<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "https://jats.nlm.nih.gov/nlm-dtd/publishing/3.0/journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" xml:lang="en" dtd-version="3.0" article-type="research-article">
  <front>
    <journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher">ANGEO</journal-id><journal-title-group>
    <journal-title>Annales Geophysicae</journal-title>
    <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">ANGEO</abbrev-journal-title><abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Ann. Geophys.</abbrev-journal-title>
  </journal-title-group><issn pub-type="epub">1432-0576</issn><publisher>
    <publisher-name>Copernicus Publications</publisher-name>
    <publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
  </publisher></journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/angeo-44-655-2026</article-id><title-group><article-title>A numerical model for solving the linearized gravity-wave  equations by a multilayer method</article-title><alt-title>Numerical model for gravity-wave equations</alt-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Doicu</surname><given-names>Alexandru</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff2">
          <name><surname>Efremenko</surname><given-names>Dmitry S.</given-names></name>
          <email>dmitry.efremenko@dlr.de</email>
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0002-7449-5072</ext-link></contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff2">
          <name><surname>Trautmann</surname><given-names>Thomas</given-names></name>
          
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>independent researcher: 82110 Germering, Germany</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Methodik der Fernerkundung (IMF),  82234 Oberpfaffenhofen, Germany</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Dmitry S. Efremenko (dmitry.efremenko@dlr.de)</corresp></author-notes><pub-date><day>28</day><month>July</month><year>2026</year></pub-date>
      
      <volume>44</volume>
      <issue>2</issue>
      <fpage>655</fpage><lpage>688</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>15</day><month>July</month><year>2025</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>12</day><month>August</month><year>2025</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>8</day><month>June</month><year>2026</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>24</day><month>June</month><year>2026</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2026 Alexandru Doicu et al.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this licence, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link></license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026.html">This article is available from https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>

      <p id="d2e108">We developed a numerical model for solving the linearized gravity-wave equations using a multilayer approach that explicitly accounts for viscosity, thermal conduction, and ion drag. The solution strategy is based on a matrix-exponential formalism and comprises two classes of methods: global matrix methods and scattering matrix methods. The model supports both single-frequency waves and time-dependent wave packets. Particular emphasis is placed on the global matrix method, which exploits the structured form of the multilayer system to achieve high computational efficiency while maintaining numerical accuracy. Numerical experiments demonstrate that all methods yield identical accuracy, although the global matrix method is significantly more efficient than the scattering matrix method, especially for time-dependent wave packets. The impact of ion drag on wave characteristics is quantified within this framework. The implementation is freely available as open-source code at <uri>https://github.com/AlexandruDoicu/Gravity-Waves</uri> (last access: 1 June 2026) and <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.21410453" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.21410453</ext-link> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="paren.1"/>.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

      
<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d2e131">Time-step methods <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx38 bib1.bibx17 bib1.bibx15" id="paren.2"/> are commonly used to solve fully nonlinear sets of governing equations for upper-atmospheric gravity waves, thereby allowing the modeling of wave breaking, secondary wave generation, and weakly nonlinear effects. However, as compared to linear methods for gravity waves <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40 bib1.bibx56 bib1.bibx57 bib1.bibx14 bib1.bibx61 bib1.bibx29 bib1.bibx30 bib1.bibx33" id="paren.3"/> they are computationally expensive. In <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="text.4"/> it was found that a time-step model took several hours to run, while a linear method only took several seconds. In this regard, linear methods are more suitable for analyzing measured data.</p>
      <p id="d2e143">The linearized equations can be transformed into a linear system of ordinary differential equations with variable coefficients that depend on the background atmospheric parameters and their height derivatives. (The atmospheric parameters are assumed to be horizontally uniform but vertically varying.) A common technique for integrating the linearized equations is the multilayer method first applied by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx43" id="text.5"/>. In this method, the atmosphere is divided into a sequence of thin layers, and in each layer, a linear system of ordinary differential equations with constant coefficients is solved. The analytic wave solutions in neighboring layers are matched by the continuity condition of the variables across the interface. There are two methods for deriving a linear system of ordinary differential equations with constant coefficients. These approaches are referred to as the physical multilayer method and the numerical multilayer method. It is worth noting that <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="text.6"/> used the terms standard and nonstandard multilayer methods, respectively, for these two approaches. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e154">In the physical multilayer method, the atmospheric parameters, and in particular, the temperature and wind velocity, are assumed to be constant within each layer <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40 bib1.bibx56 bib1.bibx57 bib1.bibx14 bib1.bibx61" id="paren.7"/>. As a result of the piecewise constant approximation, the height derivatives of the atmospheric parameters are zero within each layer.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e161">In the numerical multilayer method, the coefficients as a whole are approximated by their values in the middle of the layer <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.8"/>. As a result, the height derivatives of the atmospheric parameters (approximated by their values in the middle of the layers) are also included in the resulting system of equations.</p></list-item></list> The criticism of physical multilayer methods by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="text.9"/> concerns whether the equations describing the state variables in a layer are physically realistic. He concluded that it is impossible to find the appropriate variables when either (i) the viscosity and the wind velocity are nonzero or (ii) the thermal conductivity and the temperature height derivative are nonzero. However, as mentioned by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="text.10"/>, Hines' concern about the physical meaning of the state variables is not relevant for a numerical multilayer method. The reason is that in a purely mathematical context, it is sufficient to prove that the method, converges to a correct solution in the infinitesimally thin layer limit. A justification of this result, based on a matrix–exponential representation for the solution, can be found in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30" id="text.11"/>.</p>
      <p id="d2e178">According to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx56" id="text.12"/>, a layer is said to be isothermal if the background temperature is constant, and homogeneous if the kinematic viscosity is constant. In the simplified windless-atmosphere model considered by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40 bib1.bibx56 bib1.bibx57 bib1.bibx14 bib1.bibx61" id="text.13"/>, the gradients of the background temperature and kinematic viscosity are neglected. In this case, the dispersion relation, associated to the system of ordinary differential equations, separates into three pairs of ascending and descending gravity-wave, viscosity-wave, and thermal conduction-wave modes. The viscosity-wave and thermal conduction-wave modes are also referred to as dissipative modes. The main distinction between the two pairs of dissipative modes and the pair of gravity-wave modes is that the latter have smaller vertical wavenumber imaginary parts. This means that ascending gravity-wave modes do not decrease in amplitude as rapidly with increasing altitude as dissipative modes. On the other hand, the assumption of locally constant kinematic viscosity is unrealistic as discussed in  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.14"/>. If one assumes instead that the dynamic viscosity is constant within each layer, it is generally not possible to distinguish between ascending and descending modes for certain wavenumbers, frequencies, and background parameters <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32 bib1.bibx34 bib1.bibx31" id="paren.15"/>. In this context, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="text.16"/> explained that the problem of distinguishing ascending from descending modes is related to the problematic branch points of the root functions giving the vertical wavenumber as a function of complex frequency. Along this line, the authors proposed a technique called imaginary frequency shift to assist in achieving this separation.</p>
      <p id="d2e196">The inclusion of dissipative modes in a linearized model produces a numerical swamping <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx39" id="paren.17"/> in which certain descending modes grow so rapidly in the upward direction that numerical overflow occurs when the system of differential equation is subject to lower and upper boundary conditions. Several methods have been proposed to reduce numerical swamping. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e204"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="text.18"/> employed an iterative method that can be regarded as a Gauss–Seidel group iteration. However, the Gauss–Seidel iteration may fail to converge in certain situations, in particular when gravity and dissipative modes become strongly coupled, as discussed in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx56 bib1.bibx57" id="text.19"/>. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30" id="text.20"/> avoids this difficulty by introducing the concept of a transfer matrix, which relates the wave amplitudes at different altitude levels and provides a more robust framework for treating such coupling.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e216"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx57" id="text.21"/> applied the scattering matrix formalism to a three-layer atmosphere assuming (i) abrupt changes in variables at the interfaces between the different layers and (ii) that certain background parameters remain constant in the lower and upper layers. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.22"/> also formulated the problem in terms of scattering matrices which are closely related to the reflection and transmission matrices appearing in seismology <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx42" id="paren.23"/>. However, in contrast to Volland, the authors used a more rigorous approach, i.e., a sequence of composed scattering matrices instead of just a one stand-alone scattering matrix.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e228"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx39" id="text.24"/> defined numerical swamping as the annihilation of linear independence among supposedly independent solutions. To address this challenge and obtain a comprehensive set of special solutions that are linearly independent, he utilized a technique developed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="text.25"/>.</p></list-item></list> In radiative transfer, it is also necessary to solve a linear system of ordinary differential equations with constant coefficients. This arises by transforming the continuous dependence of radiance on direction into a dependence on a discrete set of directions. The standard methods for solving the linear system of ordinary differential equations are the discrete ordinate method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx51 bib1.bibx60 bib1.bibx5 bib1.bibx52" id="paren.26"/> and the matrix operator method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44 bib1.bibx28 bib1.bibx55 bib1.bibx41" id="paren.27"/>. In the classical discrete ordinate method, the solution to these equations is expressed as a linear combination of characteristic solutions of the discretized problem. Conversely, the matrix operator method focuses on numerical computations of reflection and transmission matrices. Both methods can be formulated using the matrix exponential formalism. In the framework of the so called discrete ordinate method with matrix exponential, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8 bib1.bibx9" id="text.28"/> designed stable numerical algorithms for computing the radiance field in a multi-layered atmosphere, while in the framework of the matrix operator method with matrix exponential, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3 bib1.bibx4" id="text.29"/> provided explicit and stable representations for the reflection and transmission matrices. A consistent overview of the matrix exponential description of radiative transfer can be found in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="text.30"/>.</p>
      <p id="d2e254">The main purpose of this article is to apply radiative transfer techniques to solve the linearized gravity-wave equations. As a prototype, we will consider the equations that describe gravity waves in the ionosphere, and that include viscosity, thermal conduction, and ion drag. In principle, a full wave model for the ionosphere comprises the hydrodynamic equations for the neutral atmosphere and the ionospheric equations. These two sets of equations are coupled through the ion drag, and should be solved together. However, to simplify the analysis, we decouple the two sets of equations by adopting a fast field-aligned diffusion approximation, which may be viewed as a generalization of an approximation originally proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="text.31"/>.</p>
      <p id="d2e260">Our paper is organized as follows. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>, we present the derivation of the matrix exponential solution of the linearized equations, while Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/> describes stable numerical methods for computing the complex amplitudes (hereafter referred to simply as amplitudes) of the characteristic solution in a stratified atmosphere. Section <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>, which is largely inspired by the works of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34 bib1.bibx31 bib1.bibx32 bib1.bibx33" id="text.32"/>, addresses the computation of the perturbed quantities for both harmonic and non-harmonic source functions, that is, for single-frequency waves and time-dependent wave packets. The concepts of causality and the imaginary frequency shift, which are rigorously treated in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34 bib1.bibx31 bib1.bibx32" id="text.33"/>, are also briefly discussed. Aspects of the numerical implementation are addressed in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>, and representative simulation results are presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S6"/>. Additional theoretical issues are discussed in the Appendices. Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/> contains the linearized hydrodynamic equations for the neutral atmosphere and the derivation of the underlying system of differential equations. Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/> outlines the linearized ionospheric equations and discusses the assumptions employed to decouple the hydrodynamic and ionospheric systems. Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S3"/>  describes methods for computing grid-point values of the state vector in a stratified atmosphere. Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>  addresses several implementation issues, including a practical, albeit heuristic, approach for determining the imaginary frequency shift.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>Matrix exponential solution of the linearized equations</title>
      <p id="d2e296">To design a full wave model for the ionosphere, we use the hydrodynamic equations for the neutral atmosphere and the ionospheric equations. In a linearized (perturbation) method, a quantity <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is expressed as

          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M2" display="block"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the unperturbed (background) and the perturbed quantity, respectively. The perturbations are assumed to be small so that it is justified to neglect all terms of higher than the first order.</p>
      <p id="d2e352">Concretely, we solve the linearized hydrodynamic equations for the neutral atmosphere together with the linearized ion continuity and momentum equations. The linearized neutral-atmosphere equations are solved under the following assumptions: <list list-type="custom"><list-item><label>A1.</label>
      <p id="d2e357">The geographic and geomagnetic coordinates are identical.</p></list-item><list-item><label>A2.</label>
      <p id="d2e361">The wave propagates in the meridional plane (the <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-coordinate is positive southwards while the <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-coordinate is positive upwards), i.e.,<disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><label>2</label><mml:math id="M7" display="block"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item><label>A3.</label>
      <p id="d2e406">All background (unperturbed) quantities vary only in the <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-direction, i.e.,<disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><label>3</label><mml:math id="M9" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>while all perturbations vary harmonically in time and the <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-direction, i.e.,<disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><label>4</label><mml:math id="M11" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the angular frequency and <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the horizontal wavenumber. Note that in some gravity-wave studies, the opposite sign convention for frequency and horizontal wavenumber is used (e.g. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="altparen.34"/>).</p></list-item></list> The linearization model is described in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>. It provides a general framework that accounts for the altitude derivatives of the background velocity <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, temperature <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, density scale height <inline-formula><mml:math id="M16" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and dynamic viscosity <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Apart from the ion-drag terms, the formulation follows a structure similar to those employed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx54" id="text.35"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.36"/>.</p>
      <p id="d2e596">The computation of the ion-drag force and ion-drag heating is presented in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>. The ion-drag terms are introduced in an approximate manner, with the explicit aim of decoupling the hydrodynamic and ion equation systems. To this end, we adopt the following assumptions: <list list-type="custom"><list-item><label>B1.</label>
      <p id="d2e603">In the ion continuity equation, the perturbed production and loss terms are neglected.</p></list-item><list-item><label>B2.</label>
      <p id="d2e607">In the ion momentum equation, ion inertia and ion–ion collisions are neglected, and only transport parallel to the magnetic field lines is retained. Under these assumptions, the ion momentum equation reduces to the ambipolar diffusion equation.</p></list-item><list-item><label>B3.</label>
      <p id="d2e611">To decouple the ion continuity equation from the diffusion equation, fast field-aligned diffusion is assumed, meaning that the field-aligned diffusion is sufficiently strong for the relative ion perturbation and the perturbed diffusion velocity to remain nearly constant along a magnetic field line.</p></list-item></list> The linearized equations lead to a linear system of ordinary differential equations, written in matrix form as

          <disp-formula id="Ch1.E5" content-type="numbered"><label>5</label><mml:math id="M18" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where

          <disp-formula id="Ch1.E6" content-type="numbered"><label>6</label><mml:math id="M19" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        is the state vector, and <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the propagation matrix with altitude-independent elements within a thin atmospheric layer (whose expressions follow from Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E157"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E162"/> of Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>). In general, the unknowns (the hat quantities in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) are defined through the relation

          <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><label>7</label><mml:math id="M21" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is defined by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>), and <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a known quantity that ensures that <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is dimensionless and that may or may not depend on altitude (here, we indicate that <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> depend on <inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>). Specifically, for the background velocity <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the perturbed velocity <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have (cf. Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E155"/> and <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E156"/> of Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>)

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M29" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E8"><mml:mtd><mml:mtext>8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E9"><mml:mtd><mml:mtext>9</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E10"><mml:mtd><mml:mtext>10</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        and

          <disp-formula id="Ch1.Ex1"><mml:math id="M30" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a reference frequency.</p>
      <p id="d2e1126">If <inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an eigenpair of the matrix <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:math></inline-formula>, i.e., <inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">dim</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the general solution of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) is a linear combination of the characteristic solutions <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that is,

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M38" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋱</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E11"><mml:mtd><mml:mtext>11</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        where

          <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><label>12</label><mml:math id="M39" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋱</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        and <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. At <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; thus,

          <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><label>13</label><mml:math id="M43" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        implying (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>),

          <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><label>14</label><mml:math id="M44" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        and conversely,

          <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><label>15</label><mml:math id="M45" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        From the theory of gravity waves within an isothermal, nondissipative atmosphere, it is generally known that the amplitude of an ascending modes increases like <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the atmospheric scale height <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22" id="paren.37"/>. This is necessary to keep the wave energy constant in an atmosphere where the pressure decreases exponentially with height. In this regard, we define the vertical wavenumber <inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> through the relation

          <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><label>16</label><mml:math id="M49" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        yielding

          <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><label>17</label><mml:math id="M50" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        and conversely,

          <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><label>18</label><mml:math id="M51" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The characteristic equation <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>det</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> solutions. As shown in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>, for a constant kinematic viscosity the solutions occur in pairs and correspond to (i) ascending and descending gravity-wave modes, (ii) ascending and descending viscosity-wave modes, and (iii) ascending and descending thermal-conduction wave modes <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx57 bib1.bibx14" id="paren.38"/>. In that appendix, this pairing is explicitly demonstrated by deriving the dispersion relation for the special case of an isothermal (constant background temperature), homogeneous (constant kinematic viscosity), and windless atmosphere without ion drag. This solution classification is made according to the imaginary part of the vertical wavenumber <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the more realistic case of a constant background dynamic viscosity, it is generally not possible to define ascending and descending modes as corresponding pairs (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E168"/> in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>). However, in our model we will use the same rule as in the case of a homogeneous atmosphere, even though the traditional concept of classifying waves in pairs is no longer applicable. Specifically, we compute <inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by means of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>), and order the set <inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and accordingly, <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, such that

          <disp-formula id="Ch1.E19" content-type="numbered"><label>19</label><mml:math id="M60" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        By convention, (i) the pairs <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will correspond to ascending and descending gravity-wave modes, respectively, (ii) the pairs <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to ascending and descending viscosity-wave modes, respectively, and (iii) the pairs <inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to ascending and descending thermal conduction-wave modes, respectively. Thus, the vertical wavenumber is an auxiliary quantity that is used only to identify the different modes. According to the notation introduced above, <inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M68" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of modes, is the set of eigenvalues defining ascending modes, and <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the set of eigenvalues defining descending modes. Because <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is obvious that we can put aside the concept of vertical wavenumber when identifying the different wave modes. We can simply order the set <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, such that

          <disp-formula id="Ch1.E20" content-type="numbered"><label>20</label><mml:math id="M72" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        and use the same classification rule as above. A commonly cited interpretation of condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) is that, for increasing <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the exponential term <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>exp</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will tend to be damped more for ascending modes than for descending modes; conversely, for decreasing <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the roles of ascending and descending modes are reversed. However, such a classification of upgoing and downgoing roots (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx57" id="altparen.39"/> and related works) was primarily heuristic and lacked a rigorous theoretical justification. By contrast, the approach of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.40"/>, which is discussed in Sect. 4, introduces additional constraints beyond condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) that are explicitly related to causality and is therefore grounded in theoretical considerations rather than heuristic arguments.</p>
      <p id="d2e2930">To highlight the different wave modes, we organize the state vector <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M77" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E21"><mml:mtd><mml:mtext>21</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        where the eigenvector <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the eigenvalue <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M80" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E22"><mml:mtd><mml:mtext>22</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E23"><mml:mtd><mml:mtext>23</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        and <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the zero matrix of dimension <inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Some useful relations are listed below <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e3412">From Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>), we find<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M83" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E24"><mml:mtd><mml:mtext>24</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E25"><mml:mtd><mml:mtext>25</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the identity matrix of dimension <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e3591">From Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>), that is,<disp-formula id="Ch1.E26" content-type="numbered"><label>26</label><mml:math id="M86" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msub><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>we deduce that<disp-formula id="Ch1.E27" content-type="numbered"><label>27</label><mml:math id="M87" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e3732">From Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>), we obtain<disp-formula id="Ch1.E28" content-type="numbered"><label>28</label><mml:math id="M88" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where<disp-formula id="Ch1.E29" content-type="numbered"><label>29</label><mml:math id="M89" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>while from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>), we find<disp-formula id="Ch1.E30" content-type="numbered"><label>30</label><mml:math id="M90" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where<disp-formula id="Ch1.E31" content-type="numbered"><label>31</label><mml:math id="M91" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item></list></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>Solution of the linearized equations for a stratified atmosphere</title>
      <p id="d2e3972">Consider an equidistant discretization of the atmosphere, i.e., <inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A layer <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of layers, is bounded from below and from above by the grid points <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, and its center is located at the grid point <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The atmosphere extends from <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We adopt a numerical multilayer method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29 bib1.bibx32 bib1.bibx34" id="paren.41"/>, and approximate the altitude dependent matrix <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> in each layer <inline-formula><mml:math id="M103" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> by its value at the layer center, i.e., <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The eigenpairs of the propagation matrix <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are denoted by <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The matrix differential equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) can be solved either (i) in terms of the amplitudes <inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the characteristic solutions, or (ii) in terms of the grid-point values <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the state vector <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the following we present the method based on the amplitude of the characteristic solutions, whereas the second method is described in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S3"/>.</p>
      <p id="d2e4456">In the layers <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the solutions are given by (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>)

