Evoluzione delle strutture di scala in convezione diffusivo

Doppia convezione diffusivo (DDC) è uno dei più importanti processi di miscelazione verticali. Si verifica quando la distribuzione di densità verticale della colonna d’acqua stratificato è controllata da due o più sfumature di componenti scalari di direzioni opposte, dove i componenti sono distintamente differenti diffusività molecolare¹. Si presenta ampiamente in Oceanografia², atmosfera³, geologia⁴, astrofisica⁵, scienza dei materiali⁶, metallurgia⁷e ingegneria architettonica⁸. DDC è presente in quasi la metà dell’oceano globale, e ha importanti effetti sul oceanici multi-scala processi e cambiamenti climatici anche⁹.

Ci sono due modalità principali per DDC: sale dito (SF) e diffusivo convezione (DC). SF si verifica quando un acqua calda salata acqua più fresco, più fresco nell’ambiente stratificato si sovrapponga a massa. Quando l’acqua calda e salata si trova sotto l’acqua fredda e fresca, si formerà la DC. La caratteristica notevole del controller di dominio è che i profili verticali della temperatura, salinità e densità sono scala-come, composta da alternant omogenea convettivo strati e interfacce sottile, fortemente stratificate. DC si verifica principalmente negli oceani di alta latitudine e alcuni laghi salati interni, quali l’Artico e Antartico oceani, il mare di Okhotsk, il mar rosso e lago Kivu African¹⁰. Nell’Oceano Artico, esistono scale di DC per tutto il bacino e persistente negli oceani superiore e profondo^11,12. Ha un effetto importante sulla diapycnal di miscelazione nell’oceano superiore e possono influenzare significativamente il ghiaccio-fusione, che recentemente suscita sempre più interesse in Oceanografia comunit๳.

La struttura di scala DC fu scoperto nell’Oceano Artico nel 1969¹⁴. Dopo quello, paolieri & Dillon¹⁵, Timmermans et al. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie et al. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸e Shibley et al. ¹⁹ misurato le scale DC in diversi bacini dell’oceano artico, compresa la verticale e orizzontale scale dello strato convettiva e interfaccia, la profondità e lo spessore totale della scala, verticale trasferimento di calore, i processi di DC in mesoscala eddy e i cambiamenti temporali e spaziali delle strutture scala. Schmid et al. ²⁰ e Sommer et al. ²¹ osservato le scale DC utilizzando un profiler di microstruttura nel lago Kivu. Hanno riportato le caratteristiche della struttura principale e flussi di calore di DC e rispetto i flussi di calore misurato con la formula parametrica esistente. Con miglioramento della velocità di elaborazione del computer, recentemente sono state fatte simulazioni numeriche della DC, ad esempio, per esaminare l’interfaccia struttura e instabilità, trasferimento di calore attraverso interfaccia, evento fusione di strato e così via^{22, 23 , 24}.

Osservazione del campo ha notevolmente migliorato la comprensione dell’oceano DC per gli oceanografi, ma la misura è fortemente limitata dalla strumenti e ambienti di indeterminato fluire oceanica. Ad esempio, l’interfaccia di DC ha una scala verticale estremamente piccola, più sottile di 0.1 m in alcuni laghi e oceani²⁵, e sono necessari alcuni strumenti speciali ad alta risoluzione. L’esperimento di laboratorio Mostra i suoi vantaggi unici in esplorare le leggi fondamentali di dinamiche e termodinamiche della DC. Con un esperimento di laboratorio, uno può osservare l’evoluzione della scala DC, misurare la temperatura e la salinità e proporre alcuni parametrizzazioni per l’applicazioni oceanic^26,27. Inoltre, in un esperimento di laboratorio, i parametri controllati e condizioni prontamente sono regolate come richiesto. Ad esempio, Turner prima simulato la scala DC in laboratorio nel 1965 e proposto una parametrizzazione del trasferimento di calore attraverso l’interfaccia diffusivo, che è stato frequentemente aggiornato e ampiamente utilizzato nelle osservazioni oceaniche in situ ²⁸ .

In questa carta, un protocollo sperimentale dettagliato è descritto per simulare il processo di evoluzione della scala DC, tra cui la generazione, sviluppo e scomparsa, in stratificato acqua salina riscaldata dal basso. La temperatura e la salinità sono misurate da uno strumento di micro-scala, così come le scale DC monitorate con la tecnica di shadowgraph. La messa a punto sperimentale, processo di evoluzione, analisi dei dati e discussione dei risultati sono descritti in dettaglio. Alterando le fasi iniziali e condizioni al contorno, la messa a punto sperimentale presente e il metodo può essere utilizzati per simulare altri fenomeni oceanici, come la convezione oceanica orizzontale, d’altura eruzioni idrotermali, strato superficiale misto approfondimento, l’effetto di sottomarino geotermica sulla circolazione oceanica e così via.