Appendix B 非デカルト座標系でのマントル対流の基礎方程式系

以下では簡単のため、Boussinesq 近似のもとでの基礎方程式を導出する。

B.1 一般座標系でのマントル対流の方程式系

解くべき方程式を

∂T∂t= −∇⋅(𝒗⁢T−κ⁢∇T) (B.1)
0= ∇⋅𝒗 (B.2)
𝟎= 𝝉⋅∇+𝒃 (B.3)
𝝉= −p⁢𝑰+2⁢η⁢𝑫 (B.4)
𝑫≡ 12⁢(∇⊗𝒗+𝒗⊗∇) (B.5)

とする。 ここで𝑰は単位テンソルである。 また上記から明らかなように、応力テンソル𝝉は対称テンソルであり、 𝝉⋅∇=∇⋅𝝉である。 以下、ベクトルやテンソルは極力反変成分を使って書くことにする。

まず質量保存の式(B.2)を書き直す。 一般座標系では

∇={∂∂xm⁢𝒈m∂∂xm⁢gm⁢l⁢𝒈l (B.6)

となることを使うと、

0= (∂∂xm⁢𝒈m)⋅(vk⁢𝒈k)=𝒈m⋅(∂vk∂xm⁢𝒈k+vk⁢∂𝒈k∂xm)
= 𝒈m⋅(∂vk∂xm⁢𝒈k+vk⁢Γk⁢ml⁢𝒈l)=∂vk∂xm⁢(𝒈m⋅𝒈k)+vk⁢Γk⁢ml⁢(𝒈m⋅𝒈l)
= ∂vk∂xk+vk⁢Γk⁢mm (B.7)

となる。 この手順は要するに、ベクトルの反変成分の共変導関数を求める手順と同じであ る。

熱輸送方程式(B.1)も同様にできる。 簡単のために熱流束ベクトル

𝒇≡𝒗⁢T−κ⁢∇T=vl⁢T⁢𝒈l−κ⁢gm⁢l⁢∂T∂xm⁢𝒈l=(vi⁢T−κ⁢gm⁢i⁢∂T∂xm)⁢𝒈i≡fi⁢𝒈i (B.8)

を定義しておけば、

∂T∂t=−(∂fk∂xk+fk⁢Γk⁢mm) (B.9)

とするだけでよい。

次に運動量保存の式(B.3)を考える。 そのうち応力テンソルの発散をどう書けばよいかを考えてみる。 応力テンソルを反変成分で書いてみて、その発散をとると、

𝝉⋅∇= (τi⁢j⁢𝒈i⊗𝒈j)⋅(∂∂xm⁢𝒈m)
= (∂τi⁢j∂xm⁢𝒈i⊗𝒈j+τi⁢j⁢∂𝒈i∂xm⊗𝒈j+τi⁢j⁢𝒈i⊗∂𝒈j∂xm)⋅𝒈m
= (∂τi⁢j∂xm⁢𝒈i⊗𝒈j+τi⁢j⁢Γi⁢ml⁢𝒈l⊗𝒈j+τi⁢j⁢𝒈i⊗Γj⁢ml⁢𝒈l)⋅𝒈m
= ∂τi⁢j∂xm⁢δjm⁢𝒈i+τi⁢j⁢Γi⁢ml⁢δjm⁢𝒈l+τi⁢j⁢𝒈i⁢Γj⁢ml⁢δlm
= (∂τi⁢j∂xj+τk⁢j⁢Γk⁢ji+τi⁢j⁢Γj⁢kk)⁢𝒈i (B.10)

となる。 これも実は2階のテンソルの反変成分の共変導関数を求める手順と同じ。 これを代入すれば結局

(∂τi⁢j∂xj+τk⁢j⁢Γk⁢ji+τi⁢j⁢Γj⁢kk)⁢𝒈i+𝒃=0 (B.11)

を得る。

最後に構成方程式(B.4)と(B.5)を考える。 まず、応力テンソル𝝉の反変成分を書き下すと、

𝝉= −p⁢𝑰+2⁢η⁢𝑫=−p⁢gi⁢j⁢𝒈i⊗𝒈j+2⁢η⁢Di⁢j⁢𝒈i⊗𝒈j
= (−gi⁢j⁢p+2⁢η⁢Di⁢j)⁢𝒈i⊗𝒈j≡τi⁢j⁢𝒈i⊗𝒈j (B.12)