          <disp-formula id="Ch1.E32" content-type="numbered"><label>32</label><mml:math id="M115" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        and

          <disp-formula id="Ch1.E33" content-type="numbered"><label>33</label><mml:math id="M116" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        respectively. The continuity condition at the interface <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

          <disp-formula id="Ch1.E34" content-type="numbered"><label>34</label><mml:math id="M118" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        gives

          <disp-formula id="Ch1.E35" content-type="numbered"><label>35</label><mml:math id="M119" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To obtain a stable system of equations, we define a scaling matrix <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with entries

          <disp-formula id="Ch1.E36" content-type="numbered"><label>36</label><mml:math id="M122" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mrow><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        and a second scaling matrix <inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by

          <disp-formula id="Ch1.E37" content-type="numbered"><label>37</label><mml:math id="M124" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext> i.e., </mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="" open="{"><mml:mrow><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        Multiplying Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E35"/>) from the left with <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields the continuity equation

          <disp-formula id="Ch1.E38" content-type="numbered"><label>38</label><mml:math id="M126" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-dimensional zero vector, and

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M129" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E39"><mml:mtd><mml:mtext>39</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E40"><mml:mtd><mml:mtext>40</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        The scaling matrices <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> prevent a possible blow-up of the exponential terms for <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. Such scaling techniques are standard in radiative transfer theory and are commonly used to obtain stable numerical algorithms for computing the radiance field in multilayered atmospheres <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8 bib1.bibx9" id="paren.42"/>.</p>
      <p id="d2e5504">Actually, we have <inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> continuity equations imposed at the levels <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> unknowns <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The two missing equations are obtained from the lower and upper boundary conditions. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e5572">At the lower boundary, i.e., at <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we assume that only the ascending wave modes transport energy upward. In this regard, we impose that in the layer <inline-formula><mml:math id="M139" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>finite</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and that the rest of <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are zero, that is, <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M143" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.43"/>. Note that <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the amplitude of the ascending gravity-wave modes, while the condition <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> means that the amplitudes of the ascending viscosity-wave and thermal conduction-wave modes are assumed to be zero. In this case, the boundary condition for ascending modes is<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M147" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E41"><mml:mtd><mml:mtext>41</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>Excluding for the moment the scale factor <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we express the boundary condition for amplitudes,<disp-formula id="Ch1.E42" content-type="numbered"><label>42</label><mml:math id="M149" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mtext> with </mml:mtext><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow/></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>in matrix form as<disp-formula id="Ch1.E43" content-type="numbered"><label>43</label><mml:math id="M150" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where in general, <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The boundary condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E41"/>) is a modal (eigenvector-based) boundary condition, which imposes that the state at <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is exactly aligned with a chosen eigenmode. In this way, a pure mode is injected into the system.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e6319">A reasonable upper boundary condition is that there is no downgoing energy at great altitudes, so that the amplitudes of all descending wave modes must be zero at the upper boundary <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.44"/>. In this regard, we impose <inline-formula><mml:math id="M154" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in which case, in the layer <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the boundary condition for descending modes is<disp-formula id="Ch1.E44" content-type="numbered"><label>44</label><mml:math id="M157" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>for all <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In matrix form, the boundary condition for amplitudes<disp-formula id="Ch1.E45" content-type="numbered"><label>45</label><mml:math id="M159" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>is written as<disp-formula id="Ch1.E46" content-type="numbered"><label>46</label><mml:math id="M160" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item></list> Comments. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e6697">The scaling matrices defined by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>) do not take into account a classification of the wave modes as ascending and descending (as defined by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>). Consequently, the continuity equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>) do not account for this classification, and the only equations in which it is necessary to distinguish between ascending and descending modes are the boundary condition equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E46"/>). From this point of view, the method is similar to finite-difference methods <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37 bib1.bibx20 bib1.bibx21" id="paren.45"/>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e6717">The eigenvectors are not uniquely defined and may be scaled by an arbitrary nonzero complex factor. When the LAPACK routine ZGEEV <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="paren.46"/> is used, the eigenvectors are returned with a built-in normalization, namely unit Euclidean norm together with a fixed phase convention. In the present work, following  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="text.47"/>, we normalize the eigenvectors with respect to a selected nonzero component <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, i.e., assuming <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,<disp-formula id="Ch1.E47" content-type="numbered"><label>47</label><mml:math id="M163" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>←</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component of the vector <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. With this normalization, the selected <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component of the eigenvector is set equal to unity, i.e., <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e6885">An alternative type of lower boundary condition was proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32 bib1.bibx34" id="text.48"/>. In this approach, the lower boundary condition for ascending modes is prescribed in terms of <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> values <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, according to (compare with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E41"/>)<disp-formula id="Ch1.E48" content-type="numbered"><label>48</label><mml:math id="M172" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>In the present context, this refers to the first <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> components, corresponding to <inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E48"/>), <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the derivative order, and in the case <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have explicitly,<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M182" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E49"><mml:mtd><mml:mtext>49</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>Note that Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E48"/>) generalizes Eq. (2.19) in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="text.49"/>, which is formulated for the first state variable rather than for an arbitrary state variable. Using the relation<disp-formula id="Ch1.E50" content-type="numbered"><label>50</label><mml:math id="M183" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and selecting the <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component as that used in the normalization condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E47"/>) (<inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), we find<disp-formula id="Ch1.E51" content-type="numbered"><label>51</label><mml:math id="M186" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>We are led to the Vandermonde system of equations<disp-formula id="Ch1.E52" content-type="numbered"><label>52</label><mml:math id="M187" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a matrix with entries<disp-formula id="Ch1.E53" content-type="numbered"><label>53</label><mml:math id="M189" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>Setting <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we consider the boundary condition for amplitudes<disp-formula id="Ch1.E54" content-type="numbered"><label>54</label><mml:math id="M191" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>that is (compare with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>)<disp-formula id="Ch1.E55" content-type="numbered"><label>55</label><mml:math id="M192" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>For the choice <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first component of the boundary-value vector <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be identified with the scale factor <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>, that is, <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Consequently, for a unit scale factor and <inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we have <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and provided that the eigenvalues <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are distinct. the solutions of the Vandermonde system of equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E52"/>) are<disp-formula id="Ch1.E56" content-type="numbered"><label>56</label><mml:math id="M203" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with analogous formulas for <inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, obtained by cyclic permutation of the indices. The boundary condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>) is a localized condition that prescribes the value of a single state variable while enforcing vanishing slope and curvature at the boundary. It effectively acts as an external driver applied to one variable and is appropriate for non-harmonic source functions. Note that this form of the lower boundary condition is used in the statement of Theorem 1 in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.50"/>. For causality considerations, boundary conditions must be expressed in terms of state variables rather than modal amplitudes, since modes are defined in the frequency domain. The boundary condition defined by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>) is appropriate when the dissipative eigenvalues remain of moderate magnitude, so that the amplitudes obtained from the Vandermonde system can be computed accurately. For very small kinematic viscosity, corresponding to altitudes below 100 km, the atmosphere is nearly inviscid, and the dissipative eigenvalues may become very large in magnitude. Under these conditions, the dissipative-mode amplitudes, which are obtained from expressions containing differences of eigenvalues in the denominator (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E56"/>), may become highly sensitive to roundoff errors. Consequently, the computed dissipative-mode amplitudes may attain unrealistically large values, even though the physical dissipation is negligible. As discussed in Sect. 4.3 of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="text.51"/>, a more robust alternative in such situations is to use the modal boundary condition described in Item 1 above. Specifically, the dissipative-mode amplitudes are set to zero at the lower boundary, <inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and only the ascending gravity-wave mode is retained, <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In contrast to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>), this approach does not require the specification of the first and second derivatives of a state variable at the lower boundary and avoids the numerical ill-conditioning associated with large dissipative eigenvalues.</p></list-item></list></p>
      <p id="d2e8370">Starting from the continuity equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>), we will determine the amplitudes <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by using two solution methods, namely, (i) the so-called global matrix method with matrix exponential and (ii) the scattering matrix method.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <label>3.1</label><title>Global matrix method with matrix exponential</title>
      <p id="d2e8394">The continuity equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>), and the boundary conditions (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E46"/>) for a unit scale factor, are assembled into a system of equations for the stratified atmosphere, i.e.,

            <disp-formula id="Ch1.E57" content-type="numbered"><label>57</label><mml:math id="M209" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M210" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E58"><mml:mtd><mml:mtext>58</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋱</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E59"><mml:mtd><mml:mtext>59</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext> and </mml:mtext><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          For the lower boundary condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E55"/>), <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E59"/>) should be replaced by <inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where, for a unit scale factor, <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The matrix <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> has <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> subdiagonals and <inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> superdiagonals (excluding the main diagonal) and can therefore be stored in banded form and treated using standard band-matrix techniques. To solve the resulting banded system of linear equations, we employed the LAPACK routines ZGBTRF and ZGBTRS <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="paren.52"/>. The routine ZGBTRF performs an LU factorization with partial pivoting of the complex band matrix, and ZGBTRS subsequently uses this factorization to solve the linear system for the prescribed right-hand side. In this approach, the inverse of the full system matrix is not computed explicitly, which improves the computational efficiency.</p>
      <p id="d2e8816">After solving Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E57"/>), we compute the state vector as

            <disp-formula id="Ch1.E60" content-type="numbered"><label>60</label><mml:math id="M217" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and the wave amplitudes by means of the relation

            <disp-formula id="Ch1.E61" content-type="numbered"><label>61</label><mml:math id="M218" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> stands for <inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The ascending and descending solution modes are computed by using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>), that is,

            <disp-formula id="Ch1.E62" content-type="numbered"><label>62</label><mml:math id="M223" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <label>3.2</label><title>Scattering matrix method</title>
      <p id="d2e9112">We consider the continuity equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>) and partition the matrices <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as

            <disp-formula id="Ch1.E63" content-type="numbered"><label>63</label><mml:math id="M226" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Further, we define the scattering matrix at the interface between the layers <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (in fact, at the layer grid point <inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> through the relation

            <disp-formula id="Ch1.E64" content-type="numbered"><label>64</label><mml:math id="M231" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where

            <disp-formula id="Ch1.E65" content-type="numbered"><label>65</label><mml:math id="M232" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">dim</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">dim</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are the reflection and transmission matrices, respectively. In analogy with radiative transfer theory (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3 bib1.bibx4" id="altparen.53"/>), Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E64"/>) is referred to as the interaction principle equation at the interface <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It shows that the scattering matrix <inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> relates the amplitudes <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the waves leaving the interface with the amplitudes <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the waves entering the interface. From Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E38"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E64"/>), we find

            <disp-formula id="Ch1.E66" content-type="numbered"><label>66</label><mml:math id="M242" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e10059">We organize the computational process as an upward recurrence using the concept of a “stack”. The stack <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is a group of interfaces characterized by the interaction principle equation

            <disp-formula id="Ch1.E67" content-type="numbered"><label>67</label><mml:math id="M245" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the matrices <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are obtained through a successive application of the interaction principle equation at the interfaces <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Adding a new layer <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and taking into account that at the interface <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the reflection and transmission matrices are <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, we find that the interaction principle equation for the stack <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is

            <disp-formula id="Ch1.E68" content-type="numbered"><label>68</label><mml:math id="M255" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are computed recursively by using of the “adding formulas”

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M258" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E69"><mml:mtd><mml:mtext>69</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E70"><mml:mtd><mml:mtext>70</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E71"><mml:mtd><mml:mtext>71</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E72"><mml:mtd><mml:mtext>72</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          for <inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E69"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E72"/>) are mathematically equivalent to Eqs. (4.30)–(4.33) in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.54"/>. The procedure is initialized with <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and is repeated until the last interface is added to the stack. For the stack <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the interaction principle equation is

            <disp-formula id="Ch1.E73" content-type="numbered"><label>73</label><mml:math id="M263" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and from the boundary conditions for amplitudes (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E45"/>), that is, from the relations <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, we find

                <disp-formula id="Ch1.E74" content-type="numbered"><label>74</label><mml:math id="M266" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mtext> and </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          For the lower boundary condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E55"/>), <inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E74"/>) is given by <inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where, for a unit scale factor, <inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To restore the entire set of amplitude vectors <inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we consider the interaction principle equations for the stacks <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, yielding

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M274" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E75"><mml:mtd><mml:mtext>75</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E76"><mml:mtd><mml:mtext>76</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          for <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The state vector and the wave amplitudes are then computed by using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E60"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E61"/>), respectively. In contrast to the previous method, this approach requires a clear differentiation between ascending and descending modes as defined by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>).</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <label>4</label><title>Source function</title>
      <p id="d2e11811">In the derivation so far, the amplitude vector is uniquely defined up to a multiplicative factor, namely the scale factor <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Accordingly, the general solution can be written as <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where, here and in what follows, the subscript “s” indicates the dependence on <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Since <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies the equation <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E57"/>), the scale factor can be interpreted as a source factor. The source factor is constant in the case of a harmonic (monochromatic) source function, corresponding to a single-frequency wave, but is time dependent for a non-harmonic source function, corresponding to a time-dependent wave packet. In this section, we describe the computation of the perturbed quantities for both harmonic and non-harmonic source functions. We also present a brief overview of the causality condition and the imaginary frequency shift introduced by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.55"/>, and latter extended and applied in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31 bib1.bibx32 bib1.bibx33 bib1.bibx35" id="text.56"/>. Although it would be sufficient to simply refer to these works, we include a short discussion here because the underlying mathematical structure provides valuable insight into the method.</p>
<sec id="Ch1.S4.SS1">
  <label>4.1</label><title>Non-harmonic source (time-dependent wave packet)</title>
      <p id="d2e11891">If the source term is not purely harmonic in time (i.e., it cannot be written as a single factor <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)), the perturbed quantity <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not a single-frequency wave with a specified angular frequency <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In this case, the equations are treated in the frequency domain by considering the Fourier transform in time <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34 bib1.bibx31 bib1.bibx32" id="paren.57"/>. This is defined by

            <disp-formula id="Ch1.E77" content-type="numbered"><label>77</label><mml:math id="M284" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          and its inverse by

            <disp-formula id="Ch1.E78" content-type="numbered"><label>78</label><mml:math id="M285" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Applying the Fourier transform and introducing the transformed variables according to

            <disp-formula id="Ch1.E79" content-type="numbered"><label>79</label><mml:math id="M286" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          together with

            <disp-formula id="Ch1.E80" content-type="numbered"><label>80</label><mml:math id="M287" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          as the counterpart of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E148"/>) (in which the exponential term <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is absorbed into <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), together with

            <disp-formula id="Ch1.E81" content-type="numbered"><label>81</label><mml:math id="M290" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          as the counterpart of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>), we are led to the system of differential equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E157"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E162"/>) of Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/> (or equivalently, to the matrix differential equation <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>), but with <inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> replacing <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e12482">In the following, we assume that the lower boundary conditions are expressed in terms of state variables. This assumption excludes the low-viscosity regime in which the dissipative eigenvalues become excessively large and the modal boundary condition discussed above is preferred. Under this assumption, we consider at the lower boundary <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the following localized boundary conditions

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M294" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E82"><mml:mtd><mml:mtext>82</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> takes the values <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:math></inline-formula> for the horizontal velocity, vertical velocity, and temperature, respectively. In Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E82"/>), the source function is given by

            <disp-formula id="Ch1.E83" content-type="numbered"><label>83</label><mml:math id="M299" display="block"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          with <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> denoting the scalar source amplitude and <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> its prescribed time dependence. In our implementation, the time-dependent part of the source function is chosen as

            <disp-formula id="Ch1.E84" content-type="numbered"><label>84</label><mml:math id="M302" display="block"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          with the Fourier transform

            <disp-formula id="Ch1.E85" content-type="numbered"><label>85</label><mml:math id="M303" display="block"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the reference frequency (the central frequency in the Fourier spectrum), <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the time at which the source function is maximum, and <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the standard deviations in the time and frequency domains, respectively. The amplitude of the source function <inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is specified by imposing the normalization condition:

            <disp-formula id="Ch1.E86" content-type="numbered"><label>86</label><mml:math id="M309" display="block"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M310" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a prescribed physical amplitude. This condition ensures that the perturbation component <inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> attains the amplitude <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the lower boundary <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and at the reference time <inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, corresponding to the maximum of the source envelope. The real part is used because the perturbations are represented in complex form, whereas the physical observables are real-valued quantities. The absolute value is introduced because <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents a prescribed physical amplitude and is therefore positive by definition. The normalization condition thus prescribes the magnitude of the perturbation at the reference point. For example, in the case <inline-formula><mml:math id="M316" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> may be chosen as a fraction of the maximum horizontal velocity of neutrals in the south direction over the altitude range, whereas in the case <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> may be chosen as a fraction of the maximum temperature of neutrals over the altitude range.</p>
      <p id="d2e13244">Applying the Fourier transform to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E82"/>) and using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E80"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E81"/>), we obtain the following boundary conditions in the frequency domain (note that <inline-formula><mml:math id="M320" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Fourier transform of <inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>):

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M322" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E87"><mml:mtd><mml:mtext>87</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Comparing Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E87"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>), we see that the latter corresponds to the choice <inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this case, the source factor <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be identified with <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Following the approach used in Sect. 3, we introduce the quantities <inline-formula><mml:math id="M326" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M327" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the solution of the differential equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) for a unit<bold> </bold>source factor in the frequency domain (i.e., for <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The perturbed quantity <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is then obtained by applying the inverse transform (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E78"/>) to

            <disp-formula id="Ch1.E88" content-type="numbered"><label>88</label><mml:math id="M331" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          that is,

            <disp-formula id="Ch1.E89" content-type="numbered"><label>89</label><mml:math id="M332" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where

                <disp-formula id="Ch1.E90" content-type="numbered"><label>90</label><mml:math id="M333" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          For <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as above, <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be written as

                <disp-formula id="Ch1.E91" content-type="numbered"><label>91</label><mml:math id="M336" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          with

            <disp-formula id="Ch1.E92" content-type="numbered"><label>92</label><mml:math id="M337" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The computation of <inline-formula><mml:math id="M338" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be performed using any of the methods presented in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/>. The computed quantity is <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the amplitude <inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is determined from the normalization condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E86"/>) as

            <disp-formula id="Ch1.E93" content-type="numbered"><label>93</label><mml:math id="M341" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and the perturbed quantity <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is computed from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E89"/>).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS2">
  <label>4.2</label><title>Monochromatic source (single-frequency wave)</title>
      <p id="d2e14386">The case of a monochromatic source is obtained as a special case of the above approach by choosing

            <disp-formula id="Ch1.E94" content-type="numbered"><label>94</label><mml:math id="M343" display="block"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          whose Fourier transform is

            <disp-formula id="Ch1.E95" content-type="numbered"><label>95</label><mml:math id="M344" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the Dirac delta distribution and the equality is understood in the sense of distributions.</p>
      <p id="d2e14559">The lower boundary conditions in the time domain are specified as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M346" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E96"><mml:mtd><mml:mtext>96</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          with

            <disp-formula id="Ch1.E97" content-type="numbered"><label>97</label><mml:math id="M347" display="block"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e14840">Applying the Fourier transform with respect to time yields a forcing term proportional to <inline-formula><mml:math id="M348" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, showing that the excitation is concentrated at the single frequency <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Consequently, the frequency-domain problem is solved only at the excitation frequency <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The corresponding harmonic amplitude at the lower boundary is prescribed to be <inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi></mml:math></inline-formula>, while the first and second vertical derivatives vanish, i.e.,

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M352" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E98"><mml:mtd><mml:mtext>98</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E99"><mml:mtd><mml:mtext>99</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e15060">Again, by comparing Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E99"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E49"/>), we see that the source factor <inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be identified with <inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In this regard, let <inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">]</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the solution of the differential equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) for a unit source factor in the frequency domain. The perturbed quantity <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is then obtained by the inverse Fourier transform (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E78"/>) of <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E88"/>), and the result is

                <disp-formula id="Ch1.E100" content-type="numbered"><label>100</label><mml:math id="M360" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where

            <disp-formula id="Ch1.E101" content-type="numbered"><label>101</label><mml:math id="M361" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Thus, the computed quantity is <inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the amplitude <inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> is determined from the normalization condition

            <disp-formula id="Ch1.E102" content-type="numbered"><label>102</label><mml:math id="M364" display="block"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          which yields

