The coupling between inertial and rotational eigenmodes in planets with liquid cores
地球是一个快速旋转的物体。离心力使其形状类似于扁平的椭圆体，科里奥利力在其流体核心中支持波，称为惯性波。这些波可以导致流体的全局振荡或模式。地球自转轴的周期性变化（章动）可以导致地幔和流体核之间的角动量交换，并激发这些惯性模式。除了存在的粘性扭矩，无论边界的形状，小压扁的核幔边界（CMB）允许惯性模式施加压力扭矩的地幔。这些力矩有效地将地球的刚体动力学与流体核的流体动力学耦合。在这里，我们提出了第一个高分辨率的数值模型，同时解决了地幔的刚体动力学和液核的纳维-斯托克斯方程。这种方法自然地考虑到在当前章动模型中被忽略的流体中的耗散过程。我们发现，自由核章动（FCN）模式，主要是一个环形流体流动，如果地幔有一个大的转动惯量，进入共振附近的模式，如果地幔的转动惯量减少。这些模式相互作用似乎与Schmitt（2006）在具有不同扁平度的均匀旋转椭球体中发现的模式相互作用完全相似。
2019-05-09 astro-ph.EP physics.flu-dyn
A model of rotating convection in stellar and planetary interiors: II -- gravito-inertial wave generation
引力惯性波在对流区和辐射区的界面处以及在旋转恒星和行星的对流区的大部分中由雷诺应力激发。这种波在旋转恒星的频谱中具有显著的星震特征，特别是在快速旋转的早期型恒星中，这提供了探测其内部结构和动力学的手段。它们还可以将角动量、化学物质和能量从激发区域传输到它们在辐射区域中耗散的地方。为了估计这些波的振幅的激励和对流参数的依赖性，采用了一个单峰模型的恒星和行星对流，如在论文I中所述，它提供了作为旋转速率的函数的均方根对流速度的大小。与此对流模型，两个渠道的波驱动被认为是：激励在对流稳定和不稳定的区域之间的边界和激励由于湍流应力。参数制度的亚惯性波可能携带显着的能量通量，这取决于对流Rossby数，界面刚度，和波的频率。超惯性波也可以增强，但仅限于对流Rossby数接近1时。当激发界面激发波的流动的对流罗斯比数低于取决于界面刚度的临界罗斯比数时，界面激发波在较低截止频率附近具有峰值能量通量，而当对流罗斯比数大于临界罗斯比数时，该通量减小。这个临界罗斯比数。
2020-09-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Precession Effects on Liquid Planetary Core
出于理解液体行星核中进动驱动流动的丰富动力学的愿望，我们通过数值模拟研究了同时具有慢进动的旋转圆柱环中的进动流体运动。同样的问题已经在圆柱体中得到了广泛的研究，其中旋进流动由三个关键参数表征：埃克曼数$E$、庞加莱$\acute{\mathrm e}$数$Po$和半径-高度纵横比$Γ$。而在环隙中，还有另一个参数，内径-高度纵横比$Υ$，它也在控制流动的结构和演变中起着重要的作用。通过将非线性解分解为一组惯性模态，我们证明了弱旋进流和中等旋进流的性质。结果表明，当旋进力较弱时，流动是稳定的，动能幅值不变。随着进动力的增加，我们的模拟表明，边界效应和惯性模式之间的非线性相互作用可以触发更多的湍流，引入一个过渡制度的丰富的动态无序流。当$0.001\leq Po\leq 0.05$从弱到中等进动时，惯性模式$\bm u_{111}$，其次是$\bm u_{113}$或$\bm u_{112}$，总是主导进动流。此外，旋进流在环隙中显示出比在圆柱中更稳定，这可能是由限制共振和非共振惯性模式的增长的内边界的影响所引起的。此外，三元共振的机制是没有发现的过渡区从层流到无序流。
2017-12-06 astro-ph.EP physics.geo-ph
The complex interplay between tidal inertial waves and zonal flows in differentially rotating stellar and planetary convective regions I. Free waves
