旋转流体天体中潮汐强迫惯性波的非线性演化

我们对均匀旋转流体天体中潮汐激发惯性波的非线性演化进行了首批研究之一，探索了一个简化模型：行星的流体包层（或类太阳恒星的对流包层）受到轨道伴星引力潮汐扰动的情况。我们的模型包含一个完全刚性的球形核心，其周围环绕着不可压缩的均匀密度流体包层。相应的线性问题已在先前的论文中研究过，本工作将其扩展至中等埃克曼数 (Ekman numbers，即粘性加速度与科里奥利加速度之比) 下的非线性机制。通过结合伪谱法和谱元法进行高分辨率数值模拟，我们研究了非线性的影响，这些影响导致了流动的时间依赖性及其相应的耗散率。角动量的非均匀沉积导致初始均匀旋转的流体中产生显著的差速旋转，即该天体不会像简单的刚体旋转器那样演化至同步状态。这种差速旋转改变了潮汐激发惯性波的性质，改变了流动的耗散特性，并且只要埃克曼数足够小，最终会变得不稳定并引发二次剪切不稳定性。我们的主要结果是，包含非线性最终会改变流动及由此产生的耗散，使其偏离线性计算的预测，这对流体天体中的潮汐耗散具有重要意义。最后，我们讨论了我们简化模型的一些局限性，并提出了未来研究的途径，以更好地理解旋转行星和恒星的潮汐演化。