            <disp-formula id="Ch1.E103" content-type="numbered"><label>103</label><mml:math id="M365" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4.SS3">
  <label>4.3</label><title>Causality and imaginary frequency shifting</title>
      <p id="d2e15567">Causality means that the wave field in response to any source function cannot be nonzero prior to the earliest time at which the source function is nonzero. According to the classification rule (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>), we have

            <disp-formula id="Ch1.E104" content-type="numbered"><label>104</label><mml:math id="M366" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          for any layer <inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and any real frequency <inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. To preserve causality in solutions of two-point boundary value problems, a stronger condition is required, namely

            <disp-formula id="Ch1.E105" content-type="numbered"><label>105</label><mml:math id="M369" display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">max⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">min⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          for all <inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Equivalently, this condition requires that there exists a single real constant <inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, such that

                <disp-formula id="Ch1.E106" content-type="numbered"><label>106</label><mml:math id="M372" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          for all <inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> and all <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e15844">In some situations, condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E106"/>) is not satisfied on the real frequency axis but can be enforced by introducing an imaginary frequency shift <inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Following <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.58"/>, we adopt the Layerwise Causality (LC) condition. This condition requires that, at each layer <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> there is a <inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that

            <disp-formula id="Ch1.E107" content-type="numbered"><label>107</label><mml:math id="M378" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          for all <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A less restrictive condition is obtained by requiring that, at each layer <inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>,

            <disp-formula id="Ch1.E108" content-type="numbered"><label>108</label><mml:math id="M381" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          for all <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then the multilayer algorithm will still preserve causality. The LC condition requires a strict separation between the two eigenvalue families within each layer, but it does not require that the same separator works for all layers. Thus, each layer may have its own separating value <inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Equivalently, <inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> means that, in layer <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the real parts of the eigenvalues associated with the ascending and descending gravity waves remain separated (and therefore do not cross) as functions of the real frequency <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> after the shift.</p>
      <p id="d2e16127">To summarize the approach for computing  <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the case of imaginary frequency shifting, we introduce the shifted spectrum

            <disp-formula id="Ch1.E109" content-type="numbered"><label>109</label><mml:math id="M388" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mo mathsize="1.1em">[</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo mathsize="1.1em">]</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          which can be viewed as the analytic continuation of <inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to complex frequencies. Note that the shift <inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds in the time domain to multiplication by <inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e16352">Let

            <disp-formula id="Ch1.E110" content-type="numbered"><label>110</label><mml:math id="M392" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          be the Fourier transform (in time) of the perturbed quantity with frequency shifting <inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where as usual, <inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is solution of the differential equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) for a unit source factor in the frequency domain. Under the usual analyticity and decay assumptions (so that contour shifting is permitted), Cauchy's theorem yields the shift relation

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M395" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E111"><mml:mtd><mml:mtext>111</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the perturbed quantity without frequency shifting given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E89"/>). Equivalently, this implies the shift-invariance property

            <disp-formula id="Ch1.E112" content-type="numbered"><label>112</label><mml:math id="M397" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e16783">Summarizing, the computational steps for the frequency-shifting approach are as follows: <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e16788">Compute <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the solution of the differential equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>) for a unit source factor, and set <inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e16873">Compute <inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by taking the inverse Fourier transform of <inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E110"/>),<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M402" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E113"><mml:mtd><mml:mtext>113</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e17068">Recover <inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the shift-invariance property (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E112"/>).</p></list-item></list> For <inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E85"/>), it is convenient to write the recovered solution in the form

                <disp-formula id="Ch1.E114" content-type="numbered"><label>114</label><mml:math id="M405" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where (compare with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E91"/>)

            <disp-formula id="Ch1.E115" content-type="numbered"><label>115</label><mml:math id="M406" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          and <inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E92"/>). The computed quantity is <inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The amplitude <inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is determined from the normalization condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E86"/>) with <inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> interpreted as a prescribed positive physical amplitude, according to

            <disp-formula id="Ch1.E116" content-type="numbered"><label>116</label><mml:math id="M411" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Finally, the perturbed quantity <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is computed from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E114"/>). The Fourier integral in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E115"/>) is evaluated using a direct discrete Fourier transform (FT) rather than a fast Fourier transform (FFT). The frequency and time discretization used in the Fourier transform are discussed in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>.</p>
      <p id="d2e17509">A potential numerical issue with this approach is that a large frequency shift <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, while ensuring the causality condition, may amplify rounding errors when recovering <inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> through the exponential term <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>exp</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For large <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, this may lead to an uncontrolled growth of the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E115"/>). Therefore, care is required in selecting <inline-formula><mml:math id="M418" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>: it must be large enough to ensure the layerwise causality condition, but not significantly larger than that. Rigorous methods for determining the minimum sufficient <inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> were described by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34 bib1.bibx31 bib1.bibx32" id="text.59"/>, while the numerical blow-up associated with the exponential growth term was discussed in Appendix B of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="text.60"/>. In our implementation we employ a heuristic approach that combines (i) the Layerwise Causality (LC) condition applied at selected altitude levels, and (ii) a Source-Function Reconstruction (SFR) test.</p>
      <p id="d2e17610">First, an admissible interval <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is constructed by enforcing the SFR criterion, and within this interval, the LC condition is applied at selected altitude levels to obtain a refined interval of admissible frequency shifts. In the final selection step, a discrete set of candidate shifts is evaluated, and for each candidate the LC condition is checked over the entire altitude range. Among all shifts that satisfy causality at all altitudes, the algorithm selects the one whose maximum-amplitude vector is closest to the center of mass of the admissible solutions. A detailed description of this approach is provided in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S5">
  <label>5</label><title>Numerical implementation</title>
      <p id="d2e17646">An implementation of the method is freely available as an open-source code at <uri>https://github.com/AlexandruDoicu/Gravity-Waves</uri> (last access: 1 June 2026) and <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.21410453" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.21410453</ext-link> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="paren.61"/>. The code uses as input the data file produced by the International Reference Ionosphere (IRI) code available at <uri>https://ccmc.gsfc.nasa.gov/models/IRI~2016/</uri> (last access: 1 June 2025) is used. From these data, we read <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e17663">the date (year, month, and day) and the time,</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e17667">the geographic latitude and longitude,</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e17671">the magnetic dip angle,</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e17675">the solar radio flux f10.7 and its 81 d averaged,</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e17679">the number density of <inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ions as a function of altitude.</p></list-item></list> The IRI data file does not provide the background ion velocity. In the present implementation, the background field-aligned ion diffusion velocity (<inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is computed internally from the ambipolar-diffusion approximation derived in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/> and is used in the ion-continuity and ion-drag terms. In its present implementation, the IRI data files correspond to the locations summarized in Table <xref ref-type="table" rid="T1"/>. The altitude grid extends from <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">80</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>km</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>km</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with a step size of <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>km</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Users may generate custom data files by running the IRI code and specifying the corresponding file names in the input namelist.</p>

<table-wrap id="T1"><label>Table 1</label><caption><p id="d2e17768">Geographic locations and heights of the IRI data sets.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="4">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Location</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Latitude</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Longitude</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">Height</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2">[deg]</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">[deg]</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">[km]</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Jicamarca (Peru)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M426" display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>12</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">283</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">300</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Arecibo (Puerto Rico)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula>18</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">293</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">300</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Millstone Hill (USA)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula>42</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">288</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">300</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Saint-Santin (France)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula>44</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">2</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">300</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">EISCAT Tromsø (Auroral)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula>70</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">19</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">300</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Svalbard archipelago (Norway)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula>80</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">15</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">300</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p id="d2e17947">The IRI data are subsequently used in a manner analogous to that in the SAMI2 model of the Naval Research Laboratory (<uri>https://github.com/NRL-Plasma-Physics-Division/SAMI2</uri>, last access: 1 June 2025). In the present implementation, the ionospheric equations follow the SAMI2 framework originally developed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="text.62"/> and described in detail by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.63"/>. In SAMI2, the neutral atmospheric parameters – namely the neutral number density, total mass density, and temperature – are specified using the MSIS family of models. In this study, these parameters are based on the MSIS formulation of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="text.64"/>, while we note that more recent updates are provided by the NRLMSIS 2.0 model of  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="text.65"/>. The meridional and zonal winds are specified using the Horizontal Wind Model. In the present implementation, we follow the formulation of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="text.66"/>, while more recent updates are described by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="text.67"/>.</p>
      <p id="d2e17972">The derivatives of the background parameters are computed using central finite differences. Prior to the finite-difference calculations, the background parameters are smoothed using cubic smoothing splines with a regularization (roughness-penalty) term to suppress small-scale numerical fluctuations <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx46 bib1.bibx58" id="paren.68"/>.</p>
      <p id="d2e17979">Other features of the model are summarized as follows: <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e17984">Two linearization models are included in the code: <list list-type="custom"><list-item><label>a.</label>
      <p id="d2e17989">a general model that accounts for the altitude derivatives of the background velocity, temperature, density scale height, and dynamic viscosity; and</p></list-item><list-item><label>b.</label>
      <p id="d2e17993">a simplified model for a windless atmosphere without ion drag, in which the gradients of the background temperature and kinematic viscosity are neglected.</p></list-item></list></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e17997">The methods for solving the linearized equations based on the matrix exponential formalism comprise: <list list-type="custom"><list-item><label>a.</label>
      <p id="d2e18002">the Global Matrix Method for the Amplitudes (GMMA) of the characteristic solutions, described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS1"/>;</p></list-item><list-item><label>b.</label>
      <p id="d2e18008">the Scattering Matrix Method for the Amplitudes (SMMA) of the characteristic solutions, described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS2"/>; and</p></list-item><list-item><label>c.</label>
      <p id="d2e18014">the Global Matrix Method for the Nodal (grid-point) values (GMMN) of the state vector, described in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S3"/>.</p></list-item></list></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e18020">At the lower boundary, we impose that a selected component of the state vector is finite and that its first and second derivatives with respect to height vanish. At the upper boundary, we assume that there is no downward energy propagation, i.e., the amplitudes of all descending wave modes are set to zero.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e18024">The code first computes the wave parameters for a single-frequency wave and then for a time-dependent wave packet.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e18028">Typical values of the horizontal wavelength lie in the range 300–700 km.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e18032">For a single-frequency wave, the output quantity of interest is <inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M434" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> are given by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E101"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E103"/>), respectively, whereas for a time-dependent wave packet the corresponding output quantity is <inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi></mml:math></inline-formula> are given by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E115"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E116"/>), respectively.</p></list-item></list></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S6">
  <label>6</label><title>Numerical simulations</title>
      <p id="d2e18170">The simulations are performed using, as input, an IRI data file corresponding to the EISCAT Tromsø (auroral) location on 11 February 2012 at 10:00 UT. The solar zenith angle is 84.2°, the magnetic inclination angle is 78.28°, the daily solar radio flux F10.7 is 109.4 sfu, and the 81 d averaged solar radio flux is 116.9 sfu, where <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mtext>sfu</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> W m<sup>−2</sup> Hz<sup>−1</sup>. The geomagnetic activity parameter Ap is set to 7.0, corresponding to slightly disturbed geomagnetic conditions. In the simulations, the Prandtl number is 0.66, and the horizontal wind model 14 implemented in SAMI2 is used. The altitude grid extends from 80  to 500 km and contains 801 grid points. The lower boundary can, in principle, be set to smaller altitudes (e.g., 50 km), but we choose 80 km because this level is typically adopted as the lower boundary for ionospheric equations. Unless stated otherwise, the horizontal wavelength is <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km, the wave period is <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min, and the imaginary frequency shift for a single-frequency wave is <inline-formula><mml:math id="M443" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<sup>−1</sup>. The lower boundary conditions are imposed on the vertical velocity with <inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mtext>b2</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ms<sup>−1</sup> in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E86"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E102"/>).</p>
<sec id="Ch1.S6.SS1">
  <label>6.1</label><title>Accuracy and efficiency of the solution methods</title>
      <p id="d2e18323">Taking the global matrix method for amplitudes as a reference, we find that the relative root-mean-square errors in the perturbed temperature, vertical velocity, and horizontal velocity obtained with the other two solution methods are smaller than <inline-formula><mml:math id="M447" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, all methods exhibit comparable accuracy. On the other hand, we find that the scattering matrix method is more time-consuming than the global matrix methods, particularly for time-dependent wave packets. This is because the scattering matrix approach requires numerous matrix operations in each layer, whereas solving a system of equations compressed into band storage is computationally less expensive.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S6.SS2">
  <label>6.2</label><title>Background atmospheric parameters</title>
      <p id="d2e18348">The numerical model uses altitude-dependent profiles of atmospheric and ionospheric parameters, including temperature, mass density, pressure, southward horizontal velocity, atmospheric scale height, density scale height, specific heat capacity, ratio of specific heats, sound speed, <inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ion number density, neutral–ion collision frequency, ion–neutral collision frequency, and the background field-aligned ambipolar diffusion velocity (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>). In addition, the altitude derivatives of temperature, horizontal velocity, mass density, pressure, density scale height, and ion number density are required. Figure <xref ref-type="fig" rid="F1"/> shows the background temperature <inline-formula><mml:math id="M449" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, horizontal velocity <inline-formula><mml:math id="M450" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the ion number density <inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, together with their corresponding altitude derivatives.</p>

      <fig id="F1"><label>Figure 1</label><caption><p id="d2e18405">Background temperature <inline-formula><mml:math id="M452" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, horizontal velocity <inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and ion number density <inline-formula><mml:math id="M454" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>O</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) (upper panels), and their height derivatives (lower panels). </p></caption>
          <graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026-f01.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S6.SS3">
  <label>6.3</label><title>Pairwise classification of ascending and descending modes</title>
      <p id="d2e18473">Figure <xref ref-type="fig" rid="F2"/> compares the imaginary parts of the vertical wavenumbers associated with the ascending and descending gravity-wave modes. The upper panel shows the results obtained with the general model, including ion drag, while the second panel shows the corresponding results for the simplified model. In the general model, the imaginary parts of the ascending and descending vertical wavenumbers approach each other in the altitude range from approximately 80 to 170 km. To illustrate the degree of separation between these two modes, the third and fourth panels show the quantity <inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on a logarithmic scale for the general and simplified models, respectively. These plots demonstrate that the imaginary parts of the two gravity-wave modes remain separated at all altitudes, although the separation becomes very small in the transition region. A complete assessment of branch continuity, however, requires consideration of both the real and imaginary parts of the vertical wavenumbers. Additional numerical experiments indicate that the real parts of the ascending and descending gravity-wave modes cross near the altitudes (approximately 105 and 175 km) where sharp changes in the quantity <inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are observed. A detailed investigation of the root-tracking procedure and the influence of the imaginary frequency shift on branch continuity will be the subject of future research. Figure <xref ref-type="fig" rid="F3"/> shows the imaginary parts of the vertical wavenumbers for all wave modes <inline-formula><mml:math id="M458" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> computed using the general model. The plot illustrates the clear separation between the gravity-wave modes and the viscosity- and thermal-conduction modes. The latter two mode pairs approach each other most closely in the altitude range around 100 km.</p>

      <fig id="F2"><label>Figure 2</label><caption><p id="d2e18588">Comparison of the imaginary parts of the vertical wavenumbers associated with the ascending (<inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and descending <inline-formula><mml:math id="M460" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gravity-wave modes. Upper panel: <inline-formula><mml:math id="M461" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> computed using the general model, with and without ion drag. The oval indicates the altitude region where ion drag produces a small deviation in the vertical wavenumbers. Second panel: <inline-formula><mml:math id="M462" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the ascending and descending gravity-wave modes computed using the simplified model. Third panel: logarithmic plot of <inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the general model. Fourth panel: logarithmic plot of <inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the simplified model. The results correspond to <inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026-f02.png"/>

        </fig>

      <fig id="F3"><label>Figure 3</label><caption><p id="d2e18770">Imaginary parts of the vertical wavenumbers for all wave modes <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> computed using the general model. The figure shows the gravity-wave modes together with the viscosity and thermal-conduction modes. The results correspond to <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and <inline-formula><mml:math id="M469" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026-f03.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S6.SS4">
  <label>6.4</label><title>General and simplified models</title>
      <p id="d2e18852">The altitude profiles of the perturbed temperature, vertical velocity, and horizontal velocity computed using the general and simplified models are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F4"/>. The plots show that, in the altitude range 150–300 km, the amplitudes obtained with the general model are larger than those obtained with the simplified model. If the imaginary parts of the vertical wavenumber for ascending gravity waves computed with the general and simplified models were plotted on the same graph (i.e. by merging the lower and middle panels of Fig. <xref ref-type="fig" rid="F2"/>), it would be seen that the imaginary part of the vertical wavenumber corresponding to the general model is negative but larger (i.e., less negative) than that obtained with the simplified model. As a consequence, the exponential attenuation with altitude is weaker in the general model, leading to systematically larger wave amplitudes in this region. This behavior reflects the modified balance between wave propagation and dissipation introduced by the inclusion of altitude-dependent background properties and by relaxing the assumption of constant kinematic viscosity, which reduces the effective vertical damping relative to the simplified model. In addition to the amplitude differences, Fig. <xref ref-type="fig" rid="F4"/> exhibits substantial phase shifts between the solutions of the general and simplified models. These phase shifts can be attributed to differences in the imaginary part of the eigenvalue, or equivalently, in the real part of the vertical wavenumber of the ascending gravity-wave mode. Since the wave phase accumulates with altitude in proportion to the real part of the vertical wavenumber, even moderate differences between the gravity-wave roots of the two models lead to noticeable displacements of the extrema of the temperature and velocity perturbations.</p>

      <fig id="F4"><label>Figure 4</label><caption><p id="d2e18863">Altitude profiles of the perturbed temperature <inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, vertical velocity <inline-formula><mml:math id="M471" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and horizontal velocity <inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> for the general and simplified models. The results correspond to <inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and <inline-formula><mml:math id="M474" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026-f04.png"/>

        </fig>


</sec>
<sec id="Ch1.S6.SS5">
  <label>6.5</label><title>Ion Drag</title>
      <p id="d2e18942">The effect of ion drag on the perturbed temperature, vertical velocity, and horizontal velocity is illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F5"/>. A moderate attenuation is observed in the altitude range from 180 to 350 km, where the ion number density is relatively high. In the present model, <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> drift velocities are neglected, and the ion velocity is approximated by the field-aligned neutral velocity plus the field-aligned ambipolar diffusion velocity (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>). Consequently, the classical auroral-convection regime, in which <inline-formula><mml:math id="M476" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-driven ion motion transfers momentum and energy to the neutral atmosphere through ion drag, is not represented here <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx48 bib1.bibx16" id="paren.69"/>. Instead, ion drag arises primarily from field-aligned ambipolar diffusion and from relative ion–neutral motion induced by neutral winds. As a result, ion drag acts mainly as a secondary damping mechanism and does not constitute the dominant forcing of the neutral perturbations in the present simulations.</p>

      <fig id="F5"><label>Figure 5</label><caption><p id="d2e18978">Altitude profiles of the perturbed temperature <inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, vertical velocity <inline-formula><mml:math id="M478" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and horizontal velocity <inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> for the general model, with and without ion drag. The results correspond to <inline-formula><mml:math id="M480" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and <inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026-f05.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S6.SS6">
  <label>6.6</label><title>Horizontal wavelength and time period </title>
      <p id="d2e19055">The influence of the horizontal wavelength <inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the wave period <inline-formula><mml:math id="M483" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the perturbed quantities is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F6"/>. The results indicate that, for the same lower-boundary amplitude, waves with larger horizontal wavelengths and longer periods generally attain smaller amplitudes at higher altitudes. In the inviscid region, the altitude variation of the wave amplitude is controlled primarily by the density stratification through the <inline-formula><mml:math id="M484" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contribution to the vertical wavenumber (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) and is therefore largely independent of the horizontal wavelength and wave period. At higher altitudes, however, viscosity and thermal conduction become increasingly important, and the attenuation rate is determined by the imaginary part of the vertical wavenumber of the ascending gravity-wave mode. Since the horizontal wavelength and wave period modify the gravity-wave dispersion relation, they also modify the corresponding vertical wavenumber and its attenuation rate. Consequently, waves with different values of <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M486" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> experience different amounts of dissipation during upward propagation, leading to the amplitude differences observed in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F6"/>. The dependence on <inline-formula><mml:math id="M487" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M488" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can therefore be understood in terms of the corresponding gravity-wave roots computed by the model, whose imaginary parts determine the attenuation rates and whose real parts determine the phase propagation characteristics. Because the plotted quantities are signed perturbations, differences in the real part of the vertical wavenumber may also produce noticeable phase shifts between the profiles. Consequently, the 400 km profiles do not necessarily lie between the 300  and 500 km profiles, even though all solutions are normalized to the same prescribed lower-boundary amplitude <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>b</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the selected perturbation component.</p>

      <fig id="F6"><label>Figure 6</label><caption><p id="d2e19171">Altitude profiles of the perturbed temperature <inline-formula><mml:math id="M490" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, vertical velocity <inline-formula><mml:math id="M491" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and horizontal velocity <inline-formula><mml:math id="M492" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> for (i) <inline-formula><mml:math id="M493" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">300</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M494" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M495" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:math></inline-formula> km with <inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min (upper panels), and (ii) <inline-formula><mml:math id="M497" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km with <inline-formula><mml:math id="M498" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M499" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">60</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M500" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">80</mml:mn></mml:math></inline-formula> min (lower panels). The results correspond to the general model with ion drag.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026-f06.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S6.SS7">
  <label>6.7</label><title>Computing ascending and descending wave solutions</title>
      <p id="d2e19310">The ascending and descending wave contributions in layer <inline-formula><mml:math id="M501" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>, denoted by <inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M503" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, can be computed using the GMMA through Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E62"/>) or using the GMMN via the recurrence relations (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E265"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E266"/>). The total solution <inline-formula><mml:math id="M504" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, obtained from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E60"/>) in the GMMA formulation and by solving Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E262"/>) in the GMMN formulation, should satisfy the relation <inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> This identity was verified in all computations and was used as an internal consistency check of the code. Furthermore, the results shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F7"/> indicate that the ascending-wave contribution is dominant, except in the altitude range between 120 km and 180 km in the case of the general model. This finding, which is consistent with the results presented by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.70"/> (see their Fig. 6), suggests that in a simplified model one may assume the ascending-wave contribution to be dominant at altitudes above 200 km, that is, <inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M507" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Under this assumption, the state vector can be computed using the upward recurrence relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E265"/>). In <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.71"/>, this approach was referred to as the transmission-only approximation, whereas in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="text.72"/> a related single-mode approximation was introduced.</p>

      <fig id="F7"><label>Figure 7</label><caption><p id="d2e19455">Altitude profiles of the perturbed temperature <inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, vertical velocity <inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and horizontal velocity <inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> for the total solution (<inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in layer <inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>), the ascending-wave solution (<inline-formula><mml:math id="M513" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and the descending-wave solution (<inline-formula><mml:math id="M514" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The upper panels correspond to the general model, and the lower panels to the simplified model. The horizontal wavelength is <inline-formula><mml:math id="M515" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and the wave period is <inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026-f07.png"/>

        </fig>


</sec>
<sec id="Ch1.S6.SS8">
  <label>6.8</label><title>Time-dependent wave packet</title>
      <p id="d2e19597">For the source function (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E83"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E84"/>), Fig. <xref ref-type="fig" rid="F8"/> shows the perturbed temperature and vertical velocity as functions of time and altitude. Note the different time intervals used for each horizontal wavelength <inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in these plots. The maximum values of the perturbed temperature are <inline-formula><mml:math id="M518" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">32.21</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">31.15</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">32.73</mml:mn></mml:math></inline-formula> K for the horizontal wavelengths 300, 500, and 700 km, respectively, whereas the corresponding maximum values of the vertical velocity are <inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">21.40</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">16.21</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and 12.08 m s<sup>−1</sup>. The practical implementation of the wave-packet calculations, including the choice of the frequency and time discretizations used for the Fourier-transform evaluation, is described in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>.</p>

      <fig id="F8" specific-use="star"><label>Figure 8</label><caption><p id="d2e19669">Perturbed temperature (left panels) and vertical velocity (right panels) as functions of time and altitude. The upper panels correspond to <inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">300</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and <inline-formula><mml:math id="M525" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min, the middle panels to <inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and <inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min, and the lower panels to <inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">700</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and <inline-formula><mml:math id="M529" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">60</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min. </p></caption>
          <graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026-f08.png"/>

        </fig>


</sec>
<sec id="Ch1.S6.SS9">
  <label>6.9</label><title>Imaginary frequency shift</title>
      <p id="d2e19779">The determination of the admissible interval of imaginary frequency shifts follows the procedure described in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>. For the present case <inline-formula><mml:math id="M530" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">500</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km and <inline-formula><mml:math id="M531" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">40</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> min, this procedure yields the interval <inline-formula><mml:math id="M532" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">32.24</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<inline-formula><mml:math id="M534" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, within which the search for admissible solutions is performed. Specifically, candidate solutions corresponding to values of <inline-formula><mml:math id="M535" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in this interval are examined, and only those satisfying the layerwise causality condition throughout the entire altitude range are retained. Five equidistant values of the imaginary frequency shift <inline-formula><mml:math id="M536" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> within this interval were considered. For each value, the wave parameters were computed and the layerwise causality condition was verified throughout the entire altitude range. All five solutions satisfied this condition and produced nearly identical maximum values of the perturbed horizontal velocity, vertical velocity, and temperature (Table <xref ref-type="table" rid="T2"/>). This behavior is expected because, once the layerwise causality condition is satisfied, the physical solution is not expected to depend on the particular value of the imaginary frequency shift <inline-formula><mml:math id="M537" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, provided that <inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> remains within the admissible interval (see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="altparen.73"/>, following Eq. 2.58). To select a representative solution, we considered the three-dimensional space formed by the maximum amplitudes (<inline-formula><mml:math id="M539" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The final solution was chosen as the one whose amplitude vector is closest to the center of mass of the five candidate solutions. This criterion yields the third solution, corresponding to <inline-formula><mml:math id="M540" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16.62</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<sup>−1</sup>. For this solution, the maxima occur at 11.06 h and 248.00 km for the horizontal velocity, 10.98 h and 303.64 km for the vertical velocity, and 10.90 h and 257.45 km for the temperature. To assess the sensitivity of the solution to the choice of <inline-formula><mml:math id="M542" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, Fig. <xref ref-type="fig" rid="F9"/> shows the relative Root-Mean-Square (RMS) differences in the perturbed horizontal velocity, vertical velocity, and temperature between the selected solution and the remaining solutions. For each altitude, the relative RMS difference is computed over the entire time interval by dividing the RMS difference by the RMS value of the corresponding field of the selected solution over the same time interval.</p>

<table-wrap id="T2" specific-use="star"><label>Table 2</label><caption><p id="d2e20000">Maximum values of the perturbed horizontal velocity (<inline-formula><mml:math id="M543" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), vertical velocity (<inline-formula><mml:math id="M544" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and temperature (<inline-formula><mml:math id="M545" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) for different values of the imaginary frequency shift <inline-formula><mml:math id="M546" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The selected solution is the third solution corresponding to <inline-formula><mml:math id="M547" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16.62</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<sup>−1</sup>. </p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="5">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Solution</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M549" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<inline-formula><mml:math id="M550" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [ms<sup>−1</sup>]</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M553" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [ms<inline-formula><mml:math id="M554" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M555" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  [K]</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Index</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"/>
         <oasis:entry colname="col3"/>
         <oasis:entry colname="col4"/>
         <oasis:entry colname="col5"/>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">32.24</mml:mn></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">38.084</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">16.210</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">31.153</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">2</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">24.43</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">38.115</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">16.224</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">31.132</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">3</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">16.62</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">38.079</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">16.210</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">31.158</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">4</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">8.81</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">38.110</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">16.225</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">31.186</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">5</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">1.00</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">38.017</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">16.186</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">31.113</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <fig id="F9"><label>Figure 9</label><caption><p id="d2e20335">Relative Root-Mean-Square (RMS) differences in the perturbed horizontal velocity <inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, vertical velocity <inline-formula><mml:math id="M558" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and temperature perturbation <inline-formula><mml:math id="M559" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> between the selected solution (<inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16.62</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<sup>−1</sup>) and the remaining solutions corresponding to different values of the imaginary frequency shift <inline-formula><mml:math id="M562" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For each altitude, the relative RMS difference is computed over the entire simulation time interval by dividing the RMS difference by the RMS value of the corresponding field of the selected solution over the same time interval. </p></caption>
          <graphic xlink:href="https://angeo.copernicus.org/articles/44/655/2026/angeo-44-655-2026-f09.png"/>

        </fig>


</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S7" sec-type="conclusions">
  <label>7</label><title>Conclusions</title>
      <p id="d2e20427">We designed a numerical model for solving the linearized gravity-wave equations using a multilayer method, which is freely available as open-source code at <uri>https://github.com/AlexandruDoicu/Gravity-Waves</uri> (last access: 1 June 2026) . To decouple the hydrodynamic equations for the neutral atmosphere from the ionospheric equations, which are coupled through ion drag, we adopt a fast field-aligned diffusion approximation. This approximation may be viewed as a generalization of an approach originally proposed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="text.74"/>.</p>
      <p id="d2e20436">To solve the linearized equations, we employ (i) global matrix methods based on matrix exponentials and (ii) scattering matrix methods to determine either (a) the amplitudes of the characteristic solutions or (b) the grid-point values of the state vector. Ascending and descending wave modes are identified according to the criterion that the real parts of the eigenvalues of the characteristic equation for ascending modes are smaller than those for descending modes (or, equivalently, that the imaginary parts of the vertical wavenumbers are smaller). Global matrix methods using the scaling matrices (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>) require the classification of ascending and descending modes only at the lower and upper boundaries, whereas scattering matrix methods require an explicit determination of the mode type at every altitude. The model is devoted to solving the linearized equations including viscosity, thermal conduction, and ion drag. A simplified model for a windless atmosphere without ion drag is also considered, in which the altitude derivatives of the background temperature and kinematic viscosity are neglected.</p>
      <p id="d2e20443">Depending on the form of the source function, either single-frequency waves or time-dependent wave packets can be analyzed. A heuristic approach for determining the imaginary frequency shift introduced by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx34" id="text.75"/> is also considered. This approach is based on (i) a layerwise causality condition applied at selected altitude levels, and (ii) a source-function reconstruction test.</p>
      <p id="d2e20449">Numerical simulations demonstrate that both global matrix and scattering matrix methods achieve comparable accuracy. However, the former are significantly more efficient than the latter, particularly in simulations involving time-dependent wave packets. Among the global matrix methods, the approach based on solving for the amplitudes of the characteristic solutions appears to provide the highest efficiency and accuracy.</p>
      <p id="d2e20453">The linearized equations on which the solution methods were tested correspond to ionospheric conditions. The ultimate goal of our research is to develop a comprehensive model for analyzing ionospheric gravity waves using satellite measurements. The approach presented in this paper represents only the first component of such a model. Two options are envisaged for extending it to a more complete formulation. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e20458">Fully coupled neutral–ion model. The linearized hydrodynamic equations would be solved together with the ion equations. In this case, the ion continuity equation would include perturbed production and loss terms, whereas ion inertia and ion–ion collisions would continue to be neglected in the ion momentum equation, and only transport parallel to the magnetic field lines would be retained. The state vector would then be augmented by two additional components, namely the perturbed ion number density and the ion diffusion velocity.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e20462">Two-step coupling strategy. In the first step, the neutral-atmosphere equations are solved using the fast field-aligned diffusion approximation. In the second step, the wave-induced perturbations obtained from the neutral solution are used as input to solve the ionospheric equations for the perturbed <inline-formula><mml:math id="M563" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>O</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ion density. The ionospheric equations may be solved using the SAMI2 model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="paren.76"/> for low latitudes, where the <inline-formula><mml:math id="M564" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> drift is neglected, or the SAMI3 model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx26" id="paren.77"/> at higher altitudes, where the <inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> drift is included and the electric field is determined from the solution of a two-dimensional potential equation. In this strategy, priority is given to the ionospheric equations of the SAMI framework, while wave-induced perturbations are handled using the approximate approach developed in the present study. Along similar lines, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="text.78"/> solved the neutral-atmosphere equations without ion drag in a first step, and subsequently addressed the ionospheric response using the Field-Line Interhemispheric Plasma (FLIP) model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47" id="paren.79"/>.</p></list-item></list> The development and application of these complete models will be addressed in future papers.</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><app-group>

<app id="App1.Ch1.S1">
  <label>Appendix A</label><title>Derivation of the linear system of ordinary differential equations</title>
      <p id="d2e20525">In this appendix, we derive the explicit representation of the linear system of ordinary differential equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E5"/>).</p>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS1">
  <label>A1</label><title>Hydrodynamic equations</title>
      <p id="d2e20537">The hydrodynamic equations for the neutral atmosphere consist in the continuity, momentum, heat, and ideal gas equations (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40 bib1.bibx57" id="altparen.80"/>)

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M566" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E117"><mml:mtd><mml:mtext>A1</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E118"><mml:mtd><mml:mtext>A2</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E119"><mml:mtd><mml:mtext>A3</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E120"><mml:mtd><mml:mtext>A4</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M567" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the density, <inline-formula><mml:math id="M568" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> the pressure, <inline-formula><mml:math id="M569" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> the temperature, <inline-formula><mml:math id="M570" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:math></inline-formula> the velocity, <inline-formula><mml:math id="M571" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:math></inline-formula> the gravitational acceleration vector, <inline-formula><mml:math id="M572" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the material (substantial) derivative, <inline-formula><mml:math id="M573" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the specific heat at constant volume, <inline-formula><mml:math id="M574" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> the coefficient of thermal conductivity, <inline-formula><mml:math id="M575" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the specific gas constant, and <inline-formula><mml:math id="M576" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> the viscous stress tensor. The quantities <inline-formula><mml:math id="M577" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M578" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the ion-drag force exerted by neutrals on ions per unit volume, and the frictional heating rate per unit volume arising from ion–neutral collisions, respectively. In a Cartesian coordinate system <inline-formula><mml:math id="M579" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the components of the viscous stress tensor are given by

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E121" content-type="numbered"><label>A5</label><mml:math id="M580" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M581" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the dynamic viscosity and <inline-formula><mml:math id="M582" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the Kroneker delta. Accordingly, the double dot product of <inline-formula><mml:math id="M583" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⊗</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M584" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⊗</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E122" content-type="numbered"><label>A6</label><mml:math id="M585" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Using the ideal-gas law <inline-formula><mml:math id="M586" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math id="M587" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the momentum equation can be written as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E123" content-type="numbered"><label>A7</label><mml:math id="M588" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Moreover, using

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E124" content-type="numbered"><label>A8</label><mml:math id="M589" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M590" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the specific heat at constant pressure, <inline-formula><mml:math id="M591" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> the ratio of specific heats, and <inline-formula><mml:math id="M592" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the Prandtl number, and assuming that <inline-formula><mml:math id="M593" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M594" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are constant, the heat equation becomes

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E125" content-type="numbered"><label>A9</label><mml:math id="M595" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e21588">In the momentum and heat equations, the ion-drag force and the corresponding heating per unit mass are given by

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M596" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E126"><mml:mtd><mml:mtext>A10</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E127"><mml:mtd><mml:mtext>A11</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M597" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the neutral-ion collision frequency (the collision frequency between a neutral particle and all kind of ions).</p>
      <p id="d2e21733">We choose a rectangular coordinate system such that the <inline-formula><mml:math id="M598" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis is directed to the geographic south, the <inline-formula><mml:math id="M599" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis to the east and the <inline-formula><mml:math id="M600" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis upward. The wave propagates in the meridional plane, i.e., in the <inline-formula><mml:math id="M601" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> plane. The viscous terms per unit mass in the momentum equation are then given by

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M602" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E128"><mml:mtd><mml:mtext>A12</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E129"><mml:mtd><mml:mtext>A13</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          while the viscous dissipation term per unit mass appearing in the heat equation is

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M603" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">σ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E130"><mml:mtd><mml:mtext>A14</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Here, <inline-formula><mml:math id="M604" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the kinematic viscosity, and we have assumed that the viscosity depends only on altitude, so that

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E131" content-type="numbered"><label>A15</label><mml:math id="M605" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e22420">Using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E128"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E130"/>) together with assumption (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E131"/>), we express the  momentum and heat equations as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M606" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E132"><mml:mtd><mml:mtext>A16</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M607" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E133"><mml:mtd><mml:mtext>A17</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M608" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>T</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E134"><mml:mtd><mml:mtext>A18</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M609" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M610" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M611" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the components of the ion drag force <inline-formula><mml:math id="M612" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the <inline-formula><mml:math id="M613" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>- and <inline-formula><mml:math id="M614" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis, respectively.</p>
      <p id="d2e23517">In the above hydrodynamic equations, the Coriolis force has been neglected. For a two-dimensional wave geometry in which both the background flow and the perturbation velocities are confined to the vertical <inline-formula><mml:math id="M615" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> plane and all variables are independent of the transverse horizontal coordinate <inline-formula><mml:math id="M616" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the Coriolis acceleration associated with the Earth's rotation is directed entirely along the transverse direction and therefore does not enter the momentum equations considered here. More precisely, for <inline-formula><mml:math id="M617" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M618" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M619" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the geographic latitude and <inline-formula><mml:math id="M620" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.29</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> s<sup>−1</sup> the Earth's angular velocity, the Coriolis force per unit mass is <inline-formula><mml:math id="M622" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mtext>C</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="bold-italic">Ω</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, the Coriolis acceleration is directed entirely along the transverse horizontal direction <inline-formula><mml:math id="M623" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> and does not affect the two-dimensional <inline-formula><mml:math id="M624" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> momentum equations.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2">
  <label>A2</label><title>Linearized equations</title>
      <p id="d2e23736">To linearize the hydrodynamic equations, we assume that all background (unperturbed) quantities vary only in the <inline-formula><mml:math id="M625" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-direction and write

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex11"><mml:math id="M626" display="block"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M627" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes any state variable. In particular, we assume

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E135" content-type="numbered"><label>A19</label><mml:math id="M628" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Furthermore, we neglect the second derivative of the background horizontal wind and background temperature,

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E136" content-type="numbered"><label>A20</label><mml:math id="M629" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e23986"><list list-type="order">
            <list-item>

      <p id="d2e23991">The linearized continuity equation is

                  <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E137" content-type="numbered"><label>A21</label><mml:math id="M630" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

                where <inline-formula><mml:math id="M631" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the density scale height defined by

                  <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E138" content-type="numbered"><label>A22</label><mml:math id="M632" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
            </list-item>
            <list-item>

      <p id="d2e24164">The linearized momentum equations are

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M633" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E139"><mml:mtd><mml:mtext>A23</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                and

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M634" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E140"><mml:mtd><mml:mtext>A24</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:munder><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                where

                  <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E141" content-type="numbered"><label>A25</label><mml:math id="M635" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

                is the speed of sound, and <inline-formula><mml:math id="M636" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M637" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the perturbations of the <inline-formula><mml:math id="M638" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>- and <inline-formula><mml:math id="M639" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-components, respectively, of the ion-drag force per unit mass <inline-formula><mml:math id="M640" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M641" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
            </list-item>
            <list-item>

      <p id="d2e25182">The linearized heat equation is

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M642" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E142"><mml:mtd><mml:mtext>A26</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                where <inline-formula><mml:math id="M643" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the perturbation of the ion-drag heating per unit mass.</p>
            </list-item>
          </list>The linearized equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E137"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E139"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E140"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E142"/>) are structurally consistent with Eqs. (7), (4), (5), and (6) in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx54" id="text.81"/>, respectively, when the unlabelled terms and the terms labelled <inline-formula><mml:math id="M644" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:math></inline-formula> are considered (the terms labelled <inline-formula><mml:math id="M645" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:math></inline-formula> are not included). They are likewise related to Eqs. (3.5), (3.1), (3.3), and (3.4) in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.82"/>, when only the unlabelled terms are considered (the additional contributions labelled <inline-formula><mml:math id="M646" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M647" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:math></inline-formula> are not included).</p>
      <p id="d2e25741">Using the following representation for the dynamic viscosity <inline-formula><mml:math id="M648" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula>
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="paren.83"/>

                <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E143" content-type="numbered"><label>A27</label><mml:math id="M649" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3.34</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          we obtain

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E144" content-type="numbered"><label>A28</label><mml:math id="M650" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          With these relations, the linearized <inline-formula><mml:math id="M651" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-momentum and heat equations can be written as follows: <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e25928"><inline-formula><mml:math id="M652" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-momentum equation<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M653" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E145"><mml:mtd><mml:mtext>A29</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e26454"><inline-formula><mml:math id="M654" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-momentum equation<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M655" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E146"><mml:mtd><mml:mtext>A30</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e26866">heat equation<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M656" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E147"><mml:mtd><mml:mtext>A31</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></list-item></list></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS3">
  <label>A3</label><title>Plane wave solution</title>
      <p id="d2e27421">We assume that all perturbations vary harmonically in time and in the <inline-formula><mml:math id="M657" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-direction, that is,

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E148" content-type="numbered"><label>A32</label><mml:math id="M658" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M659" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the angular frequency and <inline-formula><mml:math id="M660" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the horizontal wavenumber. It then follows that</p>
      <p id="d2e27513"><disp-formula id="App1.Ch1.S1.E149" content-type="numbered"><label>A33</label><mml:math id="M661" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e27626">The linearized continuity equation becomes

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E150" content-type="numbered"><label>A34</label><mml:math id="M662" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E151" content-type="numbered"><label>A35</label><mml:math id="M663" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          is the intrinsic frequency. Further, using

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E152" content-type="numbered"><label>A36</label><mml:math id="M664" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          together with

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E153" content-type="numbered"><label>A37</label><mml:math id="M665" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          we obtain

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M666" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E154"><mml:mtd><mml:mtext>A38</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          In a first step, we use Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E150"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E154"/>), together with the linearized forms of the momentum and the heat equation given in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E145"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E140"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E147"/>), to express the governing equations in terms of <inline-formula><mml:math id="M667" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M668" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M669" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and their vertical derivatives.</p>
      <p id="d2e28264">In a second step, we introduce the dimensionless state variables <inline-formula><mml:math id="M670" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M671" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M672" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, defined by

                <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E155" content-type="numbered"><label>A39</label><mml:math id="M673" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M674" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a reference frequency, together with their vertical derivatives

                <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E156" content-type="numbered"><label>A40</label><mml:math id="M675" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The state vector is organized as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex36"><mml:math id="M676" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and the corresponding system of ordinary differential equations is given by

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M677" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E157"><mml:mtd><mml:mtext>A41</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E158"><mml:mtd><mml:mtext>A42</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E159"><mml:mtd><mml:mtext>A43</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e28760"><disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M678" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:munder><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:munder><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E160"><mml:mtd><mml:mtext>A44</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e29453"><disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M679" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E161"><mml:mtd><mml:mtext>A45</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e30073"><disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M680" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:munder></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:munder><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E162"><mml:mtd><mml:mtext>A46</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E160"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E161"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E162"/>) with the constants <inline-formula><mml:math id="M681" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.71</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M682" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.71</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> correspond to the general model, in which all altitude derivatives of the background parameters <inline-formula><mml:math id="M683" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M684" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M685" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M686" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are retained. The unlabelled terms and the terms labelled <inline-formula><mml:math id="M687" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:math></inline-formula>, in these equations, with the constants <inline-formula><mml:math id="M688" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M689" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, correspond to the model of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx54" id="text.84"/>. Moreover, Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E160"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E161"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E162"/>), when only the unlabelled terms are retained  and the constants are set to <inline-formula><mml:math id="M690" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are consistent in form with Eqs. (3.32), (3.31), and (3.33) in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.85"/>, respectively. Note that in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.86"/>, the wave propagates in three-dimensional space, the harmonic dependence of the perturbed quantities is taken as <inline-formula><mml:math id="M691" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>y</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, rather than <inline-formula><mml:math id="M692" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the characteristic solutions have an <inline-formula><mml:math id="M693" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> dependence, rather than <inline-formula><mml:math id="M694" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the state vector is defined as <inline-formula><mml:math id="M695" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M696" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where  <inline-formula><mml:math id="M697" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M698" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Essentially, the difference between the model of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx54" id="text.87"/> and that of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.88"/> is that, in the latter, the derivative of the dynamic viscosity <inline-formula><mml:math id="M699" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is omitted. In the code, for testing purposes, we included a hard-coded logical flag that selects the linearized model to be used. Our numerical simulations show that there are no significant differences between the general model and that of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx54" id="text.89"/>, and that the effect of the assumption <inline-formula><mml:math id="M700" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is relatively small. This latter assumption was discussed in detail in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.90"/>. In the general model, the derivative <inline-formula><mml:math id="M701" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is computed as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex53"><mml:math id="M702" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.71</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          whereas the derivatives of <inline-formula><mml:math id="M703" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M704" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M705" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are computed using central finite differences.</p>
      <p id="d2e31462">The model can be particularized as follows: <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e31467">For a windless atmosphere (<inline-formula><mml:math id="M706" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in which the altitude derivatives of the background temperature and kinematic viscosity are neglected, we set<disp-formula id="App1.Ch1.S1.E163" content-type="numbered"><label>A47</label><mml:math id="M707" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext> and </mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>In this case, the density scale height <inline-formula><mml:math id="M708" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coincides with the atmospheric scale height <inline-formula><mml:math id="M709" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which satisfies<disp-formula id="App1.Ch1.S1.E164" content-type="numbered"><label>A48</label><mml:math id="M710" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and is given by<disp-formula id="App1.Ch1.S1.E165" content-type="numbered"><label>A49</label><mml:math id="M711" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>constant</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e31780">For an atmosphere without ion drag, we set<disp-formula id="App1.Ch1.S1.E166" content-type="numbered"><label>A50</label><mml:math id="M712" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext> and </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item></list></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS4">
  <label>A4</label><title>Dispersion equation</title>
      <p id="d2e31841">For <inline-formula><mml:math id="M713" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E167" content-type="numbered"><label>A51</label><mml:math id="M714" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M715" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes <inline-formula><mml:math id="M716" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M717" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M718" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M719" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes <inline-formula><mml:math id="M720" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M721" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M722" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Inserting Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E167"/>) into Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E160"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E162"/>) yields a homogeneous system of equations. In <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33" id="text.91"/>, the dispersion relation reported in their Eq. (3.35) was derived by setting the determinant of the corresponding coefficient matrix equal to zero and applying the variable transformation described in their Sect. 2.2. Using the equivalences discussed above, namely the different harmonic convention, the relation <inline-formula><mml:math id="M723" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the different definitions of the state vector, their Eq. (3.35) can be written in the form</p>
      <p id="d2e32049"><disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M724" display="block"><mml:mtable rowspacing="0ex 4.3pt 0ex" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>k</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E168"><mml:mtd><mml:mtext>A52</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e32384">For a windless atmosphere without ion drag, in which the gradients of the background temperature and kinematic viscosity are neglected, the dispersion equation reduces to the cubic equation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="paren.92"/>

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E169" content-type="numbered"><label>A53</label><mml:math id="M725" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          for <inline-formula><mml:math id="M726" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M727" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, or equivalently, <inline-formula><mml:math id="M728" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E170" content-type="numbered"><label>A54</label><mml:math id="M729" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The coefficients of the cubic equations are given by

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M730" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E171"><mml:mtd><mml:mtext>A55</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E172"><mml:mtd><mml:mtext>A56</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E173"><mml:mtd><mml:mtext>A57</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E174"><mml:mtd><mml:mtext>A58</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M731" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E175"><mml:mtd><mml:mtext>A59</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mtext>a</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          If <inline-formula><mml:math id="M732" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M733" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the solutions of the dispersion equation, the corresponding vertical wavenumbers <inline-formula><mml:math id="M734" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are given by

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E176" content-type="numbered"><label>A60</label><mml:math id="M735" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The wavenumbers <inline-formula><mml:math id="M736" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M737" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are associated with ascending modes, whereas the wavenumbers <inline-formula><mml:math id="M738" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M739" display="inline"><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> correspond to descending modes. Ordering the ascending wavenumbers as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.Ex58"><mml:math id="M740" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mtext>Im</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          we identify (i) <inline-formula><mml:math id="M741" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M742" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as ascending and descending gravity-wave modes, respectively, (ii) <inline-formula><mml:math id="M743" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M744" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as ascending and descending viscosity-wave modes, respectively, and (iii) <inline-formula><mml:math id="M745" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M746" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as ascending and descending thermal-conduction wave modes, respectively. A similar cubic equation was derived by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.93"/> under the assumption that the geomagnetic field is either in the horizontal or the vertical direction.</p>
</sec>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <label>Appendix B</label><title>Derivation of the ion-drag terms</title>
      <p id="d2e33366">In this appendix we derive the expressions for the ion-drag terms that enter the hydrodynamic equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E160"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E162"/>).</p>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS1">
  <label>B1</label><title>Ion equations</title>
      <p id="d2e33380">For each ion species <inline-formula><mml:math id="M747" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the ion continuity equation is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E177" content-type="numbered"><label>B1</label><mml:math id="M748" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and the corresponding ion momentum equation, including pressure gradient, electric field, magnetic field, gravity, and collisions, is

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M749" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E178"><mml:mtd><mml:mtext>B2</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M750" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M751" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M752" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M753" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M754" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the number density, velocity, temperature, mass, and pressure of ion species <inline-formula><mml:math id="M755" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math id="M756" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the electric field, <inline-formula><mml:math id="M757" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:math></inline-formula> the magnetic field, <inline-formula><mml:math id="M758" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the ion charge, and <inline-formula><mml:math id="M759" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the Boltzmann constant <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="paren.94"/>. The quantities <inline-formula><mml:math id="M760" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M761" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the ionization production rate and the loss rate due to chemical processes of ion <inline-formula><mml:math id="M762" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. The neutral wind velocity is <inline-formula><mml:math id="M763" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the collision frequencies <inline-formula><mml:math id="M764" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M765" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> describe ion–neutral and ion–ion collisions.</p>
      <p id="d2e33825">In addition to ion equations, we consider the electron momentum equation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="paren.95"/>

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E179" content-type="numbered"><label>B3</label><mml:math id="M766" display="block"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M767" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M768" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M769" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M770" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M771" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the number density, velocity, temperature, mass, and pressure of electrons. In Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E179"/>), electron inertia is neglected because of the small electron mass, while electron collisional terms are neglected because <inline-formula><mml:math id="M772" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M773" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the electron collision frequencies and <inline-formula><mml:math id="M774" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the electron cyclotron frequency.</p>
      <p id="d2e34018">In the ion momentum equation we neglect the ion inertia and the ion–ion collisions, and introduce the drift velocity <inline-formula><mml:math id="M775" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by writing <inline-formula><mml:math id="M776" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This yields

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E180" content-type="numbered"><label>B4</label><mml:math id="M777" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The momentum equation is projected along the direction of the magnetic field <inline-formula><mml:math id="M778" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and perpendicular to it. The parallel and perpendicular force-balance equations are

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E181" content-type="numbered"><label>B5</label><mml:math id="M779" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E182" content-type="numbered"><label>B6</label><mml:math id="M780" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          respectively, where in general <inline-formula><mml:math id="M781" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M782" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The parallel transport equation for electrons reduces to

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E183" content-type="numbered"><label>B7</label><mml:math id="M783" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M784" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The parallel and perpendicular force-balance equations are solved as follows. We first consider the ambipolar diffusion velocity, and then the electromagnetic drift velocity. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e34487"><italic>Ambipolar diffusion velocity</italic>. For a single dominant ion species of charge <inline-formula><mml:math id="M785" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the parallel force balance equation for ions becomes<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E184" content-type="numbered"><label>B8</label><mml:math id="M786" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="M787" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Inserting Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E183"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E184"/>), gives<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E185" content-type="numbered"><label>B9</label><mml:math id="M788" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula><mml:math id="M789" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Using the ideal-gas relations <inline-formula><mml:math id="M790" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M791" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, assuming quasi-neutrality <inline-formula><mml:math id="M792" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and thermal equilibrium <inline-formula><mml:math id="M793" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E186" content-type="numbered"><label>B10</label><mml:math id="M794" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mtext>A</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E187" content-type="numbered"><label>B11</label><mml:math id="M795" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mtext>A</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext>B</mml:mtext></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>is the ambipolar diffusion coefficient <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx49" id="paren.96"/>.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e34966"><italic>Electromagnetic drift velocity</italic>. Neglecting perpendicular pressure-gradient and gravity terms, which are often small compared to the electromagnetic drift terms, and assuming a collisionless or weakly collisional limit in which the ion–neutral drag term is negligible, the perpendicular momentum balance reduces to<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E188" content-type="numbered"><label>B12</label><mml:math id="M796" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>With <inline-formula><mml:math id="M797" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, this gives <inline-formula><mml:math id="M798" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, whose solution is the electromagnetic drift velocity<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E189" content-type="numbered"><label>B13</label><mml:math id="M799" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>Consequently,<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E190" content-type="numbered"><label>B14</label><mml:math id="M800" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item></list> Collecting all contributions, the ion velocity can be written as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E191" content-type="numbered"><label>B15</label><mml:math id="M801" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M802" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>∥</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the field-aligned neutral velocity, <inline-formula><mml:math id="M803" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the ambipolar diffusion velocity given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E186"/>), and <inline-formula><mml:math id="M804" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the electromagnetic drift velocity given by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E189"/>). This expression follows from the decomposition <inline-formula><mml:math id="M805" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, together with <inline-formula><mml:math id="M806" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>E</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⟂</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so that the perpendicular neutral velocity cancels.</p>
      <p id="d2e35316">In our model, the ion velocity is assumed to be aligned with the magnetic field lines. This assumption is introduced to decouple the hydrodynamic and ion equation systems. Accordingly, the ion velocity is approximated by</p>
      <p id="d2e35320"><disp-formula id="App1.Ch1.S2.E192" content-type="numbered"><label>B16</label><mml:math id="M807" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
          This approximation is justified when perpendicular ion transport is small compared to the dominant field-aligned diffusion. The resulting formulation captures the leading-order effects of ambipolar diffusion along the magnetic field lines, while deliberately neglecting perpendicular electrodynamic coupling, such as cross-field advection and <inline-formula><mml:math id="M808" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">B</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> drifts. Consequently, the model is applicable to regimes in which field-aligned transport dominates and perpendicular electrodynamic effects play a secondary role. We note, however, that the neglect of the electromagnetic drift velocity is not appropriate for all geophysical regimes. At high latitudes, ion convection is largely controlled by magnetospheric forcing <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.97"/>, and realistic modeling generally requires externally imposed convection electric fields, for example from empirical models such as <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx59" id="text.98"/>. At mid-latitudes, perpendicular ion motion may be influenced by inter-hemispheric coupling and neutral-wind differences between conjugate hemispheres <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx36 bib1.bibx2" id="paren.99"/>. A fully self-consistent electrodynamic formulation, in which the electric field is obtained from an electrostatic potential <inline-formula><mml:math id="M809" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> via <inline-formula><mml:math id="M810" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="M811" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> determined from quasi-neutral current continuity and the conductivity-tensor relation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx59" id="paren.100"/>, is therefore beyond the scope of the present study but constitutes an important extension for future work.</p>
      <p id="d2e35426">In the following, for simplicity, the subscript <inline-formula><mml:math id="M812" display="inline"><mml:mo>∥</mml:mo></mml:math></inline-formula> is omitted, and we write <inline-formula><mml:math id="M813" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M814" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M815" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M816" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>∥</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively. Let

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M817" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E193"><mml:mtd><mml:mtext>B17</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M818" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the geomagnetic inclination. The field-aligned derivative is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex3"><mml:math id="M819" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and the scalar field-aligned diffusion velocity becomes (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E186"/>)

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E194" content-type="numbered"><label>B18</label><mml:math id="M820" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mtext>A</mml:mtext></mml:msub><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS2">
  <label>B2</label><title>Linearized equations</title>
      <p id="d2e35827">The linearized continuity equation, together with the linearized expressions for the diffusion velocity, ion-drag force, and ion-drag heating, are as follows. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e35832"><italic>Ion continuity equation</italic>. Neglecting the perturbed production and loss terms, the perturbed ion continuity equation is<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E195" content-type="numbered"><label>B19</label><mml:math id="M821" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>Using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E193"/>) and the standard assumptions <inline-formula><mml:math id="M822" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M823" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M824" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M825" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E196"><mml:mtd><mml:mtext>B20</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e36620"><italic>Diffusion velocity</italic>. For the perturbed diffusion velocity <inline-formula><mml:math id="M826" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have the representation<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M827" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E197"><mml:mtd><mml:mtext>B21</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e36870"><italic>Ion-drag force and ion-drag heating</italic>. For the ion-drag force per unit mass (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E126"/> of Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>),<disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex13"><mml:math id="M828" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>we obtain<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M829" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E198"><mml:mtd><mml:mtext>B22</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E199"><mml:mtd><mml:mtext>B23</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>For the ion-drag heating per unit mass (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E127"/> of Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>)<disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex16"><mml:math id="M830" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>we find<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M831" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E200"><mml:mtd><mml:mtext>B24</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></list-item></list> Under the assumption that, in the ionosphere, the atomic oxygen O and <inline-formula><mml:math id="M832" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>O</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-ions are the main neutral and ionic constituents, we compute the background neutral-ion and ion-neutral collision frequencies as <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx50 bib1.bibx53" id="paren.101"/>

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex19"><mml:math id="M833" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7.22</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">17</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>O</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>O</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and their perturbed values as

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M834" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E201"><mml:mtd><mml:mtext>B25</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E202"><mml:mtd><mml:mtext>B26</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E203"><mml:mtd><mml:mtext>B27</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS3">
  <label>B3</label><title>Decoupled system of equations</title>
      <p id="d2e37813">From Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E196"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E200"/>) we deduce that the hydrodynamic equations should be solved together with the ion continuity and momentum equations by introducing two additional state variables, namely <inline-formula><mml:math id="M835" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M836" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The resulting system then consists of eight equations, obtained by augmenting the hydrodynamic system with the ion continuity and momentum equations. This fully coupled approach was used by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx50" id="text.102"/>.</p>
      <p id="d2e37859">In our analysis we instead employ a simplified, approximate model that decouples the hydrodynamic and ion equations. We have two options. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e37864"><italic>Klostermeyer Approximation</italic>. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="text.103"/> solved the ion-continuity equation by neglecting the  ambipolar diffusion velocity and neutral winds, i.e.,<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M837" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=""><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E204"><mml:mtd><mml:mtext>B28</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="" close=")"><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and then computed the ion-drag force and ion-drag heating by including the background neutral wind, i.e.,<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M838" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E205"><mml:mtd><mml:mtext>B29</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E206"><mml:mtd><mml:mtext>B30</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M839" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E207"><mml:mtd><mml:mtext>B31</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>Klostermeyer's method is best viewed as a semi–diagnostic approximation: one solves a simplified ion continuity equation driven only by the wave-induced divergence, and then evaluates ion-drag force and heating, including <inline-formula><mml:math id="M840" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M841" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but assuming no diffusion velocity. In other words, field-aligned diffusion and background neutral wind are neglected in the ion continuity equation when computing <inline-formula><mml:math id="M842" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the ion drag is treated as a diagnostic based on the neutral wave field and background wind.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e38552"><italic>Fast Field-Aligned Diffusion</italic>. In the second method, we assume that field-aligned diffusion is sufficiently strong that the relative ion perturbation and the perturbed diffusion velocity are nearly constant along the magnetic field line (but can vary across it):<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E208" content-type="numbered"><label>B32</label><mml:math id="M843" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and<disp-formula id="App1.Ch1.S2.E209" content-type="numbered"><label>B33</label><mml:math id="M844" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>We then obtain<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M845" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo mathsize="2.0em">)</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close="" open="("><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E210"><mml:mtd><mml:mtext>B34</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="" close=")"><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M846" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E211"><mml:mtd><mml:mtext>B35</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>The ion-drag force and ion-drag heating are still computed from Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E198"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E200"/>).</p></list-item></list></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S2.SS4">
  <label>B4</label><title>Plane wave solutions</title>
      <p id="d2e39451">Let

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E212" content-type="numbered"><label>B36</label><mml:math id="M847" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E148"/> of Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>)

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex33"><mml:math id="M848" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          As in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>, we introduce the dimensionless state variables <inline-formula><mml:math id="M849" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M850" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M851" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, defined by

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex34"><mml:math id="M852" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          together with their derivatives

            <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex35"><mml:math id="M853" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e39898"><list list-type="order">
            <list-item>

      <p id="d2e39903"><italic>Representation of</italic>  <inline-formula><mml:math id="M854" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. From Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E211"/>) we obtain

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M855" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>A</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E213"><mml:mtd><mml:mtext>B37</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                Using

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M856" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E214"><mml:mtd><mml:mtext>B38</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>A</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E215"><mml:mtd><mml:mtext>B39</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                together with (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E150"/> of Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>)

                      <disp-formula id="App1.Ch1.S2.Ex38"><mml:math id="M857" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

                we express <inline-formula><mml:math id="M858" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as

                  <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E216" content-type="numbered"><label>B40</label><mml:math id="M859" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

                where the <inline-formula><mml:math id="M860" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> coefficients are given by

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M861" display="block"><mml:mtable rowspacing="6pt 6pt 0ex 6pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E217"><mml:mtd><mml:mtext>B41</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E218"><mml:mtd><mml:mtext>B42</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E219"><mml:mtd><mml:mtext>B43</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.63</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E220"><mml:mtd><mml:mtext>B44</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E221"><mml:mtd><mml:mtext>B45</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>A</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                with