在近距离两体系统的潮汐相互作用的量化是最感兴趣的，因为他们有一个至关重要的影响的架构和旋转的历史的机构。各种研究表明，任何一个天体的潮汐消散都对它的结构和动力学非常敏感，就像存在于类太阳恒星和巨型气态行星的外对流层中的差异旋转一样。特别是，潮汐波可以强烈地与纬向流在所谓的共转共振，其中波的多普勒频移抵消。我们的目标是提供一个深入的物理了解潮汐惯性波的动力学在共转共振，在存在的差分旋转配置文件典型的低质量恒星和巨行星。通过建立一个倾斜的剪切盒，我们研究了自由惯性波在共转时的传播和透射，更一般地说，在临界水平上，这是控制波微分方程中的奇点。通过构建一个不变量称为波作用通量，我们确定了不同的制度，波传输在临界水平，这是证实了一维三层数值模型。我们发现，惯性波可以完全透射，强烈阻尼，甚至放大后，越过临界水平。这些制度的发生取决于假设的差分旋转的轮廓，在性质以及纬度的临界水平，和波的参数，如惯性频率和纵向和垂直波数。因此，波可以在临界水平阻尼时将其作用通量沉积到流体中，或者在临界水平放大时将其作用通量提取到流体中。这两种情况都可能导致潮汐相互作用体之间的显著角动量交换。
2021-01-12 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic Dynamo Driven by Inertial Waves
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心）；Abastumani Astrophysical Observatory（阿巴斯图马尼天体物理观测台）；Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Marseille, IRPHE UMR 7342（艾克斯马赛大学，法国国家科学研究中心，马赛中央理工学院，IRPHE UMR 7342）；Department of Applied Mathematics, School of Mathematics, University of Leeds（利兹大学数学学院应用数学系）
研究证实惯性波湍流可驱动磁发电机，引入涡旋受控阻尼提升发电机在低Pm、低Po下的增长率，确立惯性波为行星恒星内部磁场放大的有效机制。
2026-08-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Retrieval of the fluid Love number $k_2$ in exoplanetary transit curves
我们目睹了对系外行星的内部结构、组成和演化的巨大和日益增长的兴趣。然而，直接测量的系外行星质量和半径不能唯一地解释内部结构，证明需要一个额外的观察。第二度流体勒夫数，$k_2$，与朝向身体中心的质量浓度成比例，因此提供关于内部结构的有价值的额外信息。当行星内部假设流体静力平衡时，$k_2$是行星形状的直接函数。以前的尝试是联系所观察到的潮汐和旋转引起的行星扁率在光度光变曲线$k_2$使用椭球形状模型。在这里，我们构建了一个分析的3D形状模型函数的真正的行星平均半径，适当占潮汐和旋转变形。当人们希望将测量的$k_2$与内部理论期望值进行比较时，测量真正的行星平均半径是至关重要的。我们说明了我们的方法的可行性，并显示，通过应用差分进化马尔可夫链的合成数据的WASP-121 b，一个精确的$\leq$ 65 ppm/ $\sqrt{2\,min}$是需要可靠地检索$k_2$与目前的恒星临边暗化的理解，从而提高最近的结果的基础上椭圆形模型。任何对恒星边缘暗化的改进都会提高这种性能。
2019-05-08 astro-ph.EP
Towards a better understanding of tidal dissipation at corotation layers in differentially rotating stars and planets
星-行星潮汐相互作用在近距离行星系统的动力学演化中起着重要的作用。本文研究了恒星/行星对流区中潮汐惯性波的传播和耗散。我们考虑到纬度差异旋转的背景流，类似于在像太阳这样的低质量恒星的信封中观察到的。以前的工作已经表明，差异旋转显着改变惯性波的传播和耗散特性。特别是，当多普勒频移的潮汐频率消失在流体中，一个临界层的形式，潮汐耗散可以大大增强。我们目前的工作发展了一个局部的分析模型，以更好地了解潮汐强迫惯性波在临界层的传播和耗散特性。
2017-10-24 astro-ph.EP astro-ph.SR
Tidal dissipation in rotating and evolving giant planets with application to exoplanet systems
本研究探讨了质量在0.1-10木星质量的旋转演化巨行星中的潮汐耗散，发现被激发的惯性波是主导机制，并预测了修正的潮汐品质因子，揭示了行星潮汐在系外行星偏心率圆化中的关键作用。
2023-11-27 astro-ph.EP
