还是回一篇好了。
既然叫approximation,必定有所简化。
如果简化的太过分,譬如说数学考试要你推导,你导出0=0,
0=0肯定是对的,只是你的成绩也会是0。
Boussinesq想引进"密度=定值"这个假设来简化Navior-Stokes Eq,
问题是这会过度简化方程,以致于无法描述自然现象,
或用另一种说法:得到的解会很无趣。
(还有一个理由是:这么想当然的假设早就被研究过了,Boussinesq生的太晚了。)
接下来对于Boussinesq Approximation的诠释是我个人的看法,
其他人可能会有其它说法。
不过既然方程式就在那,每个看懂的人都可以提自己的解释,
更棒的是这些解释可能并不互斥。
Boussinesq体认到:(在地球上)水平方向上的密度变化造成的影响不大。
更正确的说法应该是地球的重力太强了,
强到只要水平方向有密度变化,流体就会自行调整,
这种调整总是倾向于把差异弭平。
(严格来说是压力变化,但在大气中的压力和密度,温度有关,
我想用密度来说明大概无伤大雅。
现实的大气或海洋中,还需要考虑potential temperature,
含水量,或盐分,那又是另外好几个故事了。)
举个例子,桌面上倒水,水会散开而不是聚在一起,
水太多的话还会流到地上,
这是因为重力,或者说水本身的重量不允许它们聚在一起。
毕竟流体和刚体不同,分子间没有结构,只要有力作用就会流动(所以才叫流体)。
桌上的水太少的时候,水可能就停在桌面上,
这时候可以观察到在水的边缘有水平的密度变化(白话:有水和没水),
这种情况下水的重量太小,和本身的内聚力达成平衡。
但这种平衡在大尺度时根本不可能达成。
这种调整是由水平的pressure gradient force造成,但pressure源自于重力。
因为有重力的存在,
所有水平方向上的差异总是会在很短的时间内被调整成平衡。
(我仿佛能听到有人在耳边强调pressure和重力有多么的不同,
其中一个证据是重力有方向性而pressure没有,
不过任何人都不能否认某处的pressure和其上方的流体的重量是相等的。)
但是但是但是,也因为重力太强了,
些微的密度差异在垂直方向上可能会造成很强的力。
所以Boussinesq提出在z方向的方程中保留密度变化。
It turns out to be pretty good。
别的不说,我们很轻松就能导出浮力项。
说的远一点,在讨论密度不均匀的环境中的内波(internal wave)时,
reduced gravity的表示式和浮力项如出一辙。
结论:Boussinesq Approximation能把方程式大幅度简化,同时却又能保留很多物理。
题外话。
我有两个老板,
这礼拜其中一个老板带我读另一个老板在2008写的paper。
Paper里借由计算一个(假想的)气块上升时受到的浮力来讨论深对流形成的可能性。
计算浮力的公式和Boussinesq导出的浮力项是相同的是相同的。
从Boussinesq Approximation问世以来大概超过一百年了,
大气学界的想法,至少在概念上,却没什么太大的改变,
这大概从侧面说明Boussinesq的想法有多天才。