图书基本信息
Atmosphere, Ocean and Climate Dynamics
作者: John Marshall
ISBN13: 9780125586917
类型: 精装(精装书)
语种: 英语(English)
出版日期: 2007-12-06
出版社: Academic Press
页数: 344
重量(克): 907
尺寸: 261 x 190 x 22 mm
商品简介
For advanced undergraduate and beginning graduate students in atmospheric, oceanic, and climate science,
Atmosphere, Ocean and Climate Dynamics is an introductory textbook on the circulations of the atmosphere and ocean and their interaction, with an emphasis on global scales. It will give students a good grasp of what the atmosphere and oceans look like on the large-scale and why they look that way. The role of the oceans in climate and paleoclimate is also discussed. The combination of observations, theory and accompanying illustrative laboratory experiments sets this text apart by making it accessible to students with no prior training in meteorology or oceanography.
* Written at a mathematical level that is appealing for undergraduates and
beginning graduate students
* Provides a useful educational tool through a combination of observations and
laboratory demonstrations which can be viewed over the web
* Contains instructions on how to reproduce the simple but informative
laboratory experiments
* Includes copious problems (with sample answers) to help students learn the
material.
好的,以下是一本名为《行星尺度下的流体运动与能量传输:从理论框架到观测应用》的图书简介,严格按照您的要求撰写,内容详实,绝不涉及您提供的书名《Atmosphere, Ocean and Climate Dynamics》中的任何主题或内容,旨在呈现一个聚焦于地球系统科学其他关键领域的全新视角。 --- 行星尺度下的流体运动与能量传输:从理论框架到观测应用 图书概述 本书旨在全面深入地探讨行星尺度上流体动力学、热力学以及物质输运过程的复杂机理,重点关注在特定行星或类地天体环境中,由于内部热源、外部辐射场以及行星自转效应共同作用下,引发的宏观运动模式和能量平衡机制。我们摒弃了传统大气和海洋动力学的特定边界条件,转而构建一个更具普适性的、基于拉格朗日和欧拉观点相结合的理论体系,用于分析行星内部对流、地幔动力学驱动的表面形变对流体运动的调制,以及在非地球环境(如冰巨星或早期地球模型)中,流体介质如何实现能量的有效再分配。 全书结构清晰,从基础的守恒定律出发,逐步引入影响行星尺度流体运动的多个关键因素,包括科里奥利力在极端曲率下的修正、辐射传输的非线性效应,以及复杂相变过程对密度驱动力的影响。内容涵盖了从微观分子动力学到宏观尺度上涡旋结构的生成与维持,强调了理论模型与先进数值模拟技术的紧密结合。 第一部分:行星流体动力学的普适性理论基础 本部分着重于建立一个超越特定行星环境的流体动力学通用框架。 第一章:广义流体力学方程组的构建与简化 本章首先回顾了纳维-斯托克斯方程组在行星尺度下的适用性与局限性。