عدم استقرار كلفن-هيلمهولتز

عدم استقرار كلفن -هيلمهولتز (نسبةً إلى اللورد كلفن وهيرمان فون هيلمهولتز ) هو عدم استقرار في الموائع يحدث عند وجود قص في السرعة في سائل متصل واحد أو فرق في السرعة عبر السطح الفاصل بين سائلين . ويمكن رؤية عدم استقرار كلفن-هيلمهولتز في أغلفة الكواكب والأقمار، كما هو الحال في التكوينات السحابية على الأرض أو البقعة الحمراء على كوكب المشتري ، وفي غلاف الشمس الجوي . ^{[ 1 ]}

تتنبأ ديناميكا الموائع ببداية عدم الاستقرار والانتقال إلى التدفق المضطرب داخل الموائع ذات الكثافات المختلفة التي تتحرك بسرعات مختلفة. ^{[ 3 ]} إذا تم تجاهل التوتر السطحي، فإن سائلين يتحركان بشكل متوازٍ بسرعات وكثافات مختلفة ينتج عنهما سطح فاصل غير مستقر تجاه الاضطرابات ذات الأطوال الموجية القصيرة لجميع السرعات. ومع ذلك، فإن التوتر السطحي قادر على تثبيت عدم الاستقرار ذي الأطوال الموجية القصيرة حتى سرعة عتبة معينة.

إذا تغيرت الكثافة والسرعة بشكل مستمر في الفضاء (مع وجود الطبقات الأخف في الأعلى، بحيث يكون السائل مستقرًا في درجة حرارة رايلي-تايلور )، فإن ديناميكيات عدم استقرار كلفن-هيلمهولتز توصف بمعادلة تايلور-جولدشتاين : $${\displaystyle (Uc)^{2}\left({d^{2}{\tilde {\phi }} \over dz^{2}}-k^{2}{\tilde {\phi }}\right)+\left[N^{2}-(Uc){d^{2}U \over dz^{2}}\right]{\tilde {\phi }}=0,}$$أين${\textstyle N={\sqrt {g/L_{\rho }}}}$يرمز إلى تردد برونت-فايسالا ، و U هي السرعة الأفقية الموازية، و k هو العدد الموجي، و c هو معامل القيمة الذاتية للمسألة.${\displaystyle {\tilde {\phi }}}$يمثل السعة المركبة لدالة التدفق . ويُحدد بدايتها بواسطة عدد ريتشاردسون.${\displaystyle \mathrm {Ri} }$عادةً ما تكون الطبقة غير مستقرة لـ${\displaystyle \mathrm {Ri} <0.25}$تُعدّ هذه التأثيرات شائعة في طبقات السحب. وتُطبّق دراسة هذا النوع من عدم الاستقرار في فيزياء البلازما، على سبيل المثال في الاندماج بالقصور الذاتي وواجهة البلازما - البريليوم . في الحالات التي تسود فيها حالة من الاستقرار الساكن (حيث يوجد تدرج مستمر في الكثافة)، يكون عدم استقرار رايلي-تايلور ضئيلاً في الغالب مقارنةً بحجم عدم استقرار كلفن-هيلمهولتز.

تُحاكى عدم استقرار كلفن-هيلمهولتز عدديًا باستخدام أسلوب زمني أو مكاني. في الأسلوب الزمني، يُفترض أن التدفق يدور في صندوق دوري يتحرك بسرعة متوسطة (عدم استقرار مطلق). أما في الأسلوب المكاني، فتُحاكي عمليات المحاكاة تجربة معملية بظروف دخول وخروج طبيعية (عدم استقرار حراري).

اكتشف عالم وظائف الأعضاء والفيزياء الألماني هيرمان فون هيلمهولتز لأول مرة عدم استقرار كلفن-هيلمهولتز عام 1868. وقد حدد هيلمهولتز أن "كل حافة هندسية حادة مثالية يتدفق من خلالها سائل لا بد أن تمزقه وتُنشئ سطح انفصال". ^{[ 5 ] [ 3 ]} وفي أعقاب ذلك، في عام 1871، طور المتعاون معه ويليام طومسون (الذي أصبح فيما بعد اللورد كلفن) حلاً رياضياً لعدم الاستقرار الخطي أثناء محاولته نمذجة تكوين أمواج الرياح في المحيط. ^{[ 6 ]}

خلال أوائل القرن العشرين، طُبقت أفكار عدم استقرار كلفن-هيلمهولتز على مجموعة من تطبيقات السوائل الطبقية. في أوائل عشرينيات القرن العشرين، طور لويس فراي ريتشاردسون مفهومًا مفاده أن عدم استقرار القص هذا لا يتشكل إلا عندما يتغلب القص على الاستقرار الساكن الناتج عن التطبق، وهو ما يُعرف برقم ريتشاردسون .

أُجريت عمليات رصد جيوفيزيائية لعدم استقرار كلفن-هيلمهولتز خلال أواخر الستينيات/أوائل السبعينيات، بالنسبة للسحب، ^{[ 7 ]} ولاحقًا للمحيط. ^{[ 8 ]}

• ديناميكا الموائع
• ميكانيكا الموائع
• شارع كارمان الدوامي
• سحابة الفطر
• عدم استقرار بلاتو-رايلي
• عدم استقرار رايلي-تايلور
• رقم رينولدز
• عدم استقرار ريكتمير-ميشكوف
• تدفق تايلور-كويت
• اضطراب

• اللورد كلفن (ويليام طومسون) (1871). "حلول وملاحظات حول الحركة المائية". المجلة الفلسفية . 42 : 362-377 .
• هيرمان فون هيلمهولتز (1868). "Über continuerliche Flüssigkeits-Bewegungen [حول الحركات المتقطعة للسوائل]". Monatsberichte der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin . 23 : 215 - 228.
• مقال يصف اكتشاف موجات كلفن-هيلمهولتز في أعماق المحيط: برود، ويليام ج. (19 أبريل 2010). "في أعماق البحار، موجات ذات شكل مألوف" . نيويورك تايمز . تاريخ الاطلاع: 23 أبريل 2010 .

• هوانغ، كيه-جيه؛ غولدشتاين؛ كوزنتسوفا؛ وانغ؛ فيناس؛ سيبك (2012). "أول رصد مباشر لموجات كلفن-هيلمهولتز عند الغلاف المغناطيسي في خطوط العرض العليا خلال ظروف المجال المغناطيسي بين الكواكب المتجه بقوة نحو الفجر". مجلة البحوث الجيوفيزيائية 117 ( A08233) 2011JA017256: غير متوفر. Bibcode : 2012JGRA..117.8233H . doi : 10.1029/2011JA017256 . hdl : 2060/20140009615 .
• سحب عملاقة على شكل تسونامي تكتسح سماء ألاباما - ناتالي وولتشوفر، لايف ساينس عبر ياهو.كوم
• سحابة تسونامي تضرب ساحل فلوريدا
• تكوين الدوامات في النفث الحر - فيديو على يوتيوب يوضح موجات كلفن هيلمهولتز على حافة النفث الحر كما تم تصويرها في تجربة علمية.
• سحب موجية فوق مدينة كرايستشيرش
• غيوم كلفن هيلمهولتز، في بارموث، جوينيد، في 18 فبراير 2017