Nonlinear Dynamics in Geosciences pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Tsonis, Anastasios A. (EDT)/ Elsner, James B. (EDT)

出品人:

页数:628

译者:

出版时间:2007-9

价格:$ 349.17

装帧:HRD

isbn号码:9780387349176

丛书系列:

图书标签:

• 非线性动力学
• 地球科学
• 混沌理论
• 复杂系统
• 动力系统
• 地球物理学
• 地质学
• 气候动力学
• 数值模拟
• 时空动力学

好的，以下是为一本名为《Nonlinear Dynamics in Geosciences》的图书撰写的一份不包含该书内容的详细图书简介。 --- 图书名称：非线性地球科学中的动力学（暂定名：Dynamics in Non-Linear Earth Sciences） 作者： 钱德拉·拉马钱德兰 (Chandra Ramachandran), 玛丽亚·桑切斯 (Maria Sanchez) 出版社： 普鲁登斯科学出版社 (Prudence Scientific Press) 出版日期： 2024年秋季 页数： 约 650 页（含图表和索引） --- 图书简介 跨越尺度与尺度的复杂性：地球系统的非线性动力学视角 《非线性地球科学中的动力学》是一部面向地球科学家、物理学家、应用数学家以及对复杂系统建模感兴趣的研究生的深度专著。本书旨在系统地梳理和阐述在地球系统这一巨大而精密的自然实验室中，如何应用现代非线性动力学理论来解析那些传统线性模型难以解释的复杂、突变和混沌现象。 本书的独特性在于，它没有遵循传统的学科划分（如地质学、气象学或海洋学），而是采取了一种跨学科的、以现象驱动的叙事结构。我们认为，无论是在构造板块的运动、地震孕育的模式，还是在气候系统的反馈循环中，驱动这些过程的底层数学原理往往共享着非线性动力学的核心特征。 本书的核心论点是：地球系统本质上是一个多尺度、强耦合的复杂系统，其行为主要由非线性反馈回路和临界点处的相变所主导。理解地球的过去、预测其未来，必须从线性叠加的思维中解放出来，直面混沌、分支和突变这些非线性世界的本质特征。 全书分为五大部分，共计十五章，从基础理论的建立到前沿的实际应用，层层递进。 --- 第一部分：非线性基础与地球系统的普适性（Foundations and Universality） 本部分首先为读者奠定坚实的数学和物理基础，重点不在于重复标准微积分或经典力学的课程，而是聚焦于相空间分析、李雅普诺夫指数以及分岔理论在物理系统中的直接映射。 第一章：从平衡到混沌的过渡： 引入描述地球关键变量（如温度、应力、流量）的非线性常微分方程（ODE）模型。详细讨论了自治系统（Autonomous Systems）的定性分析方法，特别是相平面（Phase Plane）上的奇点（Fixed Points）分类，并将其与浅层水文循环的稳定状态进行关联。 第二章：拓扑结构与不变量： 深入探讨了保守系统（如某些类型的海洋环流模型）中的哈密顿力学视角，并引入了拓扑不变量的概念。这部分着重于解释为什么某些地球物理过程，即使受到外部扰动，其宏观结构仍能保持稳定（例如，某些类型的地球磁场结构）。 第三章：分支与临界点分析： 专门针对地球科学中的“突变”事件。详细阐述了鞍结分岔（Saddle-Node Bifurcation）和超临界霍普夫分岔（Supercritical Hopf Bifurcation）。通过这些理论工具，我们解析了冰盖消融的不可逆转性以及地下流体渗流模式的突变行为。 --- 第二部分：空间结构与模式形成（Spatial Structures and Pattern Formation） 地球系统不仅是时间上的演化，更是空间上的复杂结构。本部分将非线性动力学从常微分方程扩展到偏微分方程（PDE）领域，关注空间自组织现象。 第四章：反应-扩散系统在地球化学中的应用： 探讨图灵模式（Turing Patterns）在类比地球表面化学反应网络中的潜力。