Scaling laws to understand tidal dissipation in fluid planetary regions and stars I - Rotation, stratification and thermal diffusivity
行星和恒星中的潮汐耗散是驱动星-行星和星-月系统演化的关键物理机制之一。在行星系中，由于它们的轨道结构及其组成部分的旋转状态，可以观察到它的一些行动特征。天体流体层内的潮汐耗散与天体的动力学和物理性质有着内在的联系。这种复杂的依赖关系必须加以描述。本文计算了在周期性潮汐力作用下，恒星/行星/月球旋转局部流体笛卡尔剖面中粘性摩擦和热扩散所耗散的潮汐动能。由扰动激发的潮汐重力惯性波的属性解析地导出为潮汐频率和局部流体参数（即旋转，表征熵分层的浮力频率，粘性和热扩散率）的周期性正常模式的显式函数。由此产生的可能是高度共振耗散频谱的系统的控制参数的灵敏度是重要的或可以忽略不计的状态图中的位置相关的行星和恒星的内部。对于由粘性摩擦和热扩散耗散的重力惯性潮汐波的渐近行为，导出了频率、数量、宽度、高度和与非共振背景的对比度的标度律，以量化这些变化。我们描述了流体行星层和恒星的内部物理和动力学对潮汐动能耗散的强烈影响。我们指出了关键的控制参数，真正发挥作用，并演示了它是如何现在有必要开发从头算建模天体中的潮汐耗散。
2015-06-25 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Scaling laws to quantify tidal dissipation in star-planet systems
行星系在长期时间尺度上演化。推动这种演变的关键机制之一是潮汐耗散。在潮汐作用下，恒星和行星的流体层不像岩石层那样活动。事实上，它们是共振重力惯性波的场所。因此，流体中的潮汐耗散强烈地依赖于激发频率，而固体中的这种依赖性是平滑的。因此，在研究潮汐动力学时，必须考虑天体内部结构的影响。本工作的目的是提出一个本地模型的潮汐重力惯性波，使我们能够定量分析由于粘性摩擦和热扩散的内部耗散，并研究的共振频谱的耗散能量的属性。我们从这个模型中推导出的比例律表征潮汐耗散作为流体参数（旋转，分层，扩散率）的函数，并讨论它们的背景下，恒星行星系统。
2015-10-02 astro-ph.EP
Libration-driven inertial waves and mean zonal flows in spherical shells
我们太阳系中的几个行星体由于与其轨道同伴的引力相互作用而经历强迫天平动，导致其金属液体核心或地下海洋中复杂的流体运动。在这项研究中，我们数值研究纵向振动球壳的流动。我们专注于几个剪切层的Ekman数的依赖性时，天平动频率小于旋转频率的两倍，天平动振幅小。随时间变化的流动主要由在临界纬度处由于Ekman泵激奇点而激发的惯性波组成，形成锥形剪切层。特别是，以前的理论研究提出了不同的缩放的锥形剪切层产生的临界纬度的内边界。我们的数值结果支持Le Dizès \& Le Bars（2017）预测的速度幅度缩放$\mathrm{O}(\varepsilon E^{1/12})$，而不是Kerswell（1995）最初提出的缩放$\mathrm{O}(\varepsilon E^{1/6})$，尽管我们计算中的Ekman数还不够小，无法确定这种缩放。在边界层中的非线性相互作用驱动一个平均纬向气流，并伴有几个地转切变。数值结果表明，与临界纬度相关的地转切变在内外边界上具有相同的尺度，即在$\mathrm{O}(E^{1/5})$宽度上的振幅为$\mathrm{O}(\varepsilon^2 E^{-1/10})$。数值结果表明，除了与临界纬度有关的地转切变外，惯性波的反射还可以在宽度为$\mathrm{O}(E^{1/3})$的范围内产生振幅为$\mathrm{O}(\varepsilon^2…
2020-05-13 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Triadic resonances driven by thermal convection in a rotating sphere
我们报告的第一次在旋转对流系统的三元共振。使用直接数值模拟，我们发现旋转球形流体中的对流模式可以激发一对惯性模式，其频率和波数与三阶共振条件相匹配。根据对流模式的结构，三元共振可以导致具有较低频率和波数的一对模式的增长，或者具有较高频率和波数的一对模式的增长，为双向能量级联提供了可能的机制。增加的热强迫导致充分发展的湍流，这也表现出波浪状运动，并让人想起惯性波湍流的能量谱。我们的研究结果表明，惯性波的相互作用在旋转对流中起着重要的作用，这对于理解行星和恒星内部的动力学是非常重要的。