                  <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E222" content-type="numbered"><label>B46</label><mml:math id="M862" display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
            </list-item>
            <list-item>

      <p id="d2e40858"><italic>Representation of</italic> <inline-formula><mml:math id="M863" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. From Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E210"/>) we obtain

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M864" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo mathsize="2.0em">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo mathsize="2.0em">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>D</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E223"><mml:mtd><mml:mtext>B47</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                After some manipulations, the expression for <inline-formula><mml:math id="M865" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reads

                  <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E224" content-type="numbered"><label>B48</label><mml:math id="M866" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

                where the <inline-formula><mml:math id="M867" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> coefficients are given by

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M868" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E225"><mml:mtd><mml:mtext>B49</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="" open="["><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E226"><mml:mtd><mml:mtext>B50</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E227"><mml:mtd><mml:mtext>B51</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E228"><mml:mtd><mml:mtext>B52</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E229"><mml:mtd><mml:mtext>B53</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E230"><mml:mtd><mml:mtext>B54</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                and

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M869" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E231"><mml:mtd><mml:mtext>B55</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
            </list-item>
            <list-item>

      <p id="d2e42227"><italic>Ion-drag force and ion-drag heating</italic>. Using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E216"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E224"/>), together with

                  <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E232" content-type="numbered"><label>B56</label><mml:math id="M870" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

                we obtain

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M871" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E233"><mml:mtd><mml:mtext>B57</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E234"><mml:mtd><mml:mtext>B58</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E235"><mml:mtd><mml:mtext>B59</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                With

                  <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E236" content-type="numbered"><label>B60</label><mml:math id="M872" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                the coefficients corresponding to <inline-formula><mml:math id="M873" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M874" display="block"><mml:mtable rowspacing="4pt 4pt 4pt 4pt 4pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E237"><mml:mtd><mml:mtext>B61</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E238"><mml:mtd><mml:mtext>B62</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E239"><mml:mtd><mml:mtext>B63</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E240"><mml:mtd><mml:mtext>B64</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E241"><mml:mtd><mml:mtext>B65</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E242"><mml:mtd><mml:mtext>B66</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                the coefficients corresponding to <inline-formula><mml:math id="M875" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>ID</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M876" display="block"><mml:mtable rowspacing="4pt 4pt 4pt 4pt 4pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E243"><mml:mtd><mml:mtext>B67</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E244"><mml:mtd><mml:mtext>B68</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E245"><mml:mtd><mml:mtext>B69</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E246"><mml:mtd><mml:mtext>B70</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E247"><mml:mtd><mml:mtext>B71</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E248"><mml:mtd><mml:mtext>B72</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

                and the coefficients corresponding to <inline-formula><mml:math id="M877" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mtext>ID</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are

                      <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M878" display="block"><mml:mtable rowspacing="4pt 4pt 4pt 4pt 4pt" displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E249"><mml:mtd><mml:mtext>B73</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E250"><mml:mtd><mml:mtext>B74</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E251"><mml:mtd><mml:mtext>B75</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.37</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E252"><mml:mtd><mml:mtext>B76</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E253"><mml:mtd><mml:mtext>B77</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">W</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S2.E254"><mml:mtd><mml:mtext>B78</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
            </list-item>
          </list>Note that, in the algorithm implementation, the derivatives <inline-formula><mml:math id="M879" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M880" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>D</mml:mtext><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are computed using central finite differences.</p>
</sec>
</app>

<app id="App1.Ch1.S3">
  <label>Appendix C</label><title>Global matrix method with matrix exponential for the grid-point values of the state vector</title>
      <p id="d2e43929">In this appendix, the global matrix method with matrix exponential will be formulated for the grid-point values of the state vector.</p>
      <p id="d2e43932">In the layer <inline-formula><mml:math id="M881" display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with boundaries <inline-formula><mml:math id="M882" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M883" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the discrete values <inline-formula><mml:math id="M884" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M885" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are related through the relation (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>)

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E255" content-type="numbered"><label>C1</label><mml:math id="M886" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        or equivalently,

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E256" content-type="numbered"><label>C2</label><mml:math id="M887" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Taking into account that by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E14"/>), we have <inline-formula><mml:math id="M888" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M889" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>we see that Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E35"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E256"/>) are completely equivalent. Multiplying Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E256"/>) with the scaling matrix <inline-formula><mml:math id="M890" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain the layer equation

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E257" content-type="numbered"><label>C3</label><mml:math id="M891" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M892" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E258"><mml:mtd><mml:mtext>C4</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E259"><mml:mtd><mml:mtext>C5</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        and <inline-formula><mml:math id="M893" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M894" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">K</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are given by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>), respectively. Essentially, we have <inline-formula><mml:math id="M895" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equations imposed on layers <inline-formula><mml:math id="M896" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the <inline-formula><mml:math id="M897" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> unknowns <inline-formula><mml:math id="M898" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. On the layer <inline-formula><mml:math id="M899" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the boundary condition (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E42"/>) <inline-formula><mml:math id="M900" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, translates into (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>)

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E260" content-type="numbered"><label>C6</label><mml:math id="M901" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        while on the layer <inline-formula><mml:math id="M902" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the boundary condition (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E45"/>) <inline-formula><mml:math id="M903" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">a</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> translates into (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>)

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E261" content-type="numbered"><label>C7</label><mml:math id="M904" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        As in Sect. 3, the layer equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E257"/>) together with the boundary conditions (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E260"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E261"/>) for a unit scale factor, are assembled into a system of equations for the stratified atmosphere, i.e.,

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E262" content-type="numbered"><label>C8</label><mml:math id="M905" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M906" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E263"><mml:mtd><mml:mtext>C9</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋱</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="double-struck">A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">I</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E264"><mml:mtd><mml:mtext>C10</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mtext> and </mml:mtext><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">⋮</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        When applying the lower boundary condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E55"/>), <inline-formula><mml:math id="M907" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E264"/>) should be replaced by <inline-formula><mml:math id="M908" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where, for a unit scale factor, <inline-formula><mml:math id="M909" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">b</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. After solving Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E262"/>), we compute the wave amplitudes by using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E61"/>).</p>
      <p id="d2e45080"><italic>Comments</italic>. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e45087">The ascending and descending wave solutions can be derived by using the upward and downward recurrence relations (cf. Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E28"/>–<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E41"/> and <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E44"/>)<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M910" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext> for </mml:mtext><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E265"><mml:mtd><mml:mtext>C11</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtext> with </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext> and</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext> for </mml:mtext><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E266"><mml:mtd><mml:mtext>C12</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mtext> with </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold-italic">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>respectively, where<disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M911" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E267"><mml:mtd><mml:mtext>C13</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S3.E268"><mml:mtd><mml:mtext>C14</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">V</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>Obviously, the relation <inline-formula><mml:math id="M912" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math id="M913" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, can be used to verify the numerical algorithm.</p></list-item><list-item>
      <p id="d2e45526">If we assume that the ascending-wave contributions are dominant, i.e., <inline-formula><mml:math id="M914" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M915" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we may compute the state vector by means of the upward recurrence relation (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E265"/>)<disp-formula id="App1.Ch1.S3.E269" content-type="numbered"><label>C15</label><mml:math id="M916" display="block"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext> for </mml:mtext><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext> with </mml:mtext><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p></list-item></list></p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S4">
  <label>Appendix D</label><title>Implementation issues</title>
      <p id="d2e45652">In this appendix, we discuss several implementation issues related to the choice of frequency and time discretization for the Fourier transform and the determination of the imaginary frequency shift.</p>
<sec id="App1.Ch1.S4.SS1">
  <label>D1</label><title>Frequency and time discretization for the Fourier transform</title>
      <p id="d2e45662">The Fourier transform is evaluated by direct numerical discretization of the Fourier integral rather than by a Fast Fourier Transform (FFT). The frequency interval is centered on the reference frequency <inline-formula><mml:math id="M917" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while the time interval is chosen sufficiently large to contain the temporal support of the source function.</p>
      <p id="d2e45676">The Fourier integral is discretized over a frequency band centered on the reference frequency <inline-formula><mml:math id="M918" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The frequency standard deviation is defined as <inline-formula><mml:math id="M919" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M920" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an input parameter. The frequency band is chosen to cover approximately <inline-formula><mml:math id="M921" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., <inline-formula><mml:math id="M922" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M923" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and is discretized using <inline-formula><mml:math id="M924" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>FT</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> points. The corresponding time standard deviation is <inline-formula><mml:math id="M925" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The time interval is chosen to contain <inline-formula><mml:math id="M926" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> periods of the reference wave, and is discretized using the same number <inline-formula><mml:math id="M927" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>FT</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of points. The time grid is defined on the interval <inline-formula><mml:math id="M928" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M929" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M930" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the simulations we use <inline-formula><mml:math id="M931" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>FT</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">256</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M932" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">κ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">20</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M933" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>p</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M934" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. These discretization parameters were used in all simulations presented in this paper and were verified to provide accurate Fourier-transform reconstructions of the source function while avoiding significant aliasing and truncation errors.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S4.SS2">
  <label>D2</label><title>Imaginary frequency shift</title>
      <p id="d2e46000">The imaginary frequency shift is determined using a heuristic approach that combines two criteria: application of the Layerwise Causality (LC) condition at selected altitude levels, and a Source-Function Reconstruction (SFR) test. <list list-type="order"><list-item>
      <p id="d2e46005"><italic>LC condition at selected altitude levels</italic>. Choose a subset <inline-formula><mml:math id="M935" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⊂</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of altitude indices, and let <inline-formula><mml:math id="M936" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the number of elements of the set <inline-formula><mml:math id="M937" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., <inline-formula><mml:math id="M938" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Choose lower and upper bounds, <inline-formula><mml:math id="M939" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>start</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M940" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>stop</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, for the imaginary frequency shift <inline-formula><mml:math id="M941" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. At each altitude level <inline-formula><mml:math id="M942" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, start with <inline-formula><mml:math id="M943" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>start</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and increases <inline-formula><mml:math id="M944" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in steps of <inline-formula><mml:math id="M945" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., <inline-formula><mml:math id="M946" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>←</mml:mo><mml:mo>min⁡</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>stop</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, until the LC condition (cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E108"/>)<disp-formula id="App1.Ch1.S4.E270" content-type="numbered"><label>D1</label><mml:math id="M947" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mtext>LC</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>is satisfied for all <inline-formula><mml:math id="M948" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M949" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>FT</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and some prescribed tolerance <inline-formula><mml:math id="M950" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mtext>LC</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If there exists an altitude level for which it is not possible to satisfy the LC condition for all frequencies <inline-formula><mml:math id="M951" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by increasing the imaginary frequency shift within the interval from the start value <inline-formula><mml:math id="M952" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>start</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the stop value <inline-formula><mml:math id="M953" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>stop</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then the subset-based LC criterion is said to fail. Otherwise, the LC frequency shift is computed as<disp-formula id="App1.Ch1.S4.E271" content-type="numbered"><label>D2</label><mml:math id="M954" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>LC</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">max⁡</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item>
      <p id="d2e46509"><italic>SFR</italic>. A frequency shift <inline-formula><mml:math id="M955" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is considered valid if the relative RMS error between the source function <inline-formula><mml:math id="M956" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the inverse Fourier transform applied to <inline-formula><mml:math id="M957" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is below a prescribed tolerance <inline-formula><mml:math id="M958" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mtext>SFR</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In practice, we compare the normalized functions<disp-formula id="App1.Ch1.S4.Ex1"><mml:math id="M959" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>max⁡</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>max⁡</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Re</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where (compare with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E115"/>)<disp-formula id="App1.Ch1.S4.E272" content-type="numbered"><label>D3</label><mml:math id="M960" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">A</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and <inline-formula><mml:math id="M961" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M962" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">S</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are given by Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E84"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E92"/>), respectively. The relative RMS error is computed as<disp-formula id="App1.Ch1.S4.E273" content-type="numbered"><label>D4</label><mml:math id="M963" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>FT</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>FT</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="true" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with <inline-formula><mml:math id="M964" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M965" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mtext>FT</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the algorithm, <list list-type="custom"><list-item><label>a.</label>
      <p id="d2e47001">if <inline-formula><mml:math id="M966" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mtext>SFR</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the frequency shift is relaxed according to <inline-formula><mml:math id="M967" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>←</mml:mo><mml:mtext>max</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>stop</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and</p></list-item><list-item><label>b.</label>
      <p id="d2e47057">if <inline-formula><mml:math id="M968" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mtext>SFR</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> also holds for <inline-formula><mml:math id="M969" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mtext>stop</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the SFR test fails.</p></list-item></list></p></list-item></list> Starting from prescribed bounds <inline-formula><mml:math id="M970" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>min⁡</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M971" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>max⁡</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the SFR check is first used to identify a numerically reliable interval of frequency shifts. The LC condition at selected altitude levels is then applied within this interval, yielding a refined interval of admissible frequency shifts. To select a representative value, <inline-formula><mml:math id="M972" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equidistant frequency shifts are sampled from the admissible interval. For each value, the LC condition is verified over the full altitude range. Whenever this condition is satisfied, the corresponding wave parameters and maximum perturbation amplitudes are computed. The final frequency shift is chosen as the one whose maximum-amplitude vector is closest to the center of mass in the space spanned by the maximum horizontal velocity, maximum vertical velocity, and maximum temperature perturbation.</p>
</sec>
</app>
  </app-group><notes notes-type="codedataavailability"><title>Code and data availability</title>

      <p id="d2e47135">The designed model is freely available as open-source code at <uri>https://github.com/AlexandruDoicu/Gravity-Waves</uri> (last access: 1 June 2026) and <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.21410453" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.21410453</ext-link> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="paren.104"/>. The International Reference Ionosphere (IRI) code data files are available at <uri>https://ccmc.gsfc.nasa.gov/models/IRI~2016/</uri> (last access: 1 June 2026). The SAMI2 model of the Naval Research Laboratory is avaliable at  <uri>https://github.com/NRL-Plasma-Physics-Division/SAMI2</uri> (last access: 1 June 2025).</p>
  </notes><notes notes-type="authorcontribution"><title>Author contributions</title>

      <p id="d2e47156">AlD: writing (original draft preparation), and conceptualization. DSE: writing (original draft preparation), and validation. TT: writing (original draft preparation), and formal analysis.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d2e47163">The contact author has declared that none of the authors has any competing interests.</p>
  </notes><notes notes-type="disclaimer"><title>Disclaimer</title>

      <p id="d2e47169">Publisher's note: Copernicus Publications remains neutral with regard to jurisdictional claims made in the text, published maps, institutional affiliations, or any other geographical representation in this paper. The authors bear the ultimate responsibility for providing appropriate place names. Views expressed in the text are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the publisher.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p id="d2e47175">We are grateful to Harold Knight for his helpful and insightful comments and for his detailed explanations of the theoretical results of his work. We also thank Stephan Buchert for his pertinent comments, especially those concerning ion drag.</p></ack><notes notes-type="financialsupport"><title>Financial support</title>