である。 次に歪速度テンソル(変形速度テンソル)𝑫の反変成分の表現を作ってみる と、

2⁢𝑫= ∇⊗𝒗+𝒗⊗∇=(∂∂xm⁢𝒈m)⊗(vi⁢𝒈i)+(vi⁢𝒈i)⊗(∂∂xm⁢𝒈m)
= ∂vi∂xm⁢𝒈m⊗𝒈i+vi⁢𝒈m⊗∂𝒈i∂xm+∂vi∂xm⁢𝒈i⊗𝒈m+vi⁢∂𝒈i∂xm⊗𝒈m
= ∂vi∂xm⁢𝒈m⊗𝒈i+vi⁢𝒈m⊗Γi⁢ml⁢𝒈l+∂vi∂xm⁢𝒈i⊗𝒈m+vi⁢Γi⁢ml⁢𝒈l⊗𝒈m
= (∂vi∂xm+vk⁢Γk⁢mi)⁢𝒈m⊗𝒈i+(∂vi∂xm+vk⁢Γk⁢mi)⁢𝒈i⊗𝒈m
= (∂vi∂xm+vk⁢Γk⁢mi)⁢(gm⁢l⁢𝒈l)⊗𝒈i+(∂vi∂xm+vk⁢Γk⁢mi)⁢𝒈i⊗(gm⁢l⁢𝒈l)
= [gm⁢i⁢(∂vj∂xm+vk⁢Γk⁢mj)+gm⁢j⁢(∂vi∂xm+vk⁢Γk⁢mi)]⁢𝒈i⊗𝒈j≡2⁢Di⁢j⁢𝒈i⊗𝒈j (B.13)

を得る。 上式の()内はベクトル𝒗の反変成分の共変導関数であり、反変1階、 共変1階の混合成分である。 それらと計量テンソルの反変成分との縮約をとることにより、2階のテンソル 𝑫の反変成分を求めることができる。

見た目はややこしいが、これで一般座標系での基礎方程式が書けたことになる。

B.2 (正規)直交曲線座標系でのマントル対流の方程式系

先に求めた一般座標系での表式に、正規直交曲線座標系の条件を加えて、式を簡 略化する。 共変基底ベクトル𝒈iから正規化された局所直交基底𝒂iを

𝒂i≡1hi⁢𝒈i=hi⁢𝒈i (B.14)

と定義する。 ここでhi≡|𝒈i|2は共変基底ベクトル𝒈iの長さ である。 さらに、基底𝒂iを用いて表示したベクトルやテンソルの成分を v^iの如く、^で表わすことにすると、これらと(一般座標系で 書いた)反変成分との関係は

vi =𝒗⋅𝒈i=(v^j⁢𝒂j)⋅𝒈i=(v^j⁢1hj⁢𝒈j)⋅𝒈i=v^jhj⁢δji=v^ihi (B.15)
Di⁢j =𝒈i⋅𝑫⋅𝒈j=𝒈i⋅(D^k⁢l⁢𝒂k⊗𝒂l)⋅𝒈j=𝒈i⋅(D^k⁢l⁢1hk⁢hl⁢𝒈k⊗𝒈l)⋅𝒈j=D^k⁢lhk⁢hl⁢δki⁢δlj=D^i⁢jhi⁢hj (B.16)

と与えられる。 即ち、正規化された局所直交基底での式を書き下す場合には、Christoffel記号 Γi⁢jn の書き直しに加え、ベクトルやテンソルの成分の表式も書き直 す必要がある。

まず質量保存の式は

0 =∂vk∂xk+vk⁢Γk⁢mm=∂∂xk⁢(v^khh)+v^khk⁢(1hm⁢∂hm∂xk⁢δm⁢m+1hm⁢∂hm∂xm⁢δk⁢m−hkhm2⁢∂hk∂xm⁢δk⁢m)
=∂∂xk⁢(v^khh)+v^khk⁢1hm⁢∂hm∂xk=∂∂xk⁢(v^khh)+v^khk⁢1h1⁢h2⁢h3⁢∂h1⁢h2⁢h3∂xk
=1h1⁢h2⁢h3⁢∂∂xk⁢(h1⁢h2⁢h3⁢v^khk) (B.17)