2020-12-22 astro-ph.EP nlin.PS physics.ao-ph
Tidal dissipation in stably stratified and semi-convective regions of rotating giant planets: incorporating Coriolis forces
本研究建立纳入科里奥利力的球形布西涅斯克模型，发现旋转巨行星的稳定分层流体核可显著增强惯性波与重惯性波的潮汐耗散，足以解释土星卫星迁移率，对系外巨行星潮汐演化也有重要意义。
2023-11-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Photoevaporative Flows From Exoplanet Atmospheres: A 3-D Radiative Hydrodynamic Parameter Study
光电离驱动的行星大气蒸发已经成为短周期轨道行星的一个潜在的基本过程。虽然一维研究已经证明了恒星通量在改变亚木星质量行星的大气质量和组成方面的有效性，但对于这种“行星风”流的更大规模、多维度性质仍有许多不确定性。本文采用一种新的辐射-流体动力学平台来模拟大气蒸发流动。使用AstroBEAR AMR多物理场代码在一个共同旋转的框架中心的行星，我们模拟电离光子到大气中的传输，随后发射的风和风的大尺度演变受潮汐和非惯性力。我们对质量为0.263和0.07木星的行星以及$2 \times 10^{13}$和$2 \times 10^{14}$光子/cm ^2/s的恒星通量进行了模拟。我们的研究结果揭示了新的，潜在的可观察到的行星风流动模式，包括在某些情况下，在其轨道上落后于行星的延伸中性尾巴的发展。
2018-11-22 astro-ph.EP
Symmetric instability in a Boussinesq fluid on a rotating planet
本研究对旋转行星上的Boussinesq流进行线性稳定性分析，划分三类不稳定性，发现$b_z \sin{θ_0}<0$是充分必要条件，并指出现有海洋模型对流方案需修订才能用于冰卫星海洋。
2025-07-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn
How do tidal waves interact with convective vortices in rapidly-rotating planets and stars?
本研究针对快速旋转天体中潮汐惯性波与大尺度对流涡旋相互作用的建模难题，采用准地转半解析模型结合线性分析与模拟，揭示了不稳定区湍流耗散机制与稳定区动量混合、次级波发射规律，完善了潮汐演化理论。
2023-03-08 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Free Core Nutation and its relation to the Spin-Over Mode
地球和其他行星的自转对外部引力矩的时变响应强烈地依赖于它们的内部结构。特别是，在流体核心中存在被称为自由核心章动的模式，已知会放大近昼夜逆行频带中的强迫章动（如在行星参考系中测量的）。由于它们在形状和频率上的接近，这种模式有时等同于所谓的自旋模式，它表示稳定旋转的椭球形流体核心的自由振荡。通过对具有刚性地幔和无粘流体核的自由旋转双层行星模型的仔细研究，我们证明了自旋翻转模的频率对应于地幔上的内外力矩之和达到平衡，使其稳定旋转的频率。在核幔边界的耗散的存在导致自由核章动变得阻尼，并稍微偏移其共振频率。我们表明，这个偏移量，这是$\approx-1$天的地球，可以解释为结果的接近自由核心章动频率的自旋模式，现在对应于最小的章动传递函数的大小。我们还显示了如何这种接近导致一个略低的品质因数的共振比从通常的公式计算。最后，我们讨论了这种机制对火星，月球和地球长期演化的可能影响。
2022-05-05 astro-ph.EP physics.geo-ph
Interplay between tidal flows and magnetic fields in nonlinear simulations of stellar and planetary convective envelopes
本文通过非线性MHD模拟研究了潮汐激发惯性波，发现磁场强度（Lehnert数）和磁普朗特数决定磁场与潮汐流是相互改变还是磁场抑制纬向流，并预测类太阳恒星中存在复杂的潮汐-磁场相互作用。
