Evolutie van de trap structuren in Diffusive convectie

Dubbele diffusive convectie (DDC) is één van de belangrijkste verticale mengen processen. Het treedt op wanneer de dichtheid van de verticale verdeling van de gestratificeerde waterkolom wordt gecontroleerd door twee of meer onderdelen van de scalaire gradiënten van tegengestelde richtingen, waar de onderdelen duidelijk verschillende moleculaire diffusivities^{1 hebben}. Breed komt voor in de oceanografie², de sfeer³, geologie⁴, astrofysica⁵, materiaalkunde⁶, metallurgie⁷en architectural engineering⁸. DDC is aanwezig in bijna de helft van de wereldwijde oceaan, en het heeft belangrijke gevolgen voor de oceanische Multi-Scale processen en zelfs klimatologische veranderingen⁹.

Er zijn twee primaire modi voor DDC: zout vinger (SF) en diffusive convectie (DC). SF treedt op wanneer een warme, zoute water massa overlies koeler, frisser water in de gestratificeerde omgeving. Wanneer het warm en zoute water onder het water koud en fris ligt, zal de DC vormen. Het opvallende kenmerk van de DC is dat de verticale profielen temperatuur, zoutgehalte of dichtheid trap-achtige, gecomponeerd door alternant homogene meet lagen en dun, sterk gestratificeerd interfaces. DC treedt vooral op in hoge latitude oceanen en sommige interieur zoutmeren, zoals de arctische en Antarctische Oceaan, de zee van Ochotsk, de rode zee en de Afrikaanse Kivu Lake¹⁰. In de Noordelijke IJszee bestaan er bekken bestrijkende en voortdurende DC trappen in de bovenste en diepe oceanen^11,12. Het heeft een belangrijk effect op diapycnal mengen in de bovenste Oceaan en aanzienlijk kan beïnvloeden het ijs smelten, dat recentelijk steeds meer belangen in de oceanografie Gemeenschap¹³oproept.

De DC trap structuur werd voor het eerst ontdekt in de Noordelijke IJszee in 1969¹⁴. Na dat, Padman & Dillon¹⁵, Timmermans, et al.. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie et al. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸en Shibley et al. ¹⁹ gemeten de DC trappen in verschillende stroomgebieden van de Noordelijke IJszee, met inbegrip van de verticale en horizontale schaal meet laag en interface, de diepte en de totale dikte van de trap, de verticale warmteoverdracht, de processen van de DC in MESOSCHAAL eddy en de temporele en ruimtelijke veranderingen van de structuren van de trap. Schmid et al. ²⁰ en Sommer et al. de DC-trappen ²¹ waargenomen met behulp van een microstructuur profiler in Kivu meer. Zij meldde de hoofdstructuur functies en warmte toeslagstoffen voor DC en ten opzichte van de lichtstromen gemeten warmte met de bestaande parametrische formule. Met computer verwerking snelheden verbeteren, zijn onlangs de numerieke simulaties van DC gedaan, bijvoorbeeld, te onderzoeken van de interface structuur instabiliteit, warmte-overdracht via interface, laag fuserende gebeurtenis en^22, enzovoort ^{23 , 24}.

Veld observatie heeft het begrip van de oceaan DC voor oceanografen aanzienlijk verbeterd, maar de meting wordt sterk beperkt door onbepaalde oceanische stroom omgevingen en instrumenten. Bijvoorbeeld, de DC-interface heeft een uiterst kleine verticale schaal, dunner dan 0,1 m in sommige meren en oceanen²⁵, en sommige speciale hoge resolutie instrumenten nodig zijn. Het laboratorium experiment toont zijn unieke voordelen in het verkennen van de fundamentele wetten van de dynamische en thermodynamische voor DC. Met een laboratorium experiment, kan een observeren van de evolutie van de DC-trap, de temperatuur en het zoutgehalte meten en stellen sommige parameterizations voor de oceanische toepassingen^26,27. Bovendien, in een laboratorium experiment, de gecontroleerde parameters en voorwaarden worden gemakkelijk aangepast zoals vereist. Bijvoorbeeld Turner eerst gesimuleerd van de DC-trap in het laboratorium in 1965 en een warmte overdracht parametrage voorgesteld over de diffusive interface, die is vaak bijgewerkt en uitgebreid gebruikt in de in situ oceanische opmerkingen²⁸ .

In deze paper is een gedetailleerde experimenteel protocol beschreven het proces van de evolutie van de DC-trap, met inbegrip van de generatie, de ontwikkeling en de verdwijning, in gestratificeerd zout water van onderaf verwarmd te simuleren. De temperatuur en het zoutgehalte zijn gemeten door een micro-schaal instrument, alsmede de trappen van de DC met de techniek van de shadowgraph wordt gecontroleerd. De experimentele opzet, evolutie proces, data-analyse en bespreking van de resultaten worden in detail beschreven. Door een wijziging van de initiële en randvoorwaarden, kunnen de huidige experimentele opzet en de methode worden gebruikt voor het simuleren van andere oceanische verschijnselen, zoals de oceanische horizontale convectie diepzee hydrothermische uitbarstingen, gemengde toplaag verdieping, het effect van onderzeeër geothermische op oceaancirculatie, enzovoort.