132 JOURNAL OF THE ATMOSPHERIC SCIENCES VOLUME 20

e se e1,…,eM  são as raízes das equações

Segue de (4) que


      O lado direito de (7) desaparece somente sobre a superfície de uma elipsóide E, e é positivo somente no interior de E.
   As superfícies da constante Q  são esferas concêntricas. Se S  denota uma em particular destas esferas cujo interior R contém a elipsóide E, é evidente que cada trajetória eventualmente fica aprisionada dentro de R. 

3. A instabilidade do fluxo não periódico 

   Nesta seção estabeleceremos uma das mais importantes propriedades do fluxo determinístico não periódico, ou seja, sua instabilidade em relação a modificações de pequena amplitude. Consideraremos conveniente fazer isto identificando as soluções das equações dominantes com trajetórias no espaço da fase. Usaremos símbolos como P(t) (argumento variável) para denotar trajetórias, e símbolos como P ou P(t0) (sem argumento ou argumento constante) para denotar pontos, sendo que o último símbolo denota o ponto específico através do qual P(t)  passa ao tempo t0.
  
Lidaremos com um espaço de fase Γ no qual uma única trajetória passa através de cada ponto, e onde a passagem do tempo define uma deformação contínua de uma região de Γ em outra região, de maneira que se os pontos P1(t0), P2(t0), … se aproximam de P0(t0) como limite, os pontos P1(t0+τ), P2(t0+τ), devem se aproximar de P0(t0+τ) como limite. Além disso, exigiremos que as trajetórias sejam uniformemente limitadas como t→ ∞; isto é, deve haver uma região limitada R, tal que toda trajetória finalmente permaneça em R. Nosso procedimento é influenciado pelo trabalho de Birkhoff (1927) sobre sistemas dinâmicos, mas difere em que Birkhoff estava preocupado principalmente com sistemas conservativos. Um tratamento particularmente detalhado dos sistemas dinâmicos foi dado por Nemytskii e Stepanov (1960), e rigorosas provas de alguns dos teoremas que apresentaremos poderão ser encontradas nessa fonte.
   Primeiro classificaremos as trajetórias de três maneiras diferentes, ou seja, de acordo com a ausência ou presença de propriedades transitórias, de acordo com a estabilidade ou instabilidade das trajetórias em relação a pequenas modificações, e de acordo com a presença ou ausência de comportamento periódico.
   Como qualquer trajetória P(t) é limitada, deve possuir pelo menos um ponto limite  P0, um ponto que se aproxima arbitrariamente próxima arbitrariamente freqüente. Mais precisamente, P0 é um ponto limite de P(t) se para qualquer ε > 0 e qualquer tempo t1 existe um tempo t2(ε,t1)>t1 tal que |P(t2)-P0|< ε. Aqui

os símbolos de valor absoluto denotam distância no espaço da fase. Como Γ é continuamente deformada à medida que t varia, todo ponto na trajetória por P0 é também um ponto limite de P(t), e o conjunto de pontos limites de P(t) forma uma trajetória, ou um conjunto de trajetórias, chamadas trajetórias limite de P(t). Uma trajetória limite está obviamente incluída dentro de R em sua totalidade.
   Se uma trajetória está incluída entre suas próprias trajetórias limite, será chamada de central; caso contrário será chamada de não central. Uma trajetória central passa arbitrariamente próxima arbitrariamente freqüente a qualquer ponto através do qual tenha passado previamente, e, neste sentido pelo menos, segmentos separados suficientemente longos de uma trajetória central são estatisticamente similares. Uma trajetória não central permanece a uma certa distância de qualquer ponto através do qual passou previamente. Deve aproximar todo seu conjunto de pontos limite assintoticamente, embora não precise aproximar assintoticamente nenhuma trajetória limite em particular. Sua distância instantânea de seu ponto limite mais próximo é, portanto, uma quantidade transitória, que se torna arbitrariamente pequena à medida que t→ ∞.
   Uma trajetória P(t) será chamada de estável a um ponto P(t1) se qualquer outra trajetória que passe suficientemente perto de P(t1) no tempo t1 permanecer próxima de P(t) à medida que t→ ∞; isto é, P(t)  é estável em P(t1) se por qualquer ε > 0 existir um δ(ε,t1) tal que se |P1(t1) – P(t1)|<δ  e  t2>t1, |P1(t2) - P(t2)| < ε. Caso contrário, P(t) será chamado de instável em P(t1). Como Γ é continuamente deformado à medida que t varia, uma trajetória que é estável em um ponto é estável em todos os pontos, e será chamada de trajetória estável. Uma trajetória instável em um ponto é instável em todos os pontos, e será chamada de trajetória instável. No caso especial que P(t) seja restrito a um ponto, esta definição de estabilidade coincide com o conceito familiar de estabilidade do fluxo estável.
   Uma trajetória estável P(t) será chamada de uniformemente estável se a distância dentro da qual uma trajetória vizinha deve se aproximar de um ponto P(t1), para ter certeza de permanecer perto de P(t)  à medida que t→ ∞, possui em si um limite menor positivo à medida que t1→ ∞; isto é, P(t)  é uniformemente estável se para qualquer ε > 0 existe um δ(ε) > 0  e um tempo t0(ε) tal que se t1>t0 e |P1(t1) – P(t1)|<δ e t2>t1, |P1(t2) - P(t2)| < ε. Uma trajetória limite P0(t)  de uma trajetória P(t) uniformemente estável deve ser uniformemente estável por sua vez, já que todas as trajetórias que passam suficientemente próximas de Po(t) devem passar arbitrariamente próximas a algum ponto de P(t) e assim devem permanecer próximas ao P(t), e então ao Po(t), à medida que t→ ∞.
   Já que cada ponto está situado em uma única trajetória, qualquer trajetória que passe por um ponto pelo qual já tenha passado previamente deve continuar a repetir seu comportamento passado, e, portanto, deve ser periódica. Uma trajetória P(t) será chamada de quase-periódica se para um intervalo τ  de tempo arbitrariamente largo, P(t+τ) finalmente permanece arbitrariamente próximo ao P(t), isto é, P(t) é quase-periódico se para qualquer ε>0 e para qualquer intervalo τ0,  de tempo, existe um τ(ε,τ0) > τ0 e um tempo t1(ε,τ0) tal que se t2>t1, |P1(t2+τ) - P(t2)|< ε.

 

 
     
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