2025-07-17 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Parametrisation of the wave-zonal flow interactions taking into account the full Coriolis acceleration. The necessity of going beyond the traditional approximation in the sub-inertial regime and in weakly stratified regions
Université Paris-Saclay, Université Paris Cité, CEA, CNRS, AIM（巴黎萨克雷大学，巴黎西岱大学，法国原子能和替代能源委员会，法国国家科学研究中心，天体物理学与分子星际介质实验室）
本文提出了一种考虑完整科里奥利加速度的非传统参数化方法，用于改进波-锋流相互作用模型，特别是在次惯性域和弱层化区域中
2025-10-23 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Nonlinear tides in a homogeneous rotating planet or star: global modes and elliptical instability
我们重新审视全球模式和均匀旋转椭球流体质量的不稳定性，这是最简单的全球模型的旋转和潮汐变形的气态行星或恒星。短周期行星的潮汐流可能不稳定到椭圆不稳定，椭圆不稳定是一种可以驱动潮汐演化的流体动力学不稳定。我们进行了全球（和当地WKB）的分析，研究这种不稳定性使用优雅的形式主义Lebovitz和Lifschitz。我们调查的参数空间的全球不稳定性与谐波订单$\ell\leq 5$，行星的自旋是纯粹的对齐（顺时针）或反对齐（逆行）与它们的轨道。一般来说，如果行星的自旋和轨道是反对齐的，而不是对齐的，那么不稳定性的增长率要大得多。如果潮汐振幅足够大，我们已经确定了在椭圆不稳定性的通常频率范围之外（当$\frac{n}Ω\lesssim -1$，其中$n$和$Ω$分别是轨道和自旋角频率）的反对齐自旋的剧烈不稳定性。我们还探讨了在一个刚性椭球容器，这是发现定量类似于现实的自由表面的不稳定性。最后，我们研究了旋转和潮汐形变对模态频率的影响。我们发现，较大的旋转速率和较大的潮汐变形都降低了频率的椭圆扇形表面重力模式。这增加了它们的潮汐激发的前景，潜在地增强了潮汐响应超过线性理论的预期。在配套文件中，我们使用我们的结果来解释全球模拟的椭圆不稳定性。
2016-03-22 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Oceanic tides from Earth-like to ocean planets
海洋潮汐是潮汐耗散的主要来源。它们驱动着行星系的演化和行星的旋转动力学。然而，通常用于地球的2D模型不能应用于太阳系外可能拥有深海的地球行星，因为它们忽略了与海洋垂直结构相关的三维效应。我们的目标是调查在一个consistant的方式的重要性，内重力波在海洋潮汐响应的贡献，并提出了一个模型，允许处理范围广泛的情况下，从浅海到深海。建立了一个三维从头算模型，研究了全球行星海洋的动力学。该模型考虑了压缩性、分层和球度项，这些项在二维方法中通常被忽略。解析解的计算和使用的潮汐响应的潮汐频率和海洋深度和分层的依赖性进行研究。在2D的渐近极限，我们恢复的频率共振行为，由于表面惯性重力波确定的早期研究。随着海洋深度和Brunt-Väisälä频率的增加，内部重力波的贡献越来越重要，潮汐响应变得三维。就深海而言，稳定的分层引起共振，可使潮汐耗散率增加几个数量级。因此，它能够显著影响行星自转的演化时间尺度。
2018-01-26 astro-ph.EP
Unravelling tidal dissipation in gaseous giant planets
行星内部的潮汐耗散是驱动恒星-行星和行星-月球系统演化的关键物理机制之一。新的约束条件，现在都获得了太阳系和系外行星系统。行星中的潮汐耗散与其内部结构有着内在的联系。特别是，流体和固体层的行为不同的潮汐强迫。因此，必须对它们各自的消能水库进行比较。在这封信中，我们分别计算了潜在的致密岩石/冰核和对流流体包层的气态巨行星的贡献，作为核心大小和质量的函数。然后，我们比较相关的耗散水库，通过评估频率平均值的爱数$k^2_2$的虚部在每个区域。在木星和类土星行星的情况下，我们表明，在核心的粘弹性耗散可以占主导地位的湍流摩擦作用于潮汐惯性波的信封。然而，流体耗散将是不可忽略的。这表明，有必要建立完整的潮汐耗散在行星内部从他们的深内部到他们的表面没有任何任意的先验模型。
2014-06-06 astro-ph.EP astro-ph.SR
