稀薄波(rarefaction wave)
震波是一次突然的擠壓——快的追上慢的。稀薄波則相反,是一場溫和的攤開——前方慢、後方快,於是兩者之間的縫隙平滑地張開,而非閉合成一個跳變。震波在何處聚集,稀薄波就在何處散開。它是填補擴張區域的那道光滑連續的波。
想像一筆「擴張性」的初始跳變資料:左側 u_L 較小(在 f'(u_L) < f'(u_R) 的意義下)、右側 u_R 較大,於是來自左方的特徵線比來自右方的移動得慢,兩者彼此飛離,在 (x, t) 平面留下一個沒有特徵線的空楔形。在此放一道震波會違反熵條件。取而代之,解以一把連續的數值扇填滿這楔形:對伯格斯方程而言,u(x, t) = x/t(在 u_L t < x < u_R t 範圍內),是一個僅依賴於比值 xi = x/t 的自相似稀薄波。每條射線 x/t = 常數 攜帶單一的值,由 u_L 平滑地內插到 u_R。一般而言,這把扇是由稀薄曲線構造的,沿著它某個黎曼不變量保持不變。
它的重要性在於:稀薄波與震波是組裝每個黎曼問題之解的兩種基本構件。凡是朗肯-雨貢尼奧條件本會容許「稀薄震波」之處,熵條件所要求的恰恰就是一道稀薄波——它是解析一場擴張在物理上正確的方式。與震波不同,稀薄波對 t > 0 是光滑的(它甚至會把資料中的尖角磨平),看起來是可逆的,不攜帶任何耗散。
伯格斯方程,左側 u_L = 0、右側 u_R = 1(一個擴張性跳變)。解是稀薄波:u(x, t) = 0(x < 0)、u(x, t) = x/t(0 < x < t)、u(x, t) = 1(x > t)。初始的階梯已平滑成一道斜坡,其寬度隨時間線性增長。
擴張性跳變化解為自相似扇 u = x/t,對每個 t > 0 都光滑。
一個給定的跳變究竟變成震波還是稀薄波,由熵條件決定(等價於由速度變化的符號決定),而非由朗肯-雨貢尼奧條件決定——稀薄波的端點本也會滿足後者。壓縮性資料形成震波;擴張性資料則稀薄化。