となる。 これはよくある、正規直交曲線座標系でのベクトル場の発散の式と同じ。

熱輸送方程式については、熱流束ベクトル𝒇の𝒂iによる成分を

f^i=hi⁢fi=hi⁢(v^ihi⁢T−κ⁢1hi2⁢∂T∂xi)=v^i⁢T−κ⁢1hi⁢∂T∂xi (B.18)

と定義しておけば

∂T∂t =−(∂fk∂xk+fk⁢Γk⁢mm)=−1h1⁢h2⁢h3⁢∂∂xk⁢(h1⁢h2⁢h3⁢f^khk) (B.19)

と与えられる。

次に 構成方程式のうち、応力テンソル𝝉の基底𝒂iによる表現は

τ^i⁢j=hi⁢hj⁢τi⁢j =hi⁢hj⁢(−1hi⁢hj⁢δi⁢j⁢p+2⁢η⁢D^i⁢jhi⁢hj)=−p⁢δi⁢j+2⁢η⁢D^i⁢j (B.20)

である。 次に歪速度テンソル(変形速度テンソル)𝑫の表現は

2⁢D^i⁢j =hi⁢hj⁢2⁢Di⁢j=hi⁢hj⁢[gm⁢i⁢(∂vj∂xm+vk⁢Γk⁢mj)+gm⁢j⁢(∂vi∂xm+vk⁢Γk⁢mi)]
=hjhi⁢[∂∂xi⁢(v^jhj)+v^khk⁢(1hj⁢∂hj∂xi⁢δk⁢j+1hj⁢∂hj∂xk⁢δi⁢j−hihj2⁢∂hi∂xj⁢δi⁢k)]
+hihj⁢[∂∂xj⁢(v^ihi)+v^khk⁢(1hi⁢∂hi∂xk⁢δj⁢i+1hi⁢∂hi∂xj⁢δk⁢i−hkhi2⁢∂hk∂xi⁢δk⁢j)]
=hjhi⁢∂∂xi⁢(v^jhj)+1hi⁢v^jhj⁢∂hj∂xi+1hi⁢v^khk⁢∂hj∂xk⁢δi⁢j−1hj⁢v^ihi⁢∂hi∂xj
+hihj⁢∂∂xj⁢(v^ihi)+1hj⁢v^khk⁢∂hi∂xk⁢δi⁢j+1hj⁢v^ihi⁢∂hi∂xj−1hi⁢v^jhj⁢∂hj∂xi
=hjhi⁢∂∂xi⁢(v^jhj)+1hi⁢v^khk⁢∂hj∂xk⁢δi⁢j+hihj⁢∂∂xj⁢(v^ihi)+1hj⁢v^khk⁢∂hi∂xk⁢δi⁢j
=hjhi⁢∂∂xi⁢(v^jhj)+hihj⁢∂∂xj⁢(v^ihi)+v^khk⁢2hi⁢∂hi∂xk⁢δi⁢j (B.21)

最後に運動量保存の式を基底𝒂iで書き直すと、

0 =(∂τi⁢j∂xj+τk⁢j⁢Γk⁢ji+τi⁢j⁢Γj⁢kk)⁢𝒈i+𝒃
=[∂∂xj⁢(τ^i⁢jhi⁢hj)+τ^k⁢jhk⁢hj⁢Γk⁢ji+τ^i⁢jhi⁢hj⁢Γj⁢kk]⁢hi⁢𝒂i+b^i⁢𝒂i (B.22)