      <p id="d2e47180">The article processing charges for this open-access publication were covered by the German Aerospace Center (DLR).</p>
  </notes><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d2e47186">This paper was edited by Gunter Stober and reviewed by Harold Knight and Stephan C. Buchert.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><label>Anderson et al.(1999)Anderson, Bai, Bischof, Blackford, Demmel, Dongarra, Du Croz, Greenbaum, Hammarling, McKenney, and Sorensen</label><mixed-citation>Anderson, E., Bai, Z., Bischof, C., Blackford, L. S., Demmel, J., Dongarra, J., Du Croz, J., Greenbaum, A., Hammarling, S., McKenney, A., and Sorensen, D.: LAPACK Users’ Guide, Society for Industrial and Applied Mathematics, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1137/1.9780898719604" ext-link-type="DOI">10.1137/1.9780898719604</ext-link>, 1999.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><label>Buchert(2020)</label><mixed-citation>Buchert, S. C.: Entangled dynamos and Joule heating in the Earth's ionosphere, Ann. Geophys., 38, 1019–1030, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/angeo-38-1019-2020" ext-link-type="DOI">10.5194/angeo-38-1019-2020</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><label>Budak et al.(2011)Budak, Klyuykov, and Korkin</label><mixed-citation>Budak, V. P., Klyuykov, D. A., and Korkin, S. V.: Complete matrix solution of radiative transfer equation for PILE of horizontally homogeneous slabs, J. Quant. Spectrosc. Ra., 112, 1141–1148, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.08.028" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2010.08.028</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><label>Budak et al.(2012)Budak, Efremenko, and Shagalov</label><mixed-citation>Budak, V. P., Efremenko, D. S., and Shagalov, O. V.: Efficiency of algorithm for solution of vector radiative transfer equation in turbid medium slab, J. Phys. Conf. Ser., 369, 012021, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/1742-6596/369/1/012021" ext-link-type="DOI">10.1088/1742-6596/369/1/012021</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><label>Chandrasekhar(1960)</label><mixed-citation> Chandrasekhar, S.: Radiative Transfer, Dover Publications, Inc., New York, ISBN   9780486605906, 1960.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><label>Dalgarno and Smith(1962)</label><mixed-citation>Dalgarno, A. and Smith, F.: The thermal conductivity and viscosity of atomic oxygen, Planet. Space Sci., 9, 1–2, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0032-0633(62)90064-8" ext-link-type="DOI">10.1016/0032-0633(62)90064-8</ext-link>, 1962.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><label>Doicu and Efremenko(2026)</label><mixed-citation>Doicu, A. and Efremenko, D.: AlexandruDoicu/Gravity-Waves: Gravity Waves Code (Version v1.0.0),  Zenodo [code], <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.21410453" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.21410453</ext-link>, 2026.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><label>Doicu and Trautmann(2009a)</label><mixed-citation>Doicu, A. and Trautmann, T.: Discrete-ordinate method with matrix exponential for a pseudo-spherical atmosphere: Scalar case, J. Quant. Spectrosc. Ra., 110, 146–158, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.09.014" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2008.09.014</ext-link>, 2009a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><label>Doicu and Trautmann(2009b)</label><mixed-citation>Doicu, A. and Trautmann, T.: Discrete-ordinate method with matrix exponential for a pseudo-spherical atmosphere: Vector case, J. Quant. Spectrosc. Ra., 110, 159–172, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.09.013" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2008.09.013</ext-link>, 2009b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><label>Drob et al.(2015)Drob, Emmert, Meriwether, Makela, Doornbos, Conde, Hernandez, Noto, Zawdie, McDonald, Huba, and Klenzing</label><mixed-citation>Drob, D. P., Emmert, J. T., Meriwether, J. W., Makela, J. J., Doornbos, E., Conde, M., Hernandez, G., Noto, J., Zawdie, K. A., McDonald, S. E., Huba, J. D., and Klenzing, J. H.: An update to the Horizontal Wind Model (HWM): The quiet time thermosphere, Earth Space Sci., 2, 301–319, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2014ea000089" ext-link-type="DOI">10.1002/2014ea000089</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><label>Dungey(1961)</label><mixed-citation>Dungey, J. W.: Interplanetary Magnetic Field and the Auroral Zones, Phys. Rev. Lett., 6, 47–48, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1103/physrevlett.6.47" ext-link-type="DOI">10.1103/physrevlett.6.47</ext-link>, 1961.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><label>Efremenko et al.(2017)Efremenko, Molina García, Gimeno García, and Doicu</label><mixed-citation>Efremenko, D. S., Molina García, V., Gimeno García, S., and Doicu, A.: A review of the matrix-exponential formalism in radiative transfer, J. Quant. Spectrosc. Ra., 196, 17–45, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.02.015" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2017.02.015</ext-link>, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><label>Emmert et al.(2021)Emmert, Drob, Picone, Siskind, Jones, Mlynczak, Bernath, Chu, Doornbos, Funke, Goncharenko, Hervig, Schwartz, Sheese, Vargas, Williams, and Yuan</label><mixed-citation>Emmert, J. T., Drob, D. P., Picone, J. M., Siskind, D. E., Jones, M., Mlynczak, M. G., Bernath, P. F., Chu, X., Doornbos, E., Funke, B., Goncharenko, L. P., Hervig, M. E., Schwartz, M. J., Sheese, P. E., Vargas, F., Williams, B. P., and Yuan, T.: NRLMSIS 2.0: A Whole‐Atmosphere Empirical Model of Temperature and Neutral Species Densities, Earth Space Sci., 8, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2020ea001321" ext-link-type="DOI">10.1029/2020ea001321</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><label>Francis(1973)</label><mixed-citation>Francis, S. H.: Acoustic-gravity modes and large-scale traveling ionospheric disturbances of a realistic, dissipative atmosphere, J. Geophys. Res., 78, 2278–2301, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/ja078i013p02278" ext-link-type="DOI">10.1029/ja078i013p02278</ext-link>, 1973.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><label>Fritts et al.(2015)Fritts, Laughman, Lund, and Snively</label><mixed-citation>Fritts, D. C., Laughman, B., Lund, T. S., and Snively, J. B.: Self‐acceleration and instability of gravity wave packets: 1. Effects of temporal localization, J. Geophys. Res.-Atmos., 120, 8783–8803, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2015jd023363" ext-link-type="DOI">10.1002/2015jd023363</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><label>Fuller-Rowell and Rees(1984)</label><mixed-citation>Fuller-Rowell, T. and Rees, D.: Interpretation of an anticipated long-lived vortex in the lower thermosphere following simulation of an isolated substorm, Planet. Space Sci., 32, 69–85, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0032-0633(84)90043-6" ext-link-type="DOI">10.1016/0032-0633(84)90043-6</ext-link>, 1984.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><label>Heale et al.(2014)Heale, Snively, Hickey, and Ali</label><mixed-citation>Heale, C. J., Snively, J. B., Hickey, M. P., and Ali, C. J.: Thermospheric dissipation of upward propagating gravity wave packets, J. Geophys. Res.-Space, 119, 3857–3872, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2013ja019387" ext-link-type="DOI">10.1002/2013ja019387</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><label>Hedin(1987)</label><mixed-citation>Hedin, A. E.: MSIS‐86 Thermospheric Model, J. Geophys. Res.-Space, 92, 4649–4662, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/ja092ia05p04649" ext-link-type="DOI">10.1029/ja092ia05p04649</ext-link>, 1987.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><label>Hedin et al.(1991)Hedin, Biondi, Burnside, Hernandez, Johnson, Killeen, Mazaudier, Meriwether, Salah, Sica, Smith, Spencer, Wickwar, and Virdi</label><mixed-citation>Hedin, A. E., Biondi, M. A., Burnside, R. G., Hernandez, G., Johnson, R. M., Killeen, T. L., Mazaudier, C., Meriwether, J. W., Salah, J. E., Sica, R. J., Smith, R. W., Spencer, N. W., Wickwar, V. B., and Virdi, T. S.: Revised global model of thermosphere winds using satellite and ground‐based observations, J. Geophys. Res.-Space, 96, 7657–7688, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/91ja00251" ext-link-type="DOI">10.1029/91ja00251</ext-link>, 1991.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><label>Hickey et al.(1998)Hickey, Taylor, Gardner, and Gibbons</label><mixed-citation>Hickey, M. P., Taylor, M. J., Gardner, C. S., and Gibbons, C. R.: Full‐wave modeling of small‐scale gravity waves using Airborne Lidar and Observations of the Hawaiian Airglow (ALOHA‐93) O(1S) images and coincident Na wind/temperature lidar measurements, J. Geophys. Res.-Atmos., 103, 6439–6453, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/97jd03373" ext-link-type="DOI">10.1029/97jd03373</ext-link>, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><label>Hickey et al.(2009)Hickey, Schubert, and Walterscheid</label><mixed-citation>Hickey, M. P., Schubert, G., and Walterscheid, R. L.: Propagation of tsunami‐driven gravity waves into the thermosphere and ionosphere, J. Geophys. Res.-Space, 114, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2009ja014105" ext-link-type="DOI">10.1029/2009ja014105</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx22"><label>Hines(1960)</label><mixed-citation>Hines, C. O.: Internal atmospheric gravity waves at ionosphric heights, Can. J. Phys., 38, 1441–1481, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1139/p60-150" ext-link-type="DOI">10.1139/p60-150</ext-link>, 1960.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><label>Hines(1973)</label><mixed-citation>Hines, C. O.: A critique of multilayer analyses in application to the propagation of acoustic-gravity waves, J. Geophys. Res., 78, 265–273, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/ja078i001p00265" ext-link-type="DOI">10.1029/ja078i001p00265</ext-link>, 1973.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><label>Huba(2023)</label><mixed-citation>Huba, J. D.: On the Development of the SAMI2 Ionosphere Model, Perspect. Earth Space Sci., 4, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2022cn000195" ext-link-type="DOI">10.1029/2022cn000195</ext-link>, 2023.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><label>Huba et al.(2000)Huba, Joyce, and Fedder</label><mixed-citation>Huba, J. D., Joyce, G., and Fedder, J. A.: Sami2 is Another Model of the Ionosphere (SAMI2): A new low‐latitude ionosphere model, J. Geophys. Res.-Space, 105, 23035–23053, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2000ja000035" ext-link-type="DOI">10.1029/2000ja000035</ext-link>, 2000.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><label>Huba et al.(2008)Huba, Joyce, and Krall</label><mixed-citation>Huba, J. D., Joyce, G., and Krall, J.: Three‐dimensional equatorial spread F modeling, Geophys. Res. Lett., 35, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2008gl033509" ext-link-type="DOI">10.1029/2008gl033509</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx27"><label>Inoue and Horowitz(1966)</label><mixed-citation>Inoue, Y. and Horowitz, S.: Numerical Solution of Full‐Wave Equation With Mode Coupling, Radio Sci., 1, 957–970, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/rds196618957" ext-link-type="DOI">10.1002/rds196618957</ext-link>, 1966.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><label>Kattawar et al.(1973)Kattawar, Plass, and Catchings</label><mixed-citation>Kattawar, G. W., Plass, G. N., and Catchings, F. E.: Matrix Operator Theory of Radiative Transfer 2: Scattering from Maritime Haze, Appl. Optics, 12, 1071, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1364/ao.12.001071" ext-link-type="DOI">10.1364/ao.12.001071</ext-link>, 1973.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx29"><label>Klostermeyer(1972)</label><mixed-citation>Klostermeyer, J.: Numerical calculation of gravity wave propagation in a realistic thermosphere, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 34, 765–774, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0021-9169(72)90109-2" ext-link-type="DOI">10.1016/0021-9169(72)90109-2</ext-link>, 1972.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><label>Klostermeyer(1980)</label><mixed-citation>Klostermeyer, J.: Computation of acoustic‐gravity waves, Kelvin‐Helmholtz instabilities,and wave‐induced eddy transport in realistic atmospheric models, J. Geophys. Res.-Oceans, 85, 2829–2839, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/jc085ic05p02829" ext-link-type="DOI">10.1029/jc085ic05p02829</ext-link>, 1980.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx31"><label>Knight et al.(2021)Knight, Broutman, Eckermann, and Doyle</label><mixed-citation>Knight, H., Broutman, D., Eckermann, S., and Doyle, J.: A single-mode approximation for gravity waves in the thermosphere, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 224, 105749, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jastp.2021.105749" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jastp.2021.105749</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><label>Knight et al.(2022)Knight, Broutman, and Eckermann</label><mixed-citation>Knight, H., Broutman, D., and Eckermann, S.: Full-wave anelastic and compressible Fourier methods for gravity waves in the thermosphere, Wave Mot., 110, 102894, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2022.102894" ext-link-type="DOI">10.1016/j.wavemoti.2022.102894</ext-link>, 2022.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx33"><label>Knight et al.(2024)Knight, Broutman, and Eckermann</label><mixed-citation>Knight, H., Broutman, D., and Eckermann, S.: Compressible and anelastic governing-equation solution methods for thermospheric gravity waves with realistic background parameters, Theor. Comput. Fluid Dyn., 38, 479–509, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00162-024-00709-x" ext-link-type="DOI">10.1007/s00162-024-00709-x</ext-link>, 2024.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><label>Knight et al.(2019)Knight, Broutman, and Eckermann</label><mixed-citation>Knight, H. K., Broutman, D., and Eckermann, S. D.: A causality-preserving Fourier method for gravity waves in a viscous, thermally diffusive, and vertically varying atmosphere, Wave Mot., 88, 226–256, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2019.06.001" ext-link-type="DOI">10.1016/j.wavemoti.2019.06.001</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx35"><label>Knight et al.(2025)Knight, Richards, Martinis, and Goncharenko</label><mixed-citation>Knight, H. K., Richards, P. G., Martinis, C. R., and Goncharenko, L. P.: Modeling MSTIDs Produced by Gravity Waves With Parameters Obtained From All‐Sky Imager Observations and Comparisons to Incoherent Scatter Radar Observations, J. Geophys. Res.-Space., 130, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2025ja033906" ext-link-type="DOI">10.1029/2025ja033906</ext-link>, 2025.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx36"><label>Laundal et al.(2025)Laundal, Skeidsvoll, Popescu Braileanu, Hatch, Olsen, and Vanhamäki</label><mixed-citation>Laundal, K. M., Skeidsvoll, A. S., Popescu Braileanu, B., Hatch, S. M., Olsen, N., and Vanhamäki, H.: Global inductive magnetosphere-ionosphere- thermosphere coupling, Ann. Geophys., 43, 803–833, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/angeo-43-803-2025" ext-link-type="DOI">10.5194/angeo-43-803-2025</ext-link>, 2025.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx37"><label>Lindzen and Kuo(1969)</label><mixed-citation>Lindzen, R. S. and Kuo, H.-L.: A Reliable Method for the Numerical Integration of a Large Class of Ordinary and Partial Differential Equations, Month. Weather Rev., 97, 732–734, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1969)097&lt;0732:armftn&gt;2.3.co;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0493(1969)097&lt;0732:armftn&gt;2.3.co;2</ext-link>, 1969.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx38"><label>Liu et al.(2013)Liu, Xu, Yue, and Vadas</label><mixed-citation>Liu, X., Xu, J., Yue, J., and Vadas, S. L.: Numerical modeling study of the momentum deposition of small amplitude gravity waves in the thermosphere, Ann. Geophys., 31, 1–14, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/angeo-31-1-2013" ext-link-type="DOI">10.5194/angeo-31-1-2013</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx39"><label>Maeda(1985)</label><mixed-citation>Maeda, S.: Numerical solutions of the coupled equations for acoustic-gravity waves in the upper thermosphere, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 47, 965–972, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0021-9169(85)90074-1" ext-link-type="DOI">10.1016/0021-9169(85)90074-1</ext-link>, 1985.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx40"><label>Midgley and Liemohn(1966)</label><mixed-citation>Midgley, J. E. and Liemohn, H. B.: Gravity waves in a realistic atmosphere, J. Geophys. Res., 71, 3729–3748, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/jz071i015p03729" ext-link-type="DOI">10.1029/jz071i015p03729</ext-link>, 1966.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx41"><label>Nakajima and Tanaka(1986)</label><mixed-citation>Nakajima, T. and Tanaka, M.: Matrix formulations for the transfer of solar radiation in a plane-parallel scattering atmosphere, J. Quant. Spectrosc. Ra., 35, 13–21, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0022-4073(86)90088-9" ext-link-type="DOI">10.1016/0022-4073(86)90088-9</ext-link>, 1986.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx42"><label>Pérez-Álvarez and García-Moliner(2004)</label><mixed-citation> Pérez-Álvarez, R. and García-Moliner, F.: Transfer Matrix, Green Function, And Related Techniques: Tools For The Study Of Multilayer Heterostructures, Universitat Jaume I, Castelló de la Plana, Spain, ISBN 978-84-8021-472-8, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx43"><label>Pfeffer and Zarichny(1962)</label><mixed-citation>Pfeffer, R. L. and Zarichny, J.: Acoustic-Gravity Wave Propagation from Nuclear Explosions in the Earth’s Atmosphere, J. Atmos. Sci., 19, 256–263, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1962)019&lt;0256:agwpfn&gt;2.0.co;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0469(1962)019&lt;0256:agwpfn&gt;2.0.co;2</ext-link>, 1962.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx44"><label>Plass et al.(1973)Plass, Kattawar, and Catchings</label><mixed-citation>Plass, G. N., Kattawar, G. W., and Catchings, F. E.: Matrix Operator Theory of Radiative Transfer 1: Rayleigh Scattering, Appl. Optics, 12, 314, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1364/ao.12.000314" ext-link-type="DOI">10.1364/ao.12.000314</ext-link>, 1973. </mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx45"><label>Pütz et al.(2019)Pütz, Schlutow, and Klein</label><mixed-citation>Pütz, C., Schlutow, M., and Klein, R.: Initiation of ray tracing models: evolution of small-amplitude gravity wave packets in non-uniform background, Theor. Comput. Fluid Dyn., 33, 509–535, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00162-019-00504-z" ext-link-type="DOI">10.1007/s00162-019-00504-z</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx46"><label>Reinsch(1967)</label><mixed-citation>N Reinsch, C. H.: Smoothing by spline functions, Numer. Math., 10, 177–183, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/bf02162161" ext-link-type="DOI">10.1007/bf02162161</ext-link>, 1967.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx47"><label>Richards and Peterson(2008)</label><mixed-citation>Richards, P. G. and Peterson, W. K.: Measured and modeled backscatter of ionospheric photoelectron fluxes, J. Geophys. Res.-Space, 113, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2008ja013092" ext-link-type="DOI">10.1029/2008ja013092</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx48"><label>Richmond and Matsushita(1975)</label><mixed-citation>Richmond, A. D. and Matsushita, S.: Thermospheric response to a magnetic substorm, J. Geophys. Res., 80, 2839–2850, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/ja080i019p02839" ext-link-type="DOI">10.1029/ja080i019p02839</ext-link>, 1975.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx49"><label>Schunk and Nagy(2009)</label><mixed-citation>Schunk, R. and Nagy, A.: Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Chemistry, Cambridge University Press, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1017/cbo9780511635342" ext-link-type="DOI">10.1017/cbo9780511635342</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx50"><label>Shibata(1983)</label><mixed-citation>Shibata, T.: A numerical calculation of the ionospheric response to atmospheric gravity waves in the F-region, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 45, 797–809, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/s0021-9169(22)00009-5" ext-link-type="DOI">10.1016/s0021-9169(22)00009-5</ext-link>, 1983.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx51"><label>Stamnes(1986)</label><mixed-citation>Stamnes, K.: The theory of multiple scattering of radiation in plane parallel atmospheres, Rev. Geophys., 24, 299–310, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/rg024i002p00299" ext-link-type="DOI">10.1029/rg024i002p00299</ext-link>, 1986.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx52"><label>Stamnes and Swanson(1981)</label><mixed-citation>Stamnes, K. and Swanson, R.: A New Look at the Discrete Ordinate Method for Radiative Transfer Calculations in Anisotropically Scattering Atmospheres, J. Atmos. Sci., 38, 387–389, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1981)038&lt;0387:ANLATD&gt;2.0.CO" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0469(1981)038&lt;0387:ANLATD&gt;2.0.CO</ext-link>, 1981.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx53"><label>Stubbe(1968)</label><mixed-citation>Stubbe, P.: Frictional forces and collision frequencies between moving ion and neutral gases, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 30, 1965–1985, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0021-9169(68)90004-4" ext-link-type="DOI">10.1016/0021-9169(68)90004-4</ext-link>, 1968.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx54"><label>Vadas and Nicolls(2012)</label><mixed-citation>Vadas, S. L. and Nicolls, M. J.: The phases and amplitudes of gravity waves propagating and dissipating in the thermosphere: Theory, J. Geophys. Res.-Space, 117, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2011ja017426" ext-link-type="DOI">10.1029/2011ja017426</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx55"><label>van de Hulst(1963)</label><mixed-citation> van de Hulst, H.: A new look at multiple scattering. Tech. Rep., Goddard Institute for Space Studies, NASA TM-I03044, 81 pp., 1963.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx56"><label>Volland(1969a)</label><mixed-citation>Volland, H.: Full wave calculations of gravity wave propagation through the thermosphere, J. Geophys. Res., 74, 1786–1795, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/ja074i007p01786" ext-link-type="DOI">10.1029/ja074i007p01786</ext-link>, 1969a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx57"><label>Volland(1969b)</label><mixed-citation>Volland, H.: The upper atmosphere as a multiply refractive medium for neutral air motions, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 31, 491–514, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0021-9169(69)90002-6" ext-link-type="DOI">10.1016/0021-9169(69)90002-6</ext-link>, 1969b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx58"><label>Wahba(1990)</label><mixed-citation>Wahba, G.: Spline Models for Observational Data, Society for Industrial and Applied Mathematics, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1137/1.9781611970128" ext-link-type="DOI">10.1137/1.9781611970128</ext-link>, 1990.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx59"><label>Weimer(2005)</label><mixed-citation>Weimer, D. R.: Improved ionospheric electrodynamic models and application to calculating Joule heating rates, J. Geophys. Res.-Space, 110, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2004ja010884" ext-link-type="DOI">10.1029/2004ja010884</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx60"><label>Wick(1943)</label><mixed-citation>Wick, G. C.: Über ebene Diffusionsprobleme, Z. Phys., 121, 702–718, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/bf01339167" ext-link-type="DOI">10.1007/bf01339167</ext-link>, 1943.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx61"><label>Yeh and Liu(1974)</label><mixed-citation>Yeh, K. C. and Liu, C. H.: Acoustic‐gravity waves in the upper atmosphere, Rev. Geophys., 12, 193–216, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/rg012i002p00193" ext-link-type="DOI">10.1029/rg012i002p00193</ext-link>, 1974.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>A numerical model for solving the linearized gravity-wave  equations by a multilayer method</article-title-html>
<abstract-html/>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Anderson et al.(1999)Anderson, Bai, Bischof, Blackford, Demmel,
Dongarra, Du Croz, Greenbaum, Hammarling, McKenney, and Sorensen</label><mixed-citation>
      
Anderson, E., Bai, Z., Bischof, C., Blackford, L. S., Demmel, J., Dongarra, J.,
Du Croz, J., Greenbaum, A., Hammarling, S., McKenney, A., and Sorensen, D.:
LAPACK Users’ Guide, Society for Industrial and Applied Mathematics, <a href="https://doi.org/10.1137/1.9780898719604" target="_blank">https://doi.org/10.1137/1.9780898719604</a>, 1999.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Buchert(2020)</label><mixed-citation>
      
Buchert, S. C.: Entangled dynamos and Joule heating in the Earth's ionosphere, Ann. Geophys., 38, 1019–1030, <a href="https://doi.org/10.5194/angeo-38-1019-2020" target="_blank">https://doi.org/10.5194/angeo-38-1019-2020</a>, 2020.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Budak et al.(2011)Budak, Klyuykov, and Korkin</label><mixed-citation>
      
Budak, V. P., Klyuykov, D. A., and Korkin, S. V.: Complete matrix solution of
radiative transfer equation for PILE of horizontally homogeneous slabs,
J. Quant. Spectrosc. Ra., 112, 1141–1148,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.08.028" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.08.028</a>, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Budak et al.(2012)Budak, Efremenko, and Shagalov</label><mixed-citation>
      
Budak, V. P., Efremenko, D. S., and Shagalov, O. V.: Efficiency of algorithm
for solution of vector radiative transfer equation in turbid medium slab,
J. Phys. Conf. Ser., 369, 012021,
<a href="https://doi.org/10.1088/1742-6596/369/1/012021" target="_blank">https://doi.org/10.1088/1742-6596/369/1/012021</a>, 2012.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Chandrasekhar(1960)</label><mixed-citation>
      
Chandrasekhar, S.: Radiative Transfer, Dover Publications, Inc., New York, ISBN   9780486605906,
1960.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>Dalgarno and Smith(1962)</label><mixed-citation>
      
Dalgarno, A. and Smith, F.: The thermal conductivity and viscosity of atomic
oxygen, Planet. Space Sci., 9, 1–2,
<a href="https://doi.org/10.1016/0032-0633(62)90064-8" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0032-0633(62)90064-8</a>, 1962.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Doicu and Efremenko(2026)</label><mixed-citation>
      
Doicu, A. and Efremenko, D.: AlexandruDoicu/Gravity-Waves: Gravity Waves Code (Version v1.0.0),  Zenodo [code], <a href="https://doi.org/10.5281/zenodo.21410453" target="_blank">https://doi.org/10.5281/zenodo.21410453</a>, 2026.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Doicu and Trautmann(2009a)</label><mixed-citation>
      
Doicu, A. and Trautmann, T.: Discrete-ordinate method with matrix exponential
for a pseudo-spherical atmosphere: Scalar case, J. Quant. Spectrosc. Ra., 110, 146–158,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.09.014" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.09.014</a>, 2009a.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Doicu and Trautmann(2009b)</label><mixed-citation>
      
Doicu, A. and Trautmann, T.: Discrete-ordinate method with matrix exponential
for a pseudo-spherical atmosphere: Vector case, J. Quant. Spectrosc. Ra., 110, 159–172,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.09.013" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.09.013</a>, 2009b.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Drob et al.(2015)Drob, Emmert, Meriwether, Makela, Doornbos, Conde,
Hernandez, Noto, Zawdie, McDonald, Huba, and Klenzing</label><mixed-citation>
      
