Эволюция структур лестница в диффузионном конвекции

Двухместный диффузионное конвекции (DDC) является одним из наиболее важных процессов, вертикального перемешивания. Это происходит, когда вертикальной плотности распределения столбце стратифицированной воды контролируется два или более Градиенты скалярный компоненты противоположных направлений, где компоненты имеют совершенно разные молекулярной diffusivities¹. Он широко встречается в океанографии², атмосферу³, геологии⁴, астрофизика⁵, материальная наука⁶, металлургии⁷и архитектурных инженерных⁸. DDC присутствует почти в половине из мирового океана, и он имеет существенное влияние на океанические процессы многомасштабной и даже климатические изменения⁹.

Существует два основных режима для DDC: соль палец (SF) и диффузионного конвекции (DC). SF возникает, когда теплой соленой воде массы перекрывает кулер, свежей воды в стратифицированном окружающей среды. Когда тепло и соленой воде лежит ниже чистой, холодной воды, образуют DC. Замечательной особенностью DC является то, что вертикальные профили температуры, солености и плотности лестница как, составленный alternant однородных convecting слои и тонкий, сильно стратифицированной интерфейсов. DC в основном происходит в высокоширотных океанах и некоторых внутренних соленых озер, таких как Арктики и Антарктики океанов, Охотского моря, Красного моря и Африканского озеро Киву¹⁰. В Северном Ледовитом океане существуют бассейнового и стойких DC лестