Frage:
Coriolis-Kraft bei der Modellierung von Atmosphäre und Ozean
tom98765x
2014-10-01 14:12:49 UTC
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Die Coriolis-Kraft ist keine reale Kraft, sondern hängt vom Referenzsystem ab und davon, wie sie sich auf ein Trägheitssystem bezieht. Könnte diese Coriolis-Kraft, wie sie in der Atmosphären- / Klimamodellierung weit verbreitet ist, durch eine explizite Kraft ersetzt werden, z. B. durch Sonnengravitation, und würde dies zu denselben Ergebnissen führen?

Was meinst du mit expliziter Gewalt? Normalerweise erscheint die Coriolis-Kraft als expliziter Begriff in den atmosphärischen Gleichungen von Navy-Stokes.
Hallo Tom98765x, und willkommen bei scicomp! Ich denke nicht, dass die Website Computational Science SE gut zu Ihrer Frage passt, da sie sich mehr auf die Geophysik als auf die Numerik bezieht. Es scheint gut zu Earth Science SE zu passen, also werde ich es dorthin migrieren.
Meinen Sie die Gravitation der Sonne, um die Erde rotieren zu lassen?
Bezüglich "keine wirkliche Kraft" verweise ich den Leser auf http://xkcd.com/123/ (es geht um die Zentrifugalkraft, aber das gleiche Argument gilt) :-)
Drei antworten:
David Hammen
2014-10-02 04:23:44 UTC
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Hier sind Ihre Auswahlmöglichkeiten hinsichtlich der Modellierung der Atmosphäre. Es gibt nicht viele, und nur einer von ihnen ist sinnvoll.

  1. Modellieren Sie die Atmosphäre aus der Perspektive eines trägen Bezugsrahmens.
    Viel Glück damit! Wie mir ein Berater vor Jahrzehnten sagte: "Nennen Sie einen!" Es ist sicherlich kein erdzentrierter Rahmen; Die Erde umkreist die Sonne. Es ist sicherlich kein sonnenzentrierter Rahmen; Die Sonne umkreist Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Es ist sicherlich nicht das Schwerpunktzentrum des Sonnensystems (Schwerpunkt); Das Sonnensystem umkreist die Milchstraße. Das Milchstraßen-Schwerpunktzentrum? Nee. Die Milchstraße und die Andromeda-Galaxie beschleunigen aufeinander zu. Egal wie weit wir schauen, wir sehen die Schwerkraft (und noch weiter entfernt die metrische Ausdehnung des Raums), die diesen Trägheitsrahmen vor uns verbirgt.

  2. Verwenden Sie einen nicht rotierenden Rahmen zentriert auf dem Schwerpunkt des Sonnensystems.
    Der International Celestial Reference Frame ist ein solcher Rahmen. Dies ist mehr oder weniger ein konstruierbarer Rahmen. Hier ignorieren wir entweder die Beschleunigung in Richtung des Zentrums der Milchstraße, der Andromeda-Galaxie und der weiter entfernten Dinge oder erklären sie. Es ist sinnvoll, diese externen Beschleunigungen zu ignorieren. Sie sind sehr, sehr klein und die Unterschiede im Sonnensystem sind noch geringer. Es gibt ein anderes Problem bei einer solchen Konstruktion. Der ICRF dreht sich mit ziemlicher Sicherheit. Der Vorgänger des ICRF, der J2000-Rahmen: Wissenschaftler wissen jetzt, dass er sich drehte. Gleiches gilt für den Vorgänger des J2000-Rahmens, den B1950-Rahmen. Tatsächlich wissen Wissenschaftler, dass sich der ICRF dreht. Der ICRF wurde auf ICRF Version 2.0 aktualisiert. Und auch das dreht sich. Wissenschaftler wissen einfach nicht, wie viel.