Drob, D. P., Emmert, J. T., Meriwether, J. W., Makela, J. J., Doornbos, E.,
Conde, M., Hernandez, G., Noto, J., Zawdie, K. A., McDonald, S. E., Huba,
J. D., and Klenzing, J. H.: An update to the Horizontal Wind Model (HWM): The
quiet time thermosphere, Earth Space Sci., 2, 301–319,
<a href="https://doi.org/10.1002/2014ea000089" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2014ea000089</a>, 2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Dungey(1961)</label><mixed-citation>
      
Dungey, J. W.: Interplanetary Magnetic Field and the Auroral Zones, Phys. Rev. Lett., 6, 47–48, <a href="https://doi.org/10.1103/physrevlett.6.47" target="_blank">https://doi.org/10.1103/physrevlett.6.47</a>, 1961.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Efremenko et al.(2017)Efremenko, Molina García, Gimeno García, and
Doicu</label><mixed-citation>
      
Efremenko, D. S., Molina García, V., Gimeno García, S., and Doicu, A.: A
review of the matrix-exponential formalism in radiative transfer, J. Quant. Spectrosc. Ra., 196, 17–45,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.02.015" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.02.015</a>, 2017.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Emmert et al.(2021)Emmert, Drob, Picone, Siskind, Jones, Mlynczak,
Bernath, Chu, Doornbos, Funke, Goncharenko, Hervig, Schwartz, Sheese, Vargas,
Williams, and Yuan</label><mixed-citation>
      
Emmert, J. T., Drob, D. P., Picone, J. M., Siskind, D. E., Jones, M., Mlynczak,
M. G., Bernath, P. F., Chu, X., Doornbos, E., Funke, B., Goncharenko, L. P.,
Hervig, M. E., Schwartz, M. J., Sheese, P. E., Vargas, F., Williams, B. P.,
and Yuan, T.: NRLMSIS 2.0: A Whole‐Atmosphere Empirical Model of
Temperature and Neutral Species Densities, Earth Space Sci., 8,
<a href="https://doi.org/10.1029/2020ea001321" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2020ea001321</a>, 2021.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Francis(1973)</label><mixed-citation>
      
Francis, S. H.: Acoustic-gravity modes and large-scale traveling ionospheric
disturbances of a realistic, dissipative atmosphere, J. Geophys. Res., 78, 2278–2301, <a href="https://doi.org/10.1029/ja078i013p02278" target="_blank">https://doi.org/10.1029/ja078i013p02278</a>, 1973.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>Fritts et al.(2015)Fritts, Laughman, Lund, and Snively</label><mixed-citation>
      
Fritts, D. C., Laughman, B., Lund, T. S., and Snively, J. B.:
Self‐acceleration and instability of gravity wave packets: 1. Effects of
temporal localization, J. Geophys. Res.-Atmos., 120,
8783–8803, <a href="https://doi.org/10.1002/2015jd023363" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2015jd023363</a>, 2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>Fuller-Rowell and Rees(1984)</label><mixed-citation>
      
Fuller-Rowell, T. and Rees, D.: Interpretation of an anticipated long-lived
vortex in the lower thermosphere following simulation of an isolated
substorm, Planet. Space Sci., 32, 69–85,
<a href="https://doi.org/10.1016/0032-0633(84)90043-6" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0032-0633(84)90043-6</a>, 1984.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Heale et al.(2014)Heale, Snively, Hickey, and Ali</label><mixed-citation>
      
Heale, C. J., Snively, J. B., Hickey, M. P., and Ali, C. J.: Thermospheric
dissipation of upward propagating gravity wave packets, J.
Geophys. Res.-Space, 119, 3857–3872,
<a href="https://doi.org/10.1002/2013ja019387" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2013ja019387</a>, 2014.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Hedin(1987)</label><mixed-citation>
      
Hedin, A. E.: MSIS‐86 Thermospheric Model, J.
Geophys. Res.-Space, 92, 4649–4662, <a href="https://doi.org/10.1029/ja092ia05p04649" target="_blank">https://doi.org/10.1029/ja092ia05p04649</a>, 1987.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Hedin et al.(1991)Hedin, Biondi, Burnside, Hernandez, Johnson,
Killeen, Mazaudier, Meriwether, Salah, Sica, Smith, Spencer, Wickwar, and
Virdi</label><mixed-citation>
      
Hedin, A. E., Biondi, M. A., Burnside, R. G., Hernandez, G., Johnson, R. M.,
Killeen, T. L., Mazaudier, C., Meriwether, J. W., Salah, J. E., Sica, R. J.,
Smith, R. W., Spencer, N. W., Wickwar, V. B., and Virdi, T. S.: Revised
global model of thermosphere winds using satellite and ground‐based
observations, J.
Geophys. Res.-Space, 96,
7657–7688, <a href="https://doi.org/10.1029/91ja00251" target="_blank">https://doi.org/10.1029/91ja00251</a>, 1991.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Hickey et al.(1998)Hickey, Taylor, Gardner, and Gibbons</label><mixed-citation>
      
Hickey, M. P., Taylor, M. J., Gardner, C. S., and Gibbons, C. R.: Full‐wave
modeling of small‐scale gravity waves using Airborne Lidar and Observations
of the Hawaiian Airglow (ALOHA‐93) O(1S) images and coincident Na
wind/temperature lidar measurements, J. Geophys. Res.-Atmos., 103, 6439–6453, <a href="https://doi.org/10.1029/97jd03373" target="_blank">https://doi.org/10.1029/97jd03373</a>, 1998.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Hickey et al.(2009)Hickey, Schubert, and Walterscheid</label><mixed-citation>
      
Hickey, M. P., Schubert, G., and Walterscheid, R. L.: Propagation of
tsunami‐driven gravity waves into the thermosphere and ionosphere, J.
Geophys. Res.-Space, 114, <a href="https://doi.org/10.1029/2009ja014105" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2009ja014105</a>,
2009.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>Hines(1960)</label><mixed-citation>
      
Hines, C. O.: Internal atmospheric gravity waves at ionosphric heights,
Can. J. Phys., 38, 1441–1481, <a href="https://doi.org/10.1139/p60-150" target="_blank">https://doi.org/10.1139/p60-150</a>, 1960.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Hines(1973)</label><mixed-citation>
      
Hines, C. O.: A critique of multilayer analyses in application to the
propagation of acoustic-gravity waves, J. Geophys. Res., 78,
265–273, <a href="https://doi.org/10.1029/ja078i001p00265" target="_blank">https://doi.org/10.1029/ja078i001p00265</a>, 1973.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Huba(2023)</label><mixed-citation>
      
Huba, J. D.: On the Development of the SAMI2 Ionosphere Model, Perspect. Earth Space Sci., 4, <a href="https://doi.org/10.1029/2022cn000195" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2022cn000195</a>, 2023.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Huba et al.(2000)Huba, Joyce, and Fedder</label><mixed-citation>
      
Huba, J. D., Joyce, G., and Fedder, J. A.: Sami2 is Another Model of the
Ionosphere (SAMI2): A new low‐latitude ionosphere model, J.
Geophys. Res.-Space, 105, 23035–23053,
<a href="https://doi.org/10.1029/2000ja000035" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2000ja000035</a>, 2000.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Huba et al.(2008)Huba, Joyce, and Krall</label><mixed-citation>
      
Huba, J. D., Joyce, G., and Krall, J.: Three‐dimensional equatorial spread F
modeling, Geophys. Res. Lett., 35, <a href="https://doi.org/10.1029/2008gl033509" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2008gl033509</a>, 2008.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>Inoue and Horowitz(1966)</label><mixed-citation>
      
Inoue, Y. and Horowitz, S.: Numerical Solution of Full‐Wave Equation With
Mode Coupling, Radio Sci., 1, 957–970, <a href="https://doi.org/10.1002/rds196618957" target="_blank">https://doi.org/10.1002/rds196618957</a>, 1966.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Kattawar et al.(1973)Kattawar, Plass, and Catchings</label><mixed-citation>
      
Kattawar, G. W., Plass, G. N., and Catchings, F. E.: Matrix Operator Theory of
Radiative Transfer 2: Scattering from Maritime Haze, Appl. Optics, 12,
1071, <a href="https://doi.org/10.1364/ao.12.001071" target="_blank">https://doi.org/10.1364/ao.12.001071</a>, 1973.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Klostermeyer(1972)</label><mixed-citation>
      
Klostermeyer, J.: Numerical calculation of gravity wave propagation in a
realistic thermosphere, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 34,
765–774, <a href="https://doi.org/10.1016/0021-9169(72)90109-2" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0021-9169(72)90109-2</a>, 1972.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Klostermeyer(1980)</label><mixed-citation>
      
Klostermeyer, J.: Computation of acoustic‐gravity waves,
Kelvin‐Helmholtz instabilities,and wave‐induced eddy transport in
realistic atmospheric models, J. Geophys. Res.-Oceans, 85,
2829–2839, <a href="https://doi.org/10.1029/jc085ic05p02829" target="_blank">https://doi.org/10.1029/jc085ic05p02829</a>, 1980.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Knight et al.(2021)Knight, Broutman, Eckermann, and
Doyle</label><mixed-citation>
      
Knight, H., Broutman, D., Eckermann, S., and Doyle, J.: A single-mode
approximation for gravity waves in the thermosphere, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 224, 105749,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jastp.2021.105749" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jastp.2021.105749</a>, 2021.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>Knight et al.(2022)Knight, Broutman, and Eckermann</label><mixed-citation>
      
Knight, H., Broutman, D., and Eckermann, S.: Full-wave anelastic and
compressible Fourier methods for gravity waves in the thermosphere, Wave Mot., 110, 102894, <a href="https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2022.102894" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2022.102894</a>, 2022.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>Knight et al.(2024)Knight, Broutman, and Eckermann</label><mixed-citation>
      
Knight, H., Broutman, D., and Eckermann, S.: Compressible and anelastic
governing-equation solution methods for thermospheric gravity waves with
realistic background parameters, Theor. Comput. Fluid Dyn., 38, 479–509, <a href="https://doi.org/10.1007/s00162-024-00709-x" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s00162-024-00709-x</a>, 2024.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Knight et al.(2019)Knight, Broutman, and Eckermann</label><mixed-citation>
      
Knight, H. K., Broutman, D., and Eckermann, S. D.: A causality-preserving
Fourier method for gravity waves in a viscous, thermally diffusive, and
vertically varying atmosphere, Wave Mot., 88, 226–256,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2019.06.001" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2019.06.001</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Knight et al.(2025)Knight, Richards, Martinis, and
Goncharenko</label><mixed-citation>
      
Knight, H. K., Richards, P. G., Martinis, C. R., and Goncharenko, L. P.:
Modeling MSTIDs Produced by Gravity Waves With Parameters Obtained From
All‐Sky Imager Observations and Comparisons to Incoherent Scatter Radar
Observations, J. Geophys. Res.-Space., 130,
<a href="https://doi.org/10.1029/2025ja033906" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2025ja033906</a>, 2025.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>Laundal et al.(2025)Laundal, Skeidsvoll, Popescu Braileanu, Hatch,
Olsen, and Vanhamäki</label><mixed-citation>
      
Laundal, K. M., Skeidsvoll, A. S., Popescu Braileanu, B., Hatch, S. M., Olsen, N., and Vanhamäki, H.: Global inductive magnetosphere-ionosphere- thermosphere coupling, Ann. Geophys., 43, 803–833, <a href="https://doi.org/10.5194/angeo-43-803-2025" target="_blank">https://doi.org/10.5194/angeo-43-803-2025</a>, 2025.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>Lindzen and Kuo(1969)</label><mixed-citation>
      
Lindzen, R. S. and Kuo, H.-L.: A Reliable Method for the Numerical Integration
of a Large Class of Ordinary and Partial Differential Equations, Month.
Weather Rev., 97, 732–734,
<a href="https://doi.org/10.1175/1520-0493(1969)097&lt;0732:armftn&gt;2.3.co;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0493(1969)097&lt;0732:armftn&gt;2.3.co;2</a>, 1969.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>Liu et al.(2013)Liu, Xu, Yue, and Vadas</label><mixed-citation>
      
Liu, X., Xu, J., Yue, J., and Vadas, S. L.: Numerical modeling study of the
momentum deposition of small amplitude gravity waves in the thermosphere,
Ann. Geophys., 31, 1–14, <a href="https://doi.org/10.5194/angeo-31-1-2013" target="_blank">https://doi.org/10.5194/angeo-31-1-2013</a>, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>Maeda(1985)</label><mixed-citation>
      
Maeda, S.: Numerical solutions of the coupled equations for acoustic-gravity
waves in the upper thermosphere, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 47, 965–972, <a href="https://doi.org/10.1016/0021-9169(85)90074-1" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0021-9169(85)90074-1</a>, 1985.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>Midgley and Liemohn(1966)</label><mixed-citation>
      
Midgley, J. E. and Liemohn, H. B.: Gravity waves in a realistic atmosphere,
J. Geophys. Res., 71, 3729–3748,
<a href="https://doi.org/10.1029/jz071i015p03729" target="_blank">https://doi.org/10.1029/jz071i015p03729</a>, 1966.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib41"><label>Nakajima and Tanaka(1986)</label><mixed-citation>
      
Nakajima, T. and Tanaka, M.: Matrix formulations for the transfer of solar
radiation in a plane-parallel scattering atmosphere, J. Quant. Spectrosc. Ra., 35, 13–21,
<a href="https://doi.org/10.1016/0022-4073(86)90088-9" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0022-4073(86)90088-9</a>, 1986.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib42"><label>Pérez-Álvarez and García-Moliner(2004)</label><mixed-citation>
      
Pérez-Álvarez, R. and García-Moliner, F.: Transfer Matrix, Green Function,
And Related Techniques: Tools For The Study Of Multilayer Heterostructures,
Universitat Jaume I, Castelló de la Plana, Spain, ISBN 978-84-8021-472-8, 2004.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib43"><label>Pfeffer and Zarichny(1962)</label><mixed-citation>
      
Pfeffer, R. L. and Zarichny, J.: Acoustic-Gravity Wave Propagation from Nuclear
Explosions in the Earth’s Atmosphere, J. Atmos.
Sci., 19, 256–263,
<a href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1962)019&lt;0256:agwpfn&gt;2.0.co;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0469(1962)019&lt;0256:agwpfn&gt;2.0.co;2</a>, 1962.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib44"><label>Plass et al.(1973)Plass, Kattawar, and Catchings</label><mixed-citation>
      
Plass, G. N., Kattawar, G. W., and Catchings, F. E.: Matrix Operator Theory of
Radiative Transfer 1: Rayleigh Scattering, Appl. Optics, 12, 314,
<a href="https://doi.org/10.1364/ao.12.000314" target="_blank">https://doi.org/10.1364/ao.12.000314</a>, 1973.


    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib45"><label>Pütz et al.(2019)Pütz, Schlutow, and Klein</label><mixed-citation>
      
Pütz, C., Schlutow, M., and Klein, R.: Initiation of ray tracing models:
evolution of small-amplitude gravity wave packets in non-uniform background, Theor. Comput. Fluid Dyn., 33, 509–535,
<a href="https://doi.org/10.1007/s00162-019-00504-z" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s00162-019-00504-z</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib46"><label>Reinsch(1967)</label><mixed-citation>
      N
Reinsch, C. H.: Smoothing by spline functions, Numer. Math., 10,
177–183, <a href="https://doi.org/10.1007/bf02162161" target="_blank">https://doi.org/10.1007/bf02162161</a>, 1967.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib47"><label>Richards and Peterson(2008)</label><mixed-citation>
      
Richards, P. G. and Peterson, W. K.: Measured and modeled backscatter of
ionospheric photoelectron fluxes, J. Geophys. Res.-Space, 113, <a href="https://doi.org/10.1029/2008ja013092" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2008ja013092</a>, 2008.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib48"><label>Richmond and Matsushita(1975)</label><mixed-citation>
      
Richmond, A. D. and Matsushita, S.: Thermospheric response to a magnetic
substorm, J. Geophys. Res., 80, 2839–2850,
<a href="https://doi.org/10.1029/ja080i019p02839" target="_blank">https://doi.org/10.1029/ja080i019p02839</a>, 1975.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib49"><label>Schunk and Nagy(2009)</label><mixed-citation>
      
Schunk, R. and Nagy, A.: Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Chemistry,
Cambridge University Press, <a href="https://doi.org/10.1017/cbo9780511635342" target="_blank">https://doi.org/10.1017/cbo9780511635342</a>, 2009.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib50"><label>Shibata(1983)</label><mixed-citation>
      
Shibata, T.: A numerical calculation of the ionospheric response to atmospheric
gravity waves in the F-region, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 45, 797–809, <a href="https://doi.org/10.1016/s0021-9169(22)00009-5" target="_blank">https://doi.org/10.1016/s0021-9169(22)00009-5</a>, 1983.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib51"><label>Stamnes(1986)</label><mixed-citation>
      
Stamnes, K.: The theory of multiple scattering of radiation in plane parallel
atmospheres, Rev. Geophys., 24, 299–310,
<a href="https://doi.org/10.1029/rg024i002p00299" target="_blank">https://doi.org/10.1029/rg024i002p00299</a>, 1986.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib52"><label>Stamnes and Swanson(1981)</label><mixed-citation>
      
Stamnes, K. and Swanson, R.: A New Look at the Discrete Ordinate Method for
Radiative Transfer Calculations in Anisotropically Scattering Atmospheres, J.
Atmos. Sci., 38, 387–389,
<a href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1981)038&lt;0387:ANLATD&gt;2.0.CO" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0469(1981)038&lt;0387:ANLATD&gt;2.0.CO</a>, 1981.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib53"><label>Stubbe(1968)</label><mixed-citation>
      
Stubbe, P.: Frictional forces and collision frequencies between moving ion and
neutral gases, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 30,
1965–1985, <a href="https://doi.org/10.1016/0021-9169(68)90004-4" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0021-9169(68)90004-4</a>, 1968.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib54"><label>Vadas and Nicolls(2012)</label><mixed-citation>
      
Vadas, S. L. and Nicolls, M. J.: The phases and amplitudes of gravity waves
propagating and dissipating in the thermosphere: Theory, J. Geophys. Res.-Space, 117, <a href="https://doi.org/10.1029/2011ja017426" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2011ja017426</a>, 2012.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib55"><label>van de Hulst(1963)</label><mixed-citation>
      
van de Hulst, H.: A new look at multiple scattering. Tech. Rep., Goddard Institute for Space Studies, NASA TM-I03044, 81 pp., 1963.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib56"><label>Volland(1969a)</label><mixed-citation>
      
Volland, H.: Full wave calculations of gravity wave propagation through the
thermosphere, J. Geophys. Res., 74, 1786–1795,
<a href="https://doi.org/10.1029/ja074i007p01786" target="_blank">https://doi.org/10.1029/ja074i007p01786</a>, 1969a.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib57"><label>Volland(1969b)</label><mixed-citation>
      
Volland, H.: The upper atmosphere as a multiply refractive medium for neutral
air motions, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 31, 491–514,
<a href="https://doi.org/10.1016/0021-9169(69)90002-6" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0021-9169(69)90002-6</a>, 1969b.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib58"><label>Wahba(1990)</label><mixed-citation>
      
Wahba, G.: Spline Models for Observational Data, Society for Industrial and
Applied Mathematics, <a href="https://doi.org/10.1137/1.9781611970128" target="_blank">https://doi.org/10.1137/1.9781611970128</a>, 1990.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib59"><label>Weimer(2005)</label><mixed-citation>
      
Weimer, D. R.: Improved ionospheric electrodynamic models and application to
calculating Joule heating rates, J. Geophys. Res.-Space, 110, <a href="https://doi.org/10.1029/2004ja010884" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2004ja010884</a>, 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib60"><label>Wick(1943)</label><mixed-citation>
      
Wick, G. C.: Über ebene Diffusionsprobleme, Z. Phys.,
121, 702–718, <a href="https://doi.org/10.1007/bf01339167" target="_blank">https://doi.org/10.1007/bf01339167</a>, 1943.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib61"><label>Yeh and Liu(1974)</label><mixed-citation>
      
Yeh, K. C. and Liu, C. H.: Acoustic‐gravity waves in the upper atmosphere,
Rev. Geophys., 12, 193–216, <a href="https://doi.org/10.1029/rg012i002p00193" target="_blank">https://doi.org/10.1029/rg012i002p00193</a>, 1974.

    </mixed-citation></ref-html>--></article>
