Турбулентность в атмосферах планет

Турбулентность в атмосферах планет [c.22]

Турбулентная диффузия в атмосферах планет земной группы. [c.44]

В монографии дается систематическое изложение современного подхода к инвариантному моделированию развитых турбулентных течений многокомпонентных химически активных газов, применительно к специфике математического моделирования верхних атмосфер планет. Основное внимание уделено проблеме взаимовлияния химической кинетики и турбулентного перемешивания, а также разработке полуэмпирического метода расчета коэффициентов турбулентного обмена в стратифицированных сдвиговых течениях, основанного на использовании эволюционных уравнений переноса для вторых моментов пульсирующих термогидродинамических параметров. Возможности разработанных моделей многокомпонентной турбулентности природных сред продемонстрированы в ряде вычислительных примеров, описывающих процессы кинетики и тепло-массопереноса в верхних атмосферах планет. [c.2]

Турбулентность является характерной особенностью многих природных явлений, в которых происходят динамические процессы, сопровождаемые переносом импульса, энергии и массы и ее эффекты наблюдаются на пространственно временных масштабах от сантиметров до мегапарсеков. Таковы, например, разнообразные динамические процессы в земной атмосфере и гидросфере, в атмосферах и недрах звезд и планет, в межзвездных газопылевых облаках (планетарных туманностях и протопланетных дисках), в галактической и межгалактической среде, в космической плазме (магнитогидродинамическая, или плазменная турбулентность). Преимущественно турбулентными являются метеорологические процессы, включающие в себя взаимодействие океана с атмосферой, испарение с водных поверхностей, вертикальный и горизонтальный перенос тепла, интенсивное перемешивание примесей (в том числе загрязнений), вязкую диссипацию кинетической энергии мелкомасштабных вихрей. Турбулентность возникает во многих технических устройствах при движении жидкости, газа или [c.10]

Наблюдаемые долготно-широтные осцилляции пятен, включая БКП и БТП, напоминают движение верхней части вихря в стабильно стратифицированном сдвиговом потоке. Подобно упорядоченным зональным течениям, их естественно рассматривать с позиций формирования гидрологического цикла в стратифицированной газожидкой среде, с учетом ее химического состава, энергетики и выполнения критерия устойчивости. Понимание всей совокупности гидрометеорологических элементов такой системы, включая взаимосвязь конвективных движений в недрах и атмосферах планет-гигантов со спецификой планетарной циркуляции и турбулентных процессов, наблюдаемых на уровне облаков, при различных соотношениях внутренней и солнечной энергии, является одной из актуальных задач геофизической гидродинамики. [c.40]

Турбулентность в верхних атмосферах планет [c.40]

С турбулентными процессами в верхней атмосфере планеты связано, прежде всего, высотное перераспределение компонентов (механизмом турбулентной диффузии), изменение скорости протекания химических реакций в условиях турбулентного перемешивания и турбулентный энергообмен (нагрев за счет вязкой диссипации турбулентной энергии и охлаждение механизмом турбулентной теплопроводности). Как уже было отмечено в разд. 1.1.3, упрощенно турбулентную [c.44]

Действительно, как уже отмечалось ранее, от интенсивности вертикального перемешивания принципиально зависит как распределение по высоте малых компонентов, так и энергообмен на уровне гомопаузы атмосферы планеты. Наиболее приемлемая величина коэффициента турбулентной диффузии определялась, исходя из имеющихся экспериментальных данных, в основу которых были положены три метода вычисление интегральной плотности водорода в единичном столбе атмосферы по измерениям альбедо в линии L а сопоставление измеренных профилей водорода и метана как более тяжелого газа, плотность которого резко спадает начиная от уровня гомопаузы, с учетом процессов фотохимии и транспорта и анализ интенсивности рассеяния солнечного излучения в линии [c.52]