  3. Verwenden Sie einen nicht rotierenden Rahmen, der im Massenmittelpunkt der Erde zentriert ist (auch als erdzentrierte Trägheit bezeichnet).
    Selbst wenn der ICRF perfekt wäre, kann man die Erdatmosphäre in einem Computerprogramm aus der Perspektive eines solchen Rahmens nicht vernünftigerweise modellieren. Die Längen- und Geschwindigkeitsskalen, die zur korrekten Modellierung der Atmosphäre erforderlich sind, und die Längen- und Geschwindigkeitsskalen unter Verwendung eines Barycenter-Rahmens des Sonnensystems stimmen einfach nicht überein. Öl und Wasser. Schlimmer noch, es ist ein Moment in der Sesamstraße! ("Eines dieser Dinge ist nicht wie die anderen, eines dieser Dinge gehört einfach nicht dazu.")
    Das, was nicht dazu gehört, ist das Schwerpunktzentrum des Sonnensystems. Der einzig vernünftige Weg, die Erdatmosphäre zu modellieren, ist die Verwendung einer erdzentrierten Perspektive. Jetzt hat ein Computerprogramm die Möglichkeit, die Atmosphäre auf eine Weise darzustellen, die rechnerisch machbar ist. Ein erdzentrierter Rahmen beschleunigt sich, aber wir können damit umgehen. Wir können so tun, als ob $ \ vec F = m \ vec a $ noch gilt. Dies führt zu fiktiven Gezeitenbeschleunigungen. Es ist kein Problem. Die Physik funktioniert immer noch.

  4. Verwenden Sie einen erdzentrierten, erdfesten Referenzrahmen.
    Ein Problem besteht weiterhin mit dem in Option 3 beschriebenen erdzentrierten Trägheitsrahmen. Die Erde, die Atmosphäre und die Ozeane drehen sich unterschiedlich schnell. Dies bedeutet, dass "eine Chance zu haben" etwas zu optimistisch war. Es ist viel, viel sinnvoller, einen Rahmen zu verwenden, der sich mit der Erde dreht. Dies fügt noch mehr fiktive Kräfte hinzu, die Zentrifugalkräfte und die Coriolis-Kräfte, aber auch dies ist kein Problem. Tatsächlich vereinfacht dies die Dinge bis zu dem Punkt, an dem Meteorologen endlich die Möglichkeit haben, die Atmosphäre auf eine Weise darzustellen, die rechnerisch machbar ist.

  5. ol>

    Option 4, diejenige, die erfordert fiktive Kräfte des dritten Körpers (auch Gezeitenkräfte genannt), fiktive Zentrifugalkräfte und fiktive Coriolis-Kräfte. Dies ist die einzige Option, die aus der Perspektive der Modellierung der Atmosphäre ein wenig sinnvoll ist.

Gute Antwort! Es ist wirklich umfassend und erklärt gut die verschiedenen Optionen und die Tatsache, dass Coriolis die beste Antwort ist
arkaia
2014-10-02 01:42:09 UTC
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Die Coriolis-Beschleunigung ist nur in einem rotierenden Referenzrahmen vorhanden, wie dies bei der Erde der Fall ist. Der Coriolis-Effekt wird durch die Erdrotation und die Trägheit der Masse verursacht, die den Effekt erfährt. Wenn Sie sich in einem trägen Bezugssystem befinden und somit nicht beschleunigen, tritt kein Coriolis-Effekt auf.

Nehmen wir an, dass Sie in der Lage sind, die Bewegungen auf der Erde als Teil eines Sonnensystemmodells mit dem zu modellieren Wenn der Bezugsrahmen auf die Sonne zentriert ist (und angenommen wird, dass er nicht beschleunigt), muss der Coriolis-Effekt nicht berücksichtigt werden.

Wolfgang Bangerth
2014-10-01 15:49:02 UTC
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Wenn Ihre Frage lautet: Ich habe eine Gleichung mit dem Kraftterm $ F (x, t) $ und nehme an, dass $ F (x, t) $ durch Effekt A verursacht wird, dann ist die Lösung der Gleichung die Als ob die Kraft $ F (x, t) $ durch Effekt B verursacht worden wäre, lautet die Antwort natürlich "Ja". Dieselbe Kraft (dh dieselbe Größe, dieselbe Richtung) verursacht immer die gleiche Reaktion des Systems, unabhängig davon, woher diese Kraft kommt.

Natürlich hat die Coriolis-Kraft eine sehr spezifische Form, und Sie werden es tun Schwierigkeiten haben, einen anderen physikalischen Effekt zu finden, der zu einem Kraftbegriff führen würde, der genau dieselbe Form hat.



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