Principles of Glacier Mechanics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Cambridge Univ Pr

作者:Hooke, Roger LeB.

出品人:

页数:448

译者:

出版时间:2005-2

价格:$ 128.82

装帧:Pap

isbn号码:9780521544160

丛书系列:

图书标签:

• 冰川力学
• 冰川物理
• 冰川动力学
• 冰川流变学
• 冰川建模
• 冰川地貌
• 冰冻圈
• 水文冰川学
• 冰川工程
• 极地科学

《冰川力学原理》内容概述 本书旨在全面、深入地探讨冰川运动的物理机制、控制因素以及相关的工程应用。它不仅仅是一本理论性的教科书，更是一本结合了前沿研究成果与经典理论框架的综合性参考著作，面向对冰川学、地球物理学以及环境科学感兴趣的研究人员、研究生及高年级本科生。 第一部分：冰川的物质特性与本构关系 本部分奠定了理解冰川动力学的物质基础，详细阐述了冰的物理性质及其在不同应力状态下的变形行为。 第一章：冰的晶体结构与微观特性 本章从分子层面入手，解析了纯水冰（特别是I$_{h}$相）的晶体结构，包括晶格缺陷（如位错和空隙）对冰力学行为的控制作用。重点讨论了冰的各向异性，解释了为什么在不同晶轴方向上，冰的强度和蠕变速率存在显著差异。讨论了温度、压力和杂质（如盐分、气泡）如何影响晶体结构稳定性和宏观力学响应。 第二章：冰的粘塑性流变学 冰川的运动本质上是一种粘塑性流动过程。本章详细介绍了描述冰流动的本构关系。首先，系统回顾了牛顿流体和理想粘性材料模型，并将其应用于低温冰的蠕变研究。核心内容聚焦于基于位错运动的二次幂律流变模型（如Nye模型和基于能量激活的模型），详细推导了剪应力、应变率、温度和压力之间的定量关系。探讨了流变参数的温度依赖性，特别是阿伦尼乌斯（Arrhenius）关系在描述激活能和流变激活温度中的应用。此外，还引入了考虑临界屈服应力（即塑性阶段）的粘塑性模型，区分了纯蠕变和破裂前沿的力学行为。 第三章：冰的本构方程与应力状态分析 本章将前两章的微观和本构关系提升到连续介质力学的框架下。定义了冰体的应力-应变率关系，包括剪切和体积变形。讨论了在冰川内部可能出现的复杂应力状态（如单轴拉伸、压缩、纯剪切），并介绍了如何使用莫尔圆（Mohr's Circle）来分析冰体在特定点上的应力轨迹。详细讨论了压力对冰流变的影响，特别是深层冰体中高静水压力下的流变加速机制。 第二部分：冰川运动的连续介质力学基础 本部分将冰体视为一种连续介质，运用经典流体力学和固体力学的原理来描述冰川的宏观运动。 第四章：冰川运动的基本方程 本章建立了描述冰川运动的守恒方程组。首先是质量守恒方程（连续性方程），用于描述冰体体积随时间的变化，包括冰的积累（降雪）和消融（融化、升华）。其次是动量守恒方程（运动方程），即纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程在冰体流动中的具体形式。由于冰的粘度极高且流动速度相对较慢，本章重点讨论了斯托克斯（Stokes）近似在冰川流动中的适用性，并讨论了惯性项和边界层效应的量级分析。 第五章：冰川流动的简化模型 在实际应用中，全耦合的Navier-Stokes方程往往难以求解。因此，本章介绍了一系列实用的简化模型，它们在特定几何和动力学假设下成立。 薄板近似（Thin-Sheet Approximation）：推导了平面近似下的流动方程，适用于宽阔的冰盖。 冰流的经典模型（如巴斯蒂安模型和巴里模型）：侧重于层流假设下，考虑底边界条件和表面施加的荷载（如雪堆）对流速剖面的影响。 冰流的斜坡驱动力（Driving Stress）分析：详细分析了表面坡度、冰体厚度和基底摩擦力如何共同决定沿程的驱动应力，这是理解冰川速度梯度的核心。 第六章：边界条件与底界面摩擦 冰川的运动速度在很大程度上由其与基岩（或下垫面）的相互作用决定。本章深入探讨了底界面的力学条件。 