Lagrangian approach to nonlinear waves in non-dispersive and dispersive rotating shallow water magnetohydrodynamics

波浪和浅水 磁流体力学 非线性系统 拉格朗日 机械 物理 色散偏微分方程 浅水方程 经典力学 磁场 数学物理 热力学 量子力学
作者
Vladimir Zeitlin
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:983 被引量:1
标识
DOI:10.1017/jfm.2024.83
摘要

A Lagrangian approach to both hydrostatic non-dispersive in the short-wave range and non-hydrostatic dispersive rotating shallow-water magnetohydrodynamics is developed, and used to analyse weakly and fully nonlinear waves described by the model. Hyperbolic structure in the non-dispersive case is displayed and Riemann invariants are constructed. Characteristic equations are used to establish criteria of breaking and formation of shocks by magneto-gravity waves, and conditions of the appearance of contact discontinuities in Alfvén waves. As in the case of non-magnetic rotating shallow water, rotation cannot prevent breaking. The Lagrangian equations of the model are reduced to a single partial differential ‘master’ equation, which is used to analyse the propagation of weakly nonlinear waves of both families, with or without weak rotation, and with or without weak short-wave dispersion. Corresponding modulation equations are constructed and their main properties sketched. The same master equation is used to obtain fully nonlinear finite-amplitude wave solutions in particular cases of no short-wave dispersion or no rotation.

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