Характерным представителем многокомпонентной природной среды служит верхняя атмосфера планеты, отличительной особенностью которой является непосредственное воздействие радиационных факторов при одновременных разнообразных химических превращениях в сочетании с процессами тепло- и массопереноса. Под воздействием интенсивного солнечного электромагнитного излучения происходят разнообразные фотохимические процессы - фотоионизация, фотодиссоциация, возбуждение внутренних степеней свободы (в том числе возбуждение электронных уровней) атомов и молекул. Эти процессы сопровождаются обратными реакциями ассоциации атомов в молекулы, рекомбинации ионов, спонтанного излучения фотонов и ударной дезактивации. Свойства газа формируются в гравитационном и электромагнитном полях при этом важную роль играют процессы молекулярной и турбулентной диффузии и теплопередачи (в том числе и излучением) при различной степени эффективности коэффициентов молекулярного и турбулентного обмена на разных высотных уровнях. Возникающие температурные, концентрационные и барические градиенты приводят к развитию разномасштабных гидродинамических движений, характер которых до основания термосферы сохраняется турбулентным. Определенное воздействие на состав, динамику и энергетику верхней атмосферы оказывает также солнечное корпускулярное излучение и некоторые дополнительные источники энергии (такие как приливные колебания, вязкая диссипация энергии магнитогидродинамических и внутренних гравитационных волн и др.). [c.68]

К нижней термосфере относится область гомопаузы в верхней атмосфере планеты, где одинаково важную роль играют конкурирующие процессы молекулярного и турбулентного тепло- и массопереноса. Моделирование этой области сопряжено с определенными трудностями, поскольку требует учета многих факторов, для которых теоретические предпосылки, суммированные в предыдущем параграфе, должны быть дополнены необходимой экспериментальной информацией. К последней относится, в частности, аппроксимация эффективного коэф- [c.246]

Существуют другие ситуации, когда свойства среды плавно меняются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Примером может служить распространение волны через ракетный след, который ограничен и локализован. Другим примером служит линия радиосвязи между космическим кораблем и Землей, когда трасса распространения проходит через тонкий слой турбулентной атмосферы планеты. Вообще говоря, если среда однородна в поперечном направлении у, z) на расстоянии порядка радиуса зоны Френеля (XL) / то можно пренебречь изменением свойств среды вдоль г/ и z и учитывать изменение структурной характеристики только в направлении распространения X, полагая С% = Сп х). [c.155]

Турбулентными, в частности, являются разнообразные движения воздуха в земной атмосфере, начиная от слабого ветра вблизи поверхности земли (к которому относятся измерения, воспроизведенные на рис. 1) и кончая движениями общей циркуляции, имеющими масштабы планеты в целом. Атмосферная турбулентность играет основную роль в процессах переноса тепла и влаги воздушными массами, в испарении влаги с поверхности земли и водоемов и в тепловом и динамическом взаимодействии между атмосферой и подстилающей поверхностью, существенно влияющем на изменения погоды она определяет распространение примесей в воздушной среде, зарождение ве- [c.10]

Проникновение в атмосферу других планет окажется причиной появления новых задач по изысканию материалов, иных, чем задачи, возникающие при использовании этих материалов на Земле. Например, считают, что атмосфера, окружающая Юпитер, в основном состоит из водорода и гелия, хотя возможно присутствие некоторых количеств метана и аммиака. Может произойти также резкий удар космического корабля об атмосферу этой планеты, в которой, как подозревают, происходит бурное турбулентное движение. Большинство других планет (дальше Марса) также окружено восстановительной атмосферой. Покрытия, которые должны выдержать вхождение с большой скоростью как в окислительную, так и восстановительную атмосферы, должны обладать особыми качествами, не всегда присущими нынешним покрытиям. Атмосфера Венеры богата двуокисью углерода, в результате чего ее теплопроводность меньше, чем атмосферы Земли. Как полагают, атмосфера Марса богата азотом, так что проблемы разогрева при входе в нее те же, что и при входе в атмосферу Земли. [c.280]

Конвективные движения, возникающие в результате К. н., широко распространены в природе ею вызываются разл. движения в атмосфере Земли и др. планет конвективные движения в ядре Земли, по-видимому, ответственны за поддержание магн. поля нашей планеты. Области с пост, конвективными движениями имеются почти во всех звёздах (см. Конвективная зона) В звёздах и часто в атмосферах планет конвекция яв-jjHei H турбулентной (болыиие L). [c.434]