基底滑动（Basal Sliding）：分析了冰底界面上的剪切应力平衡，讨论了滑移律（Sliding Law），特别是基于剪切应力和法向应力的粘滞滑动模型。重点分析了水在冰-岩界面上的作用，包括水压对有效正应力的降低及其对滑动速率的指数依赖性。 基底融化与水文作用：讨论了地热融化、剪切生热以及地表水入渗对底界面水文条件的影响，以及这些因素如何调制底界面摩擦力。 第三部分：冰川动力学的空间变化与热力学耦合 本部分关注冰川流动的复杂性、非稳态过程以及热力学因素在驱动冰川行为中的关键作用。 第七章：非稳态流动与冰流失稳 冰川运动并非总是处于稳态。本章研究了冰流对外部扰动（如气候变化、降水/融化季节性变化）的响应。 时间依赖性（Time-Lag Effects）：分析了冰体粘弹性记忆对速度响应的延迟效应。 冰流失稳机制（Instability Mechanisms）：深入探讨了海洋冰川加速（Marine Ice Sheet Instability, MISI）和海洋冰架不稳定性（Marine Ice Cliff Instability, MICI）的力学基础。重点分析了在斜坡向下倾斜的基岩上，冰流如何被驱动至不可逆的加速状态。 第八章：温度场与热力学耦合 冰的流变学对温度高度敏感，因此热力学参数的分布直接控制了动力学。 冰川内部温度场的建立：分析了热传导、剪切生热和地热梯度在冰体内部建立温度廓线的作用。 冰的熔点与压力效应：讨论了压力对冰熔点的影响（Clausius-Clapeyron关系），以及在冰川底部如何形成融化层。 热力学-动力学耦合模型：介绍了如何将温度方程与动量方程联立求解，以得到更精确的冰流速分布，特别是对于深厚冰体和快速流动的冰川舌。 第九章：冰体中的应力集中与断裂力学 在冰川运动过程中，由于地形变化、速度梯度增大或冰川边缘，冰体会经历拉伸和压缩，导致裂隙的形成和扩展。 冰体的线弹性响应与应力集中：在快速变化的应力场中，冰体表现出一定的弹性行为。本章应用线性弹性理论分析了冰脊、冰瀑和冰舌边缘的应力集中现象。 冰裂缝的形成与演化：讨论了冰的断裂判据（如应力强度因子），并分析了冰塔（Seracs）、冰瀑（Icefalls）以及冰舌表面的裂缝系统（如冰川横向裂缝和纵向裂缝）的形成机制。 第四部分：应用、观测与数值方法 本部分将理论框架应用于实际的冰川系统，并介绍了现代冰川学研究中使用的数值和遥感技术。 第十章：冰川动力学的数值模拟 为了求解复杂几何和非线性本构关系下的流动方程，需要依赖数值方法。 有限差分法（FDM）与有限元法（FEM）：介绍了如何构建网格系统，并将连续介质方程离散化。讨论了处理冰-岩边界条件和处理尖锐地形变化时的网格适应性问题。 冰流模型（Ice Flow Models）的分类与应用：比较了浅薄冰模型（Shallow Ice Approximation）、完整冰模型（Full Stokes Model）和粘塑性模型在不同尺度（如冰盖、山地冰川）上的计算成本与精度权衡。 第十一章：冰川运动学的观测方法 动力学研究依赖于精确的速度场测量。本章系统回顾了用于测量冰川速度和形变的先进技术。 地面测量技术：包括GPS/GNSS高精度定位、全站仪监测网络。 遥感技术：重点介绍了干涉合成孔径雷达（InSAR）技术在获取大范围、高分辨率三维速度场方面的优势，以及如何处理相位解缠、形变梯度等关键步骤。同时，回顾了利用高分辨率光学影像进行追踪（Feature Tracking）的方法。 第十二章：冰川对气候变化的响应与未来展望 本章将全书内容整合，应用于理解当前气候变化背景下的冰川动态。讨论了冰川物质平衡（质量输入与输出）如何通过动力学机制放大或抑制地表气候信号。分析了冰川加速流出对海平面预算的贡献，并展望了未来数值模型在更精细地耦合冰-海洋-大气相互作用方面的研究方向。 本书结构清晰，逻辑严密，力求在严谨的物理学和数学基础上，为读者提供一个理解冰川这一复杂地球系统的动力学工具箱。

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