となる。 これよりi方向の運動量保存の式は

−b^i =hi⁢∂∂xj⁢(τ^i⁢jhi⁢hj)+hi⁢τ^k⁢jhk⁢hj⁢Γk⁢ji+hi⁢τ^i⁢jhi⁢hj⁢Γj⁢kk
=hi⁢∂∂xj⁢(τ^i⁢jhi⁢hj)+hi⁢τ^k⁢jhk⁢hj⁢(1hi⁢∂hi∂xk⁢δj⁢i+1hi⁢∂hi∂xj⁢δk⁢i−hkhi2⁢∂hk∂xi⁢δk⁢j)
+hi⁢τ^i⁢jhi⁢hj⁢(1hk⁢∂hk∂xj⁢δk⁢k+1hk⁢∂hk∂xk⁢δj⁢k−hkhk2⁢∂hk∂xk⁢δk⁢j)
=hi⁢∂∂xj⁢(τ^i⁢jhi⁢hj)+τ^j⁢ihj⁢hi⁢∂hi∂xj+τ^i⁢jhi⁢hj⁢∂hi∂xj−τ^j⁢jhi⁢hj⁢∂hj∂xi+τ^i⁢jhj⁢1hk⁢∂hk∂xj
=∂∂xj⁢(τ^i⁢jhj)−τ^i⁢jhi⁢hj⁢∂hi∂xj+τ^j⁢ihj⁢hi⁢∂hi∂xj+τ^i⁢jhj⁢[1hi⁢∂hi∂xj+1hk⁢∂hk∂xj]−τ^j⁢jhi⁢hj⁢∂hj∂xi
=∂∂xj⁢(τ^i⁢jhj)+τ^i⁢jhj⁢1hi⁢h1⁢h2⁢h3⁢∂(hi⁢h1⁢h2⁢h3)∂xj−τ^j⁢jhi⁢hj⁢∂hj∂xi
=1hi⁢h1⁢h2⁢h3⁢∂∂xj⁢(h1⁢h2⁢h3⁢hihj⁢τ^i⁢j)−τ^j⁢jhi⁢hj⁢∂hj∂xi

ただし、応力テンソル𝝉の対称性 (τ^i⁢j=τ^j⁢i)を用いた。 よって、

1hi⁢h1⁢h2⁢h3⁢∂∂xj⁢(h1⁢h2⁢h3⁢hihj⁢τ^i⁢j)−τ^j⁢jhi⁢hj⁢∂hj∂xi+b^i=0 (B.23)

B.2.1 てっとり早く知りたい方のためのまとめ

3次元球座標系の場合の基礎方程式系

x1=r、x2=θ、x3=ϕ とする。 この場合 h1=1、h2=r、h3=r⁢sin⁡θ となるので、これを代入して 整理すると以下のようになる。

  • •

    熱輸送方程式系

    fr =vr⁢T−κ⁢∂T∂r
    fθ =vθ⁢T−κ⁢1r⁢∂T∂θ
    fϕ =vϕ⁢T−κ⁢1r⁢sin⁡θ⁢∂T∂ϕ
    ∂T∂t =−1r2⁢sin⁡θ⁢[∂∂r⁢(r2⁢sin⁡θ⁢fr)+∂∂θ⁢(r⁢sin⁡θ⁢fθ)+∂∂ϕ⁢(r⁢fϕ)]
  • •

    質量保存則

    0=1r2⁢sin⁡θ⁢[∂∂r⁢(r2⁢sin⁡θ⁢vr)+∂∂θ⁢(r⁢sin⁡θ⁢vθ)+∂∂ϕ⁢(r⁢vϕ)]
  • •

    歪速度テンソルの定義

    Dr⁢r =∂vr∂r
    Dθ⁢θ =1r⁢[∂vθ∂θ+vr]
    Dϕ⁢ϕ =1r⁢sin⁡θ⁢[∂vϕ∂ϕ+sin⁡θ⁢vr+cos⁡θ⁢vθ]
    Dr⁢θ=Dθ⁢r =12⁢[r⁢∂∂r⁢(vθr)+1r⁢∂vr∂θ]
    Dr⁢ϕ=Dϕ⁢r =12⁢[r⁢∂∂r⁢(vϕr)+1r⁢sin⁡θ⁢∂vr∂ϕ]
    Dθ⁢ϕ=Dϕ⁢θ =12⁢[sin⁡θr⁢∂∂θ⁢(vϕsin⁡θ)+1r⁢sin⁡θ⁢∂vθ∂ϕ]
  • •