При К/+К/) > 1 главную роль в образовании турбулентности, как термической, так и концентрационной, играют эффекты плавучести (член JIy Ь Ру У описывающие превращения внутренней энергии системы в осредненную кинетическую энергию среднего течения Ван Мигем, 1977). Этот случай отвечает, например, режиму свободной конвекции в атмосфере планеты [c.219]

Изучение важнейших физико-химических механизмов в условиях турбулентного течения многокомпонентной реагирующей газовой смеси, ответственных за пространственно-временные распределения и вариации определяющих макропараметров (плотности, скорости, температуры, давления, состава и т.п.), особенно эффективно в сочетании с разработкой моделей турбулентности, отражающих наиболее существенные черты происходящих при этом физических явлений. Турбулентное движение в многокомпонентной природной среде отличается от движения несжимаемой однородной жидкости целым рядом особенностей. Это, прежде всего, переменность свойств течения, при которой среднемассовая плотность, различные теплофизические параметры, все коэффициенты переноса и т.п. зависят от температуры, состава и давления среды. Пространственная неоднородность полей температуры, состава и скорости турбулизованно-го континуума приводит к возникновению переноса их свойств турбулентными вихрями (турбулентный тепло- и массоперенос), который для многокомпонентной смеси существенно усложняется. При наличии специфических процессов химического и фотохимического превращения, протекающих в условиях турбулентного перемешивания, происходит дополнительное усложнение модели течения. В геофизических приложениях часто необходимо также учитывать некоторые другие факторы, такие, как влияние планетарного магнитного поля на слабо ионизованную смесь атмосферных газов, влияние излучения на пульсации температуры и турбулентный перенос энергии излучения и т.п. Соответственно, при моделировании, например, состава, динамического и термического состояния разреженных газовых оболочек небесных тел теоретические результаты, полученные в рамках традиционной модели турбулентности однородной сжимаемой жидкости, оказываются неприемлемыми. В связи с этим при математическом описании средних и верхних атмосфер планет возникает проблема разработки адекватной модели турбулентности многокомпонентных химически реагирующих газовых смесей, учитывающей сжимаемость течения, переменность теплофизических свойств среды, тепло- и массообмен и воздействие гравитационного поля и т.п. Эти проблемы рассматриваются в данной части монографии. [c.9]

Одной из специфических особенностей атмосферы планеты является ее многокомпонентность и химическая активность атмосферных газов. Проявления турбулентности в однородном потоке и в реагирующем многокомпонентном потоке различны. Изменение плотности, температуры и состава смеси, возникающие из-за наличия химических реакций могут привести к турбулизации течения. Возникающие градиенты плотности порождают дополнительную завихренность путем взаимодействия с окружающими градиентами или флуктуациями в поле [c.22]

Под воздействием турбулентной диффузии, за счет которой, в основном, обеспечивается постоянство состава атмосферного газа с высотой (исключая химически активные малые компоненты), формируются структурные свойства гомосферы, в отличие от гетеросферы, для которой основным механизмом переноса вещества является молекулярная диффузия в разреженной газовой среде. В турбопаузе планеты процессы молекулярного и турбулентного переноса, конкурируя между собой, в значительной степени определяют закономерности структуры, динамики и энергетики верхней атмосферы. Турбулентным перемешиванием в гомосфере в значительной мере контролируется также подвод атомов водорода на уровень экзобазы и, тем самым, скорость диссипации (в данном случае - утекания) водорода из атмосферы Чемберлен и Хантен, 1987). [c.44]

Эффективность турбулентного переноса в нижней термосфере Сатурна оказалась, таким образом, почти в 100 раз сильнее, чем на Юпитере. Возможная причина состоит в определенном отличии тепловой структуры его стратосферы и мезосферы и более высоком уровне турбулизации, обусловленном процессом конденсации гелия, сопровождаемым его отделением от водорода в глубоких слоях и выпадением на ядро, с чем связывается наличие теплового потока из недр. Несомненный интерес представляет Табл. 1.3.1, в которой приведены наилучшие современные оценки величины коэффициента турбулентной диффузии I) на уровне гомопаузы для разных планет, относящиеся к периодам максимума солнечной активности. В основу ее положены данные, систематизированные в работе Атрейя и др.,1990), которые дополнены имеющимися сведениями об Уране и Нептуне. Как видим, наименьшие величины у Земли, Юпитера и Урана, а наибольшие у Марса, Сатурна и Титана, в то время как у Венеры и Нептуна промежуточное значение. Проведенное обсуждение подтверждает исключительно важную роль этого параметра в определении структуры и теплового режима верхней атмосферы планеты. Поэтому необходимо его более полное и физически обоснованное определение, которое непосредственно связано с детальным анализа самого процесса турбулентного переноса. [c.53]

