開爾文-亥姆霍茲不穩定性

時間發展方式下的開爾文-亥姆霍茲不穩定性數值模擬。

開爾文-亥姆霍茲不穩定性（英語：Kelvin–Helmholtz instability，名稱來自開爾文男爵和赫爾曼·馮·亥姆霍茲）是在有剪力速度（英語：Shear velocity）的連續流體內部或有速度差的兩個不同流體的介面之間發生的不穩定現象。

一個例子是風吹過水面時，在水面上表面的波的不穩定。而這種不穩定狀況更常見於雲、海洋、土星的雲帶、木星的大紅斑、太陽的日冕中^[1]。

理論

本理論可預測不同密度的流體在不同的運動速度下的不穩定狀態發生，並且層流變成湍流的界限。亥姆霍茲研究兩種不同密度流體的動力學，並發現小規模的擾動，例如波發生時在不同流體間邊界的反應。

在一些波長短到一定程度的狀態下，如果忽略表面張力，以不同速度平行運動的兩種不同密度流體的介面下，在所有速度時都會不穩定。然而，表面張力可抵消短波長的不穩定狀態，而理論預測直到達到速度閾值以前都是穩定的。包含表面張力的理論可大致預測在風吹過水面時產生波的界限^{[來源請求]}。

在重力作用下，連續變化的密度和速度分布（較輕的層在上方，所以流體是瑞利－泰勒穩定）使開爾文-亥姆霍茲不穩定性的動力學是以泰勒－戈德斯坦方程（英語：Taylor–Goldstein equation）描述。而不穩定性開端可由理查遜數（Richardson number，Ri）得知。通常情況下Ri<0.25就會不穩定。這些效應常在雲層中出現。對於不穩定性的研究也可應用在電漿物理學中，例如慣性局限融合和電漿－鈹的介面。

在數值模式下，開爾文-亥姆霍茲不穩定性是以時間發展或空間發展方式模擬。時間發展方式下採用周期邊界條件進行模擬。空間發展方式則採用實際中的入口和出口條件。

參見

註釋

^ Fox, Karen C. NASA's Solar Dynamics Observatory Catches "Surfer" Waves on the Sun. NASA-The Sun-Earth Connection: Heliophysics. NASA. [2013-08-12]. （原始內容存檔於2021-11-20）.

參考資料

Lord Kelvin (William Thomson). Hydrokinetic solutions and observations. Philosophical Magazine. 1871, 42: 362–377.
Hermann von Helmholtz. Über discontinuierliche Flüssigkeits-Bewegungen [On the discontinuous movements of fluids]. Monatsberichte der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin [Monthly Reports of the Royal Prussian Academy of Philosophy in Berlin]. 1868, 23: 215–228.
Article describing discovery of K-H waves in deep ocean: Broad, William J. In Deep Sea, Waves With a Familiar Curl. New York Times. April 19, 2010 [April 2010]. （原始內容存檔於2022-02-12）.

外部連結

Hwang, K.-J.; Goldstein, Kuznetsova, Wang, Viñas, Sibeck. The first in situ observation of Kelvin-Helmholtz waves at high-latitude magnetopause during strongly dawnward interplanetary magnetic field conditions. J. Geophys. Res. 2012, 117 (A08233). Bibcode:2012JGRA..117.8233H. doi:10.1029/2011JA017256.
Giant Tsunami-Shaped Clouds Roll Across Alabama Sky （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - Natalie Wolchover, Livescience via Yahoo.com
Tsunami Cloud Hits Florida Coastline （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
Vortex formation in free jet （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - YouTube video showing Kelvin Helmholz waves on the edge of a fre jet visualised in a scientific experiment.

[1] Fox, Karen C. NASA's Solar Dynamics Observatory Catches "Surfer" Waves on the Sun. NASA-The Sun-Earth Connection: Heliophysics. NASA. [2013-08-12]. （原始內容存檔於2021-11-20）.

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