李群分析在地球物理流体动力学中的应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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页数:215

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出版时间:2011-4

价格:59.00元

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isbn号码:9787040319545

丛书系列:非线性物理科学

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• 群论
• 物理
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地球物理流体动力学：现象、理论与模型 地球物理流体动力学是地球科学中一个至关重要且充满活力的分支，它致力于理解和解释在地球系统中发生的各种流体运动现象。从波澜壮阔的海洋洋流到神秘莫测的大气环流，再到地幔内部熔融物质的流动，这些看似独立但又相互关联的流体行为，共同塑造着我们赖以生存的地球环境。本书旨在深入探讨地球物理流体动力学的基本原理、核心理论、关键现象以及现代研究方法，为读者构建一个全面而深刻的认识框架。 一、 地球流体运动的宏大图景 地球表面的流体系统极其复杂，涉及尺度和时间跨度都极为广泛。本书首先将带领读者俯瞰这一宏大图景，从宏观层面认识各种主要的地球流体运动。 大气环流： 这是地球气候系统的核心驱动力。从塑造全球天气的季风、信风、西风带，到影响区域气候的复杂涡旋系统，大气环流的动力学过程是理解天气变化、气候预测和气候变化的关键。我们将探讨科里奥利力、压力梯度力、摩擦力等基本物理概念如何在大尺度上塑造着大气的运动轨迹。 海洋环流： 海洋作为地球上最大的热量和动量储存库，其环流系统对全球气候、生物地球化学循环以及海洋生态系统都发挥着决定性作用。本书将介绍大洋环流的主要驱动机制，如风生环流、温盐环流（密度驱动环流），以及它们如何通过海流、潮流、波浪等形式影响着地球的能量分布和物质迁移。 水圈动力学： 包括河流、湖泊、地下水等在内的内陆水体的流动，虽然尺度较小，但对人类社会和区域生态环境具有直接而重要的影响。我们将探讨这些水体的动力学特性，如河道侵蚀与沉积、地下水流动规律等。 地幔对流： 在地球内部，炽热的岩浆在数百万年的尺度上缓慢流动，驱动着板块构造、火山活动和地震等地质现象。虽然这部分内容可能更侧重于地球内部物理学，但其流体动力学原理与地球表面的流体运动在概念上有共通之处，有助于我们理解地球系统的整体性。 二、 基本物理定律与动力学方程 理解地球流体动力学，离不开对支配这些流体运动的基本物理定律的掌握。本书将系统性地介绍和推导相关的动力学方程。 流体守恒定律： 质量守恒（连续性方程）： 描述了流体在运动过程中质量的连续性，是所有流体动力学分析的基础。 动量守恒（纳维-斯托克斯方程）： 这是流体动力学的核心方程，它描述了作用在流体上的各种力（压力梯度力、重力、粘性力、科里奥利力等）如何改变流体的动量。我们将深入解析纳维-斯托克斯方程在不同尺度、不同流体特性下的简化形式，以及它们在地球物理研究中的应用。 能量守恒（热力学方程）： 对于具有温度和密度变化的地球流体，能量的输运和转化同样至关重要。我们将讨论热传导、对流、相变等过程如何影响流体的状态，并通过能量方程进行描述。 