    偏差応力テンソルの定義

    τr⁢r =2⁢η⁢[Dr⁢r−13⁢(Dr⁢r+Dθ⁢θ+Dϕ⁢ϕ)]
    τθ⁢θ =2⁢η⁢[Dθ⁢θ−13⁢(Dr⁢r+Dθ⁢θ+Dϕ⁢ϕ)]
    τϕ⁢ϕ =2⁢η⁢[Dϕ⁢ϕ−13⁢(Dr⁢r+Dθ⁢θ+Dϕ⁢ϕ)]
    τr⁢θ=τθ⁢r =2⁢η⁢Dr⁢θ
    τr⁢ϕ=τϕ⁢r =2⁢η⁢Dr⁢ϕ
    τθ⁢ϕ=τϕ⁢θ =2⁢η⁢Dθ⁢ϕ
  • •

    r 方向の運動方程式

    −∂p∂r+1r2⁢∂∂r⁢(r2⁢τr⁢r)+1r⁢sin⁡θ⁢∂∂θ⁢(sin⁡θ⁢τr⁢θ)+1r⁢sin⁡θ⁢∂τr⁢ϕ∂ϕ−τθ⁢θr−τϕ⁢ϕr+br=0
  • •

    θ 方向の運動方程式

    −1r⁢∂p∂θ+1r2⁢∂∂r⁢(r2⁢τθ⁢r)+1r⁢sin⁡θ⁢∂∂θ⁢(sin⁡θ⁢τθ⁢θ)+1r⁢sin⁡θ⁢∂τθ⁢ϕ∂ϕ+τθ⁢rr−cot⁡θ⁢τϕ⁢ϕr+bθ=0
  • •

    ϕ 方向の運動方程式

    −1r⁢sin⁡θ⁢∂p∂ϕ+1r2⁢∂∂r⁢(r2⁢τϕ⁢r)+1r⁢sin⁡θ⁢∂∂θ⁢(sin⁡θ⁢τϕ⁢θ)+1r⁢sin⁡θ⁢∂τϕ⁢ϕ∂ϕ+τϕ⁢rr+cot⁡θ⁢τϕ⁢θr+bϕ=0

3次元円筒座標系の場合の基礎方程式系

x1=r、x2=θ、x3=z とする。 この場合 h1=1、h2=r、h3=1 となるので、これを代入して整理すると 以下のようになる。

  • •

    熱輸送方程式系

    fr =vr⁢T−κ⁢∂T∂r
    fθ =vθ⁢T−κ⁢1r⁢∂T∂θ
    fz =vz⁢T−κ⁢∂T∂z
    ∂T∂t =−1r⁢∂∂r⁢(r⁢fr)−1r⁢∂fθ∂θ−∂fz∂z
  • •

    質量保存則

    0=1r⁢∂∂r⁢(r⁢vr)+1r⁢∂vθ∂θ+∂vz∂z
  • •

    歪速度テンソルの定義

    Dr⁢r =∂vr∂r
    Dθ⁢θ =1r⁢[∂vθ∂θ+vr]
    Dz⁢z =∂vz∂z
    Dr⁢θ=Dθ⁢r =12⁢[r⁢∂∂r⁢(vθr)+1r⁢∂vr∂θ]
    Dr⁢z=Dz⁢r =12⁢(∂vz∂r+∂vr∂z)
    Dθ⁢z=Dz⁢θ =12⁢[1r⁢∂vz∂θ+∂vθ∂z]
  • •

    偏差応力テンソルの定義

    τr⁢r =2⁢η⁢[Dr⁢r−13⁢(Dr⁢r+Dθ⁢θ+Dz⁢z)]
    τθ⁢θ =2⁢η⁢[Dθ⁢θ−13⁢(Dr⁢r+Dθ⁢θ+Dz⁢z)]
    τz⁢z =2⁢η⁢[Dz⁢z−13⁢(Dr⁢r+Dθ⁢θ+Dz⁢z)]
    τr⁢θ=τθ⁢r =2⁢η⁢Dr⁢θ
    τr⁢z=τz⁢r =2⁢η⁢Dr⁢z
    τθ⁢z=τz⁢θ =2⁢η⁢Dθ⁢z
  • •

    r 方向の運動方程式

    −∂p∂r+1r⁢∂∂r⁢(r⁢τr⁢r)+1r⁢∂τr⁢θ∂θ+∂τr⁢z∂z−τθ⁢θr+br=0
  • •

    θ 方向の運動方程式

    −1r⁢∂p∂θ+1r2⁢∂∂r⁢(r2⁢τθ⁢r)+1r⁢∂τθ⁢θ∂θ+∂τθ⁢z∂z+bθ=0
  • •

    z 方向の運動方程式

    −∂p∂z+1r⁢∂∂r⁢(r⁢τz⁢r)+1r⁢∂τz⁢θ∂θ+∂τz⁢z∂z+bz=0