámu sou právě mody (vlny) co možná neinstabilněší, nehledě na to, že uvažování dvorozměrných namísto trorozměrných poruch výpočty poněkud zednoduší.
4 KELVINOVA-HELMHOLTZOVA INSTABILITA, INSTABILITA TAYLOROVA A HELMHOLTZOVA TYPU V této kapitole se budeme zabývat řešením rovnice (.4) za istých zednodušuících předpokladů. Ukážeme aký vliv má na stabilitu proudění rozložení hustoty, vertikální střih větru (vertikální gradient rychlosti proudění) a tloušťka vrstvy, ve které tekutina proudí. Uvažume dvě nad sebou ležící vrstvy dvou nestlačitelných tekutin, které se navzáem nemísí, s hustotami ρ, ρ a konstantními rychlostmi základního proudění u, u. Zanedbáme-li zemskou rotaci, e plocha odděluící obě tekutiny v klidovém stavu horizontální. Umístěme do této roviny počátek pravoúhlé souřadnicové soustavy. Osa x nechť e orientována ve směru proudění obou tekutin a osa z nechť míří kolmo vzhůru. Dále označme všechny veličiny vztahuící se k horní tekutině indexem, k dolní tekutině indexem. Nechť e horní tekutina omezena neprostupnou horizontální rovinou ve výšce z = h a podobně dolní tekutina nechť e ohraničena rovinou ve výšce z = h. Na základní stav charakterizovaný veličinami u, u, p ( z ), p ( z ), ρ, ρ nechť sou superponovány poruchy v poli rychlosti proudění a tlaku: u ( x, z, t), u ( x, z, t), w ( x, z, t), w ( x, z, t), p ( xzt,, ), p ( xzt,, ). Výsledný stav tedy můžeme charakterizovat takto: horní tekutina: u + u ( x, z, t), w ( x, z, t), p( z) + p ( x, z, t), ρ, spodní tekutina: u + u ( x, z, t), w ( x, z, t), p( z) + p ( x, z, t), ρ. Perturbace v poli rychlosti proudění můžeme nahradit perturbačními proudovými funkcemi ψ, ψ podle vztahu (.5). Namísto pohybových rovnic a rovnice kontinuity e pak možno použít rovnice typu (.4). To znamená, že 4 d ψˆ i k( x ct) ( u ˆ ˆ c) k ψ =, ψ = ψ e, (4.a) dz
d ψˆ i k( x ct) ( u ˆ ˆ c) k ψ =, ψ = ψ e. (4.b) dz Předpokládáme-li, že u c, u c, můžeme řešení rovnic (4.) psát ve tvaru kz ψˆ = Ae + Be, (4.a) kz kz ψˆ = Ae + B e, (4.b) kz Kde A, A, B, B sou integrační konstanty, které určíme z okraových podmínek. Kinematická okraová podmínka na horní hranici vrchní tekutiny vyžadue, aby normálová složka rychlosti k neprostupné hranici byla rovna nule, to znamená Označme tedy ψˆ ( z = h) = Ae + Be =. (4.a) kh kh A e e =, C kh kh B kde C e nová konstanta. Dosazením poslední rovnice do (4.a) máme [ ] ψ ˆ () z = Csinh k( z h ). (4.4a) Zcela analogicky aplikueme kinematickou okraovou podmínku na dolní hranici spodní vrstvy tekutiny, tedy Označme ˆ ( ) e kh kh ψ z = h = A + B e =. (4.b) A e kh e C B kh =, kde C e konstanta. Dosazením poslední rovnice do (4.b) máme [ ] ψ ˆ ( z) = Csinh k( z+ h ). (4.4b) Abychom mohli formulovat dynamické okraové podmínky na rozhraní obou tekutin, určíme poruchy p, p v tlakovém poli. Z rovnice (.6a) vyplývá po dosazení pomocí (.5), že 5
i ( p ) ρ i k ( u c) Ccosh k( z h ) e k x ct =, (4.5a) x i ( ) cosh ( ) e i k( x p k ρ u c C k z+ h ct) =. (4.5b) x Podobně z rovnice (.6b) máme ( ) sinh ( ) e i k( x p ρ ct) k u c C k z h =, (4.6a) z ( ) sinh ( ) e i k( x p k ρ u c C k z+ h ct) =. (4.6b) z Integrume rovnice (4.6) podle souřadnice z: i k( x ct) p = kρ( u c)cosh k( z h) e + f( x), (4.7a) i k( x ct) p = kρ( u c)cosh k( z+ h) e + f( x), (4.7b) kde f (x) a f (x) sou integrační funkce. Parciálním derivováním rovnic (4.7) podle x a následným porovnáním s rovnicemi (4.5) zistíme, že f ( x) = D, f ( x) = D a D a D sou integrační konstanty. Pro ednoduchost e volme rovny nule, tedy p k u c k z h i ( ) ( )cosh ( ) e k x = ρ ct, (4.8a) i ( ) ( )cosh ( ) e k x = ρ + ct. (4.8b) p k u c k z h Pro přehlednost eště uveďme tvar poruch v poli rychlosti proudění: ψ i ( ) u kccosh k( z h) e k x = = ct z, (4.9a) ψ i ( ) u kccosh k( z h) e k x = = + ct z, (4.9b) ψ i ( ) w ikcsinh k( z h) e k x = = ct x, (4.a) ψ i ( ) w ikcsinh k( z h) e k x = = + ct x. (4.b) Dynamická okraová podmínka na rozhraní mezi tekutinami vyžadue spoitost tlaku při přechodu přes toto rozhraní. Předpokládáme-li, že částice, 6
které spočívaí na tomto rozhraní, na něm budou setrvávat, e možné psát zmíněnou dynamickou okraovou podmínku následovně d [ ( p p ) + ( p ) p ] =. (4.) rozhraní dt Podmínka e sice definována pro rozhraní, ale uvážíme-li, že se zabýváme lineární teorií, ve které považueme poruchy za daleko menší než veličiny základního stavu, lze předpokládat, že odchylka rozhraní od eho klidové polohy e nevelká. Podmínku (4.) proto můžeme vztáhnout k rozhraní v poloze z =. Tedy d [ ( p p ) ( ) + p p ] =. (4.) z= dt Poslední výraz představue dvě rovnice (pro dolní a horní tekutinu), které po aaaaaaaaaa d provedení Eulerova rozvoe = + v a zanedbání nelineárních členů, maí tvar dt t ( p p ) ( p p ) + u + wg ( ρ ρ ) t x, (4.a) z= ( p p ) ( p p ) + u + w g( ρ ρ ) t x, (4.b) z= kde sme využili rovnice hydrostatické rovnováhy. Dosadíme-li nyní do rovnic (4.) pomocí (4.8) a (4.) obdržíme C kρ( u c) cosh( kh) g( ρ ρ)sinh( kh) = = C[ kρ( u c)( u c)cosh( kh) ] [ ρ ( )( ) cosh( )] = C k u c u c kh, (4.4a) = C kρ( u c) cosh( kh) g( ρ ρ)sinh( kh). (4.4b) Vyádříme-li z obou posledních rovnic poměr C /C a porovnáme e navzáem, získáme kvadratickou rovnici pro fázovou rychlost c: ( ρa + ρa) c ( ρua + ρua) c+ g( ρ ρ ) aa + ρu a + ρ u a kde sme označili k =, (4.5) 7