关键物理概念： 粘性： 粘性是流体内部的摩擦力，它阻碍流体的流动，并在边界层内产生重要的动力学效应。我们将讨论牛顿流体和非牛顿流体，以及粘性耗散在能量转化中的作用。 密度和浮力： 在地球流体系统中，密度差异是驱动对流的重要因素。本书将详细阐述浮力概念，以及它如何导致热量和物质的垂直输运。 科里奥利力： 这是由于地球自转而产生的惯性力，它对地球表面的大气和海洋环流产生方向性的影响，是理解大尺度流动模式的关键。我们将通过生动形象的例子解释其作用机制。 涡旋动力学： 涡旋是流体运动中的普遍现象，如大气中的气旋、反气旋，海洋中的涡旋。本书将探讨涡旋的产生、发展、传播以及它们在能量和动量输运中的重要作用。 三、 地球流体动力学的关键现象 基于基本定律，地球流体动力学研究着眼于解释和模拟各种复杂的地球流体现象。 波浪现象： 大气波浪： 如声波、重力波、罗斯贝波等，它们在不同尺度上输运能量和动量，对天气和气候模式有深远影响。 海洋波浪： 从海面上的微波到深海的内波，海洋波浪是能量传递的重要载体，也影响着海洋生态和海岸工程。 地震波： 虽然是弹性波，但其在地幔中的传播与流体动力学有一定的关联，特别是与地幔对流相关的地质活动。 边界层动力学： 流体在固体边界（如陆地、海底）附近的行为与主体流动存在显著差异，形成边界层。本书将深入研究大气边界层、海洋边界层以及地幔边界层，它们在动量、热量和物质交换中扮演着关键角色。 湍流： 绝大多数地球流体流动都是湍流状态，表现出高度的无规则性、混合性和耗散性。理解湍流的统计特性、能量级串以及如何进行数值模拟是现代地球物理流体动力学研究的重大挑战。我们将介绍湍流理论的一些基本概念和研究方法。 非线性动力学与混沌： 地球流体系统往往表现出显著的非线性行为，微小的初始扰动可能导致巨大的未来差异，即混沌现象。本书将触及非线性动力学的基本概念，以及它如何解释地球系统的复杂性和不可预测性，例如天气预报的极限。 四、 研究方法与数值模拟 现代地球物理流体动力学研究高度依赖于理论分析、观测数据和数值模拟的结合。 理论分析： 通过简化模型和解析方法，可以揭示流体运动的基本机制和规律。本书将介绍一些经典的理论模型，如地转近似、浅水方程等。 观测数据： 地球物理流体动力学研究离不开各种观测手段，包括卫星遥感、海洋浮标、气象站、探空气球等。这些数据为模型验证和理论发展提供了宝贵依据。 数值模拟： 随着计算能力的飞速发展，数值模拟已成为研究地球流体动力学不可或缺的工具。本书将介绍数值模式的基本原理，如何离散化动力学方程，以及不同分辨率的模型在研究中的作用。我们将讨论数值模拟在天气预报、气候模拟、海洋环流模型构建等方面的应用。 数据同化： 将实测数据与数值模型相结合，以提高模型的精度和预测能力。 五、 地球流体动力学在地球科学中的地位与挑战 本书将强调地球物理流体动力学作为连接物理学、数学与地球科学（大气科学、海洋学、地质学、水文学等）的桥梁作用。它不仅解释着自然现象，更为人类活动（如天气预报、气候变化评估、环境保护、能源开发）提供科学支撑。 最后，本书还将展望地球物理流体动力学面临的未来挑战，包括： 提高模型的分辨率和准确性，以更好地捕捉中小尺度现象。 发展更有效的湍流模型，以实现更精确的模拟。 深化对非线性动力学和混沌行为的理解，以拓展预测能力。 整合不同地球系统模型，以研究地球作为一个整体的响应。 利用人工智能和机器学习技术，以加速数据分析和模型开发。 通过对这些内容的系统阐述，本书旨在为读者提供一个关于地球物理流体动力学全面而深入的导览，激发对这一迷人科学领域的兴趣，并为进一步的学习和研究奠定坚实的基础。