例如，在热液喷口或沉积物中，不同化学物质浓度如何通过反应与扩散的竞争，自发形成周期性的斑点或条纹结构。 第五章：非线性波的传播与变形： 聚焦于Korteweg-de Vries (KdV) 方程和非线性薛定谔方程 (NLS)。我们将这些方程应用于分析大洋深水波、地震波在非均匀介质中的传播特性，以及孤立子（Solitons）在某些地质界面上的稳定性。 第六章：对流与横向不稳定性： 以Rayleigh-Bénard 对流为起点，深入到地球深部对流（如地幔对流）和浅层大气边界层。着重分析了Praire-Huerre不稳定性和随后的三维模式的出现。 --- 第三部分：随机性与驱动的混沌（Stochasticity and Driven Chaos） 地球系统很少处于完全孤立或纯粹确定的状态。本部分引入了外部随机驱动力（如太阳活动、火山爆发）对确定性非线性系统的影响。 第七章：随机过程与随机微分方程： 建立了随机环境下的动力学框架，并讨论了Langevin方程在建模地表水文流量波动中的应用。重点在于区分真正的系统内禀混沌和外部噪声诱导的随机性。 第八章：随机共振与噪声放大： 这是一个关键章节，用于解释在某些亚阈值强度的周期性驱动下，弱噪声如何反而能增强系统对特定频率信号的响应。这在解释地质记录中的周期性事件（如米兰科维奇循环的某些放大效应）中具有重要意义。 第九章：混沌系统的可预测性极限： 基于庞加莱截面（Poincaré Sections）和对数据的时间延迟嵌入（Time-Delay Embedding）技术，评估了如天气系统、厄尔尼诺现象等复杂时间序列的有限时间可预测性边界，并讨论了信息熵的度量。 --- 第四部分：跨尺度耦合与反馈机制（Coupling and Feedback in Earth Systems） 地球科学的核心挑战在于将大气、海洋、冰雪圈、岩石圈视为一个整体。本部分探讨系统间的非线性耦合。 第十章：耦合振子与同步现象： 利用Kuramoto模型的推广形式，分析不同周期性地球现象（如潮汐力、季节性降雨）之间的相位锁定和同步（Synchronization）现象，例如在某些区域，海洋环流的周期性与地壳形变频率之间的潜在关联。 第十一章：延迟动力学与迟滞效应： 重点分析了时间延迟在系统中的作用。许多地球过程（如冰盖质量变化、碳循环）具有显著的迟滞（Hysteresis）现象。通过引入延迟微分方程（DDE），解释了系统在变化方向相反时响应路径不一致的物理根源。 第十二章：多重尺度相互作用与多重分岔： 探讨当不同时间尺度的过程相互作用时，系统如何表现出多重分岔或准周期（Quasi-periodic）振荡。通过一个耦合的大气-海洋模型案例，展示了由慢速（如洋流）和快速（如气团输运）过程共同决定的复杂气候吸引子。 --- 第五部分：应用案例与模型建构（Case Studies and Model Construction） 本部分将理论与具体的地球物理问题相结合，展示非线性动力学工具的实际效力。 第十三章：构造板块运动中的非线性摩擦学： 审视成熟断层模型（如Dieterich模型）的非线性演化。重点分析了在应力积累过程中，摩擦系数的依赖性如何导致地震活动从平稳滑动向加速破裂的非线性突变。 第十四章：地下水流动的非均匀介质效应： 使用随机场理论结合非线性渗流方程，模拟地下水在裂隙网络或多孔介质中的非均匀、分层流动模式，并讨论了污染物迁移中的尺度效应。 第十五章：气候反馈的稳定域与穿越边界： 应用稳定性分析，对当前气候系统中的关键非线性反馈（如云反馈、融雪反照率）进行定量评估。探讨在不同气候路径下，系统逼近奇异吸引子（Strange Attractor）或发生不可逆转的“气候突变”（Climate Tipping Points）的动力学条件。 --- 目标读者群： 本书不仅是研究生阶段的教材，更是一本高级研究参考书。它要求读者具备扎实的微积分和微分方程基础，并对物理学有深刻的理解。它将激励下一代地球科学家，以更精细、更具洞察力的非线性视角，去解析我们所居住星球的复杂性。本书强调从观察到的复杂性出发，反溯其背后的简洁而普适的非线性定律。

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