POLECAMY
Autor:
Format:
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.
Rok wydania | 2019 |
---|---|
Liczba stron | 537 |
Kategoria | Inżynieria środowiska |
Wydawca | Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej |
ISBN-13 | 978-83-7814-851-7 |
Numer wydania | 1 |
Język publikacji | polski |
Informacja o sprzedawcy | ePWN sp. z o.o. |
POLECAMY
Ciekawe propozycje
Spis treści
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 |