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我个人认为，这本书的视角是非常宏大且具有前瞻性的。它没有将自己局限在纯粹的数学物理框架内，而是频繁地将讨论的触角伸向了行星科学更广阔的领域。比如，在关于深层对流稳定性的讨论中，作者巧妙地引入了天文物理学中关于行星形成早期热演化的观点，试图为地球深部热边界层的行为提供一个更具普适性的解释框架。这种跨学科的视野，使得整本书的叙述显得尤为丰满和立体。作者的叙事节奏掌握得非常老道，他知道何时需要放慢速度，详细解释一个复杂的物理概念，也知道何时可以加速，用精炼的语言概括一个成熟的理论体系。对于我这种渴望将手头工作与宏大科学叙事相结合的研究者来说，这本书提供了一个绝佳的平台，它让我不仅学会了“如何计算”，更重要的是，让我开始思考“我们到底在模拟什么”这一更本质的问题，充满了哲学思辨的韵味。

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这份文献的阅读体验，用“酣畅淋漓”来形容或许有些夸张，但绝对是那种能够让你在浩瀚的学术海洋中找到稳定灯塔的感觉。我尝试着去关注其中关于地幔对流模式的章节，那里的论述深度远超我之前接触过的任何教材。它没有停留在传统的Boussinesq近似的框架内，而是大胆地引入了高压下物质状态方程的修正项，并且对粘滞性与温度、压力的非线性依赖关系进行了极为细致的量化分析。我特别留意到作者在处理边界条件时的那种近乎偏执的严谨性，他不仅讨论了经典的无滑移壁面，还深入探讨了相界面耦合的复杂情形。读完这部分，我感到一种思维上的拓展，原本以为已经触及边界的模拟技术，在作者的笔下又被推向了一个新的维度。整本书的行文风格是那种典型的“欧洲学术范儿”，不尚辞藻，句式结构严密，每一句话都承载着明确的科学信息，需要读者全神贯注地去捕捉其中的深层含义，读起来颇有一种与大师对弈的智力挑战感。

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这本书的封面设计着实引人注目，那种深邃的蓝色调，配上复杂的流体动力学模拟图谱，瞬间就能把我从现实的纷扰中抽离出来，仿佛已经置身于地核深处或者某个行星的内部。我拿起它时，首先被那种沉甸甸的质感所吸引，这可不是那种轻飘飘的快餐读物，它散发着一种需要沉下心来啃读的学究气质。内页的排版非常考究，公式的推导逻辑清晰得令人赞叹，即使是一些极其晦涩的偏微分方程组，作者也仿佛能用最温柔的笔触将其层层剥开，让即便是初次接触这个领域的读者也能窥见其核心的物理图像。我尤其欣赏它在介绍基本概念时所采用的类比手法，那种将抽象的地球物理过程与日常可见的现象巧妙挂钩的方式，极大地降低了理解门槛。初读下来，我感觉自己像是在一位经验老道的导师的带领下，逐步攀登一座理论的高峰，每一步都走得坚实而充满启发性。这本书的气场很足，它不仅仅是知识的堆砌，更像是一部系统构建的、严谨的思维训练手册，让人不由自主地想要拿起笔，在旁边空白处进行自己的演算和思考。

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这本书的价值，我认为主要体现在它对前沿研究方法的整合能力上。现在很多流体动力学书籍往往侧重于理论推导，而真正将这些理论应用于实际地球物理问题的案例分析却相对薄弱。然而，这本书在这方面做得尤为出色，它没有仅仅停留在“如何计算”的层面，而是深入剖析了“为何要这样计算”。例如，在讨论磁流体动力学（MHD）模拟地核流体运动时，它并非简单罗列数值格式，而是详细对比了有限体积法、有限元法在处理这种强非线性、强对流主导问题时的优劣，并且给出了大量的实际算例结果图。这些图表不仅是美观的科学插画，更是作者思路的物化体现，每一个涡旋的形态、每一条流线的轨迹，都似乎在无声地诉说着地球内部能量传输的复杂奥秘。阅读过程中，我不断地将书中的模型与我正在进行的课题进行比对，从中汲取了很多关于数值稳定性和物理合理性判断的宝贵经验，这种即时的反馈机制，让阅读过程充满了实践的温度。

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这是一本需要反复研读、常读常新的工具书。我发现在第一次通读时，很多精妙之处可能因为知识储备的不足而未能完全领会，但在隔了一段时间，当我接触了新的实验数据或新的数值方法后，再回翻这本书的对应章节时，总会有“醍醐灌顶”的感觉。它像是一座结构精密的知识宝库，不同的切入点会让你发现不同的宝藏。特别是关于不均匀加热和冷却对流体系的章节，作者对临界雷利数计算的细致考量，以及对三维结构演化的精彩描述，简直是教科书级别的范例。这本书的行文风格带有鲜明的个人烙印，那种对物理图像的执着追求，使得冰冷的数学符号都仿佛被赋予了生命和动态感。阅读它，不仅是学习知识，更像是在与一位深谙地球内部规律的智者进行一场长时间的、深入的、关于宇宙尺度的对话，让人对我们脚下这颗星球的敬畏之情油然而生。

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