Турбулентность представляет собой широко распространенное и весьма сложное физическое явление, присутствующее в разнообразных природных средах и технических системах. Характерными примерами таких турбулизованных природных сред являются атмосферы планет Солнечной системы, в том числе внешние газовые оболочки этих небесных тел, лежащие в пограничных областях между атмосферой и космосом. [c.67]

Здесь В (хз) = р зКз7 р (>0) - коэффициент турбулентной диффузии в вертикальном направлении <Н >=к<Т> IM g =р lpg - осредненное значение локальной шкалы высот однородной атмосферы), см. (2.3.95) 3 - путь смешения состава в вертикальном направлении. Существенная роль последнего члена соотношения (3.3.3 ) (отсутствующего, заметим, в известной работе Летто, 1951)) при описании диффузии в верхней атмосфере планеты, где средняя молекулярная масса турбулизованной газовой смеси М = р/п сильно изменяется с высотой, очевидна. [c.150]

Среди предположений, сделанных при выводе этих формул, весьма существенна гипотеза лагранжевой инвариантности переносимой субстанции. Как было упомянуто выше, для химически активной газовой смеси, стратифицированной в гравитационном поле, указанная гипотеза в общем случае не справедлива, и в соотношения (3.3.19 ), (3.3.3 ) и (3.3.15 ) необходимо вводить поправку, учитывающую влияние неоднородного распределения энтропии (температуры) и состава на эффективность турбулентного перемешивания. Такого рода поправка к турбулентным коэффициентам переноса в многокомпонентной смеси может быть найдена, вообще говоря, при использовании так называемой К-теории многокомпонентной турбулентности (см. разд. 4.3.9.). В однородной стратифицированной среде (например, в хорошо перемешанной нижней атмосфере планеты) этот эффект возникает только из-за имеющихся вертикальных градиентов температуры в отдельных областях пространства, благодаря чему появляются дополнительные силы плавучести архимедовы силы) способствующие, или препятствующие образованию энергии турбулентности (см. 4.2). Для учета этого факта Прандтлем был предложен безразмерный критерий- градиентное число Ричардсона Ш = ( / < Т >)(< Т >,3+ gl <Ср >)/(< >,з) (см. формулу (4.2.32)). Исходя из соображений теории подобия, естественно предположить, что все безразмерные характеристики турбулентного потока являются определенными функциями числа / I. Для того, чтобы учесть влияние сил плавучести в соотношениях (3.3.20), (3.3.3 ) и (3.3.15 ), можно использовать следующие поправки к масштабу Ь [c.159]

При создании глобальной модели верхней атмосферы планеты, предназначенной для исследования крупномасштабных динамических процессов и самосогласованно описывающей термосферный ветер, газовый состав и температурный режим, необходимо знание не только молекулярных, но и турбулентных коэффициентов обмена, входящих в определяющие соотношения (3.3.3 ), (3.3.15 ), и [c.247]

Подавляющее большинство гидродинамических процессов и процессов тепло- и массопереноса, определяющих термогидродинамическое состояние природных объектов, таких как атмосферы и недра звезд и планет, происходят на различных пространственно-временных масштабах (от распространения малых примесей в региональном объеме атмосферы планеты до образования гигантских газо-пылевых туманностей, звездных ассоциаций и галактических скоплений) и носят, как правило, турбулентный характер. Турбулентность приобретает ряд особенностей в условиях, когда газ является многокомпонентным, что обычно имеет место в реальных природных средах. Наиболее исчерпывающе такие особенности проявляются при относительно малой плотности газовой смеси, что характерно, в частности, для разреженных газовых оболочек небесных тел -верхних атмосфер планет, состояние которых дополнительно определяется многочисленными комплексами элементарных процессов, инициируемых солнечным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Теоретическое описание и моделирование турбулентности многокомпонентного химически активного континуума в приложении к планетным атмосферам, определяемое понятием аэро-номика, носит, таким образом, достаточно общий характер и позволяет составить представления об основных принципах и подходах, используемых при описании широкого класса турбулентных природых сред. [c.312]