我们引入了曲率修正项,探讨了在半径远小于特征运动尺度时,传统平面近似如何失效。重点分析了动量方程中,压力梯度项与地心引力项的耦合机制。 第二章:行星自转效应与惯性力场分析 科里奥利力和离心力是行星尺度流体运动的决定性因素。本章将深入探讨在不同纬度和高度梯度下,科里奥利力参数的方位依赖性,特别是对于具有显著扁率的行星(如气态巨行星)。我们将推导适用于描述非静力平衡状态下的大尺度环流的平衡方程组,并分析地转平衡(Geostrophic Balance)在具有强烈垂直风切变环境中的演化。 第三章:热力学驱动与辐射-对流耦合 能量输入是驱动行星流体运动的根本动力。本章聚焦于行星内部热源(如放射性衰变、潮汐加热)和外部恒星辐射的耦合效应。详细分析了辐射传输方程在多相介质(如包含悬浮颗粒或液滴)中的求解方法,并建立了有效的参数化方案来描述由温差引起的密度不均匀性,特别是对于液态或超临界流体中的自然对流。本章对热力学势能的有效转化为动能的效率进行了量化评估。 第二部分:复杂介质中的输运过程与界面动力学 本部分关注流体介质的非理想特性以及不同相态之间的相互作用。 第四章:多相流与物质相变的动力学 许多行星系统包含活跃的相变过程,例如冰的升华/凝华、液体的沸腾或深层流体的固化。本章详细研究了相界面演化的动力学,包括马克斯韦尔界面条件的修正应用。我们探讨了气-液、液-固界面上的质量和能量交换速率,并分析了这些过程如何通过改变介质密度梯度来驱动大规模的物质循环。 第五章:粘性耗散与湍流结构的形成 粘性在行星尺度上的作用主要体现在能量耗散和动量输运上。本章将探讨湍流模型(如雷诺平均Navier-Stokes, RANS)在描述行星尺度涡旋结构时的局限性。我们引入了高阶矩模型来刻画大尺度涡旋的非线性相互作用,并分析了地形或磁场剪切层如何触发和维持长时间尺度的、非均匀分布的湍流。 第六章:行星表面形变与岩石圈的耦合作用 本书的一个核心创新点在于将固态行星形变纳入流体动力学模型。我们分析了板块构造运动或地幔对流对上覆流体层底界条件的周期性调制效应。重点探讨了地壳形变引起的压力波传播机制,以及这些波如何影响地表附近的流体环流模式,例如在具有强烈潮汐力作用的天体上。 第三部分:观测、模拟与应用前沿 本部分转向实际问题的解决,介绍用于解析和验证理论模型的现代技术。 第七章:先进数值方法与高分辨率模拟 为了解决行星尺度流体方程组的非线性难题,本章详细介绍了当前最前沿的数值计算技术,包括有限体积法、谱方法在球坐标系下的实现,以及网格自适应技术(AMR)在捕捉小尺度物理过程(如界面或涡旋核心)中的应用。我们将展示用于大规模并行计算的优化策略。 第八章:行星流体动力学的遥感反演与数据同化 本章讨论了如何利用遥感数据(如重力场测量、光谱分析、雷达测绘)来约束和验证行星流体模型。重点介绍数据同化技术,即将不完整、有噪声的观测数据融合到预测模型中,以获得对当前系统状态的最优估计。特别关注如何从间接测量中反演出深层流体的速度场和热结构。 第九章:前沿案例研究:极端行星环境的动力学挑战 本章提供对特定极端环境的深入分析: 1. 高压冰巨星内部对流: 研究在极端压力下,水、甲烷等物质的超临界流体行为及其驱动的对流模式。 2. 早期岩浆海洋的动力学: 探讨行星形成初期,岩浆海洋中剧烈的热浮力驱动的混合过程如何影响行星的化学分异。 3. 潮汐锁定天体的热力学结构: 分析在潮汐锁定状态下,行星昼夜温差如何被内部热流和强烈的地转环流所重塑。 结语 本书为物理学、地球科学、行星科学以及流体力学领域的学者和研究生提供了一套连贯且深奥的理论工具集。通过对行星尺度流体运动的跨学科视角整合,我们期望读者能够建立起对复杂行星系统能量与物质循环的全新理解,并为未来的探测任务和模型构建奠定坚实的理论基础。 ---
阅读这本书的过程,更像是一场穿越时空的对话,作者的笔触中充满了对地球系统复杂性和美感的敬畏。我发现书中引用的案例非常具有说服力,从历史上的“小冰期”到近现代海平面上升的区域差异,作者总能找到最恰当的实例来印证复杂的理论模型。我个人对海洋热量输送那部分内容印象尤为深刻,它阐述了墨西哥湾暖流如何影响欧洲气候的精妙路径,这种跨尺度的影响机制,让人对地球作为一个有机整体的概念有了更直观的认识。更难能可贵的是,作者的叙述风格非常平易近人,尽管涵盖了如此宏大的主题,但语言却始终保持着一种清晰、克制的优雅,没有丝毫的夸张或卖弄。它不像某些学术著作那样高高在上,而是像一位经验丰富的导师,耐心引导你穿过迷雾,去领略科学的魅力。这本书真正做到了将尖端科学与公众认知之间的鸿沟有效地连接起来,使得普通读者也能窥见地球系统科学的壮丽图景。