Как уже отмечалось, конкретизация разработанных теоретических подходов к описанию многокомпонентных турбулентных сред проведена применительно к актуальным аэрономическим проблемам и моделированию процессов, в связи с которыми эти подходы получили свое дальнейшее развитие. Детально исследован диффузионный перенос в верхней атмосфере планеты на основе систематического использования обобщенных соотношений Стефана-Максвелла. Рассмотрена диффузионно-фотохимическая модель химического состава и температуры нейтральной атмосферы Земли в области верхней мезосферы - нижней термосферы и дана оценка величины усредненного по времени коэффициента турбулентной диффузии. Разработана методика полуэмпирического моделирования изотропных коэффициентов турбулентного обмена в стратифицированном в поле силы тяжести, многокомпонентном газовом потоке с поперечным сдвигом гидродинамической скорости. Получены универсальные алгебраические выра-л<ения для определения коэффициентов турбулентной вязкости и температуропроводности смеси в вертикальном направлении, зависящие от локальных значений кинетической энергии турбулентных пульсаций, динамических чисел Ричардсона, Колмогорова и турбулентного числа Прандтля, а также от внешнего [c.314]

Турбулентными, в частности, являются разнообразные движения воздуха в земной атмосфере, начиная от слабого ветра вблизи поверхности Земли (к которому относятся измерения, воспроизведенные на рис. В.1) и кончая движениями общей циркуляции, имеющими масштабы планеты в целом. Атмосферная турбулентность играет основную роль в процессах переноса тепла и влаги воздушными массами, в испарении влаги с поверхности Земли и водоемов и в тепловом и динамическом взаимодействии между атмосферой и подстилающей поверхностью, существенно влияющем на изменения погоды она определяет распространение примесей в воздушной среде, зарождение ветровых волн на поверхности моря и образование ветровых течений в океане, болтанку самолетов и других летательных аппаратов и вибрации многих наземных сооружений наконец, турбулентные флюктуации показателя преломления обусловливают многие важные особенности распространения света и радиоволн от наземных и космических источников. Турбулентными оказываются и течения воды в реках, морях и океанах, а также колоссальные по сравнению с масштабами Земли движения газов в межзвездных газовых туманностях. Наконец, турбулентными являются практически все имеющие прикладное значение течения в трубах — в водопроводах, газопрово- [c.7]

В качестве примера рассмотрим задачу о дистанционном зондировании параметров турбулентности атмосферы планеты при помощи метода радиопросвечивания космического зонда [165, 384, 385, 387]. Предположим, что космический аппарат находится на расстоянии от ближайшей к планете точки, лежащей [c.137]

Тепловое излучение и радиометрические измерения могут быть использованы для зондирования внутренней структуры земной коры, а также для определения ослабления в дожде [19, 112, 169, 324, 345] (эффекты многократного рассеяния при радиометрических измерениях ослабления в дожде рассмотрены в работе [403]). Проведены обширные исследования радиолокационного отражения от растительных покровов [101, 354]. Укажем также на электромагнитную геофизическую разведку [8, 305]. Кроме того, при дистанционном зондировании параметров турбулентности атмосфер планет применялся метод радиопокрытий [382, 383, 385, 387, 585], а при исследовании свойств солнечного ветра использовались частотные спектры. [c.267]

Проблема распространения и рассеяния волн в атмосфере, океане и биологических средах в последние годы становится все более важной, особенно в таких областях науки и техники как связь, дистанционное зондирование и обнаружение. Свойства указанных сред, вообще говоря, подвержены случайным изменениям в пространстве и времени, в результате чего амплитуда и фаза распространяющихся в них волн также могут претерпевать пространственно-временные флуктуации. Эти флуктуации и рассеяние волн играют важную роль во многих проблемах, представляющих практический интерес. При рассмотрении вопросов связи приходится сталкиваться с амплитудно-фазовыми флуктуациями волн, распространяющихся в турбулентной атмосфере и турбулентном океане, а также с такими понятиями, как время когерентности и полоса когерентности волн в среде. Рассеянные турбулентной средой волны можно использовать для установления загоризонтной связи. Диагностика турбулентности прозрачного воздуха, основанная на рассеянии волн, даег существенный вклад в решение вопроса о безопасной навигации. Геофизики интересуются флуктуациями волн, возникающими при их распространении через атмосферы планет, и таким способом получают информацию о турбулентности и динамических характеристиках этих атмосфер. Биологи могут использовать флуктуации и рассеяние акустических волн с диагностическими целями. В радиолокации могут возникать мешающие эхо-сигналы от ураганов, дождя, снега или града. Зондир вание геологических сред с помощью электромагнитных и акустических волн требует знания характеристик, рассеяния случайно распределенных в пространстве неоднородностей. Упомянем, наконец, недавно возникшую область океанографии — радиоокеаногра-фию (исследование свойств океана по рассеянию радиоволн). Центральным пунктом этой методики является знание характеристик волн, рассеянных на шероховатой поверхности. [c.6]

Термин сплошная случайная среда обозначает среду, показатель преломления которой меняется случайно и непрерывно во времени и в пространстве. Примерами могут служить тропосферная и ионосферная турбулентность, атмосферы планет, солнечная корона, турбулентность жидкости, турбулентные следы и факелы самолетов и ракет, турбулентность чистого воздуха и биологические среды. Если в данной точке случайной среды флуктуации ее свойств ниже определенного уровня, то флук -туации волны малы. В этом случае обычно говорят о слабы/ флуктуациях . Если же флуктуации свойств среды велики, то этот случай относится к так называемым сильным флуктуациям . Для слабых флуктуаций возможен ряд упрощений и приближений. Этому случаю посвящены гл. 16—19. [c.14]

При распространении волн в среде со случайными крупномасштабными (по сравнению с длиной волны) неоднородностями из-за эффекта многократного рассеяния вперед флуктуации волпо-вого поля быстро нарастают с расстоянием. Начиная с некоторого расстояния, становятся непригодными расчеты по теории возмущений в той или иной ее форме (область сильных флуктуаций). Этот эффект был обнаружен экспериментально Грачевой и Гурви-чем [98] в опытах по распространению света в турбулентной атмосфере и в дальнейшем исследовался более подробно во многих работах [99]. Сильные флуктуации интенсивности могут возникать при распространении радиоволн через ионосферу, солнечную корону или межзвездную среду [100], при просвечивании атмосферы планет во время покрытия ими естественных или искусственных источников излучения [101] и в ряде других случаев. [c.247]

Рассмотрим планету, имеющую атмосферу, т.е. газовую оболочку, ограниченную снизу твердой подстилающей поверхностью, или самую внешнюю область газожидкой планеты. В атмосферных потоках значение числа Рейнольдса Ке обычно превышает Ке , я поэтому течения являются турбулентными. Турбулизация атмосферных течений возникает из-за их деформации при обтекании неровностей подстилающей поверхности, либо при потере гидротермодинамической устойчивости крупномасштабным потоком под воздействием повышенных значений градиентов температуры и скорости ветра. В свободной атмосфере основной причиной возникновения турбулентности является потеря устойчивости внутренних гравитационно-сдвиговых волн. Разрушение подобных волн может вызываться первичной или вторичной неустойчивостью. Первичная неустойчивость (неустойчивость Кельвина-Гельмгольца) развивается в сдвиговом слое между потоками с различными скоростями, если в большей части волнового слоя Ке<Ке . При вторичной неустойчивости поток в среднем устойчив, а [c.22]

К верхней атмосфере относят разреженную газовую оболочку планеты, часто ассоциируемую с околопланетным космическим пространством. Значительная ее часть служит характерным примером многокомпонентной турбулентной среды. Многокомпонентность обусловлена тем, что газ неоднороден по своему химическому составу, находится в поле силы тяжести и частично диссоциирован. Ключевую роль в тепломассообмене играют разнообразные процессы фотолиза, химической кинетики и диффузии ответственные за энергетику и динамику среды. От относительного вклада турбулентной и молекулярной диффузии в значительной степени зависит стратификация атмосферного газа на больших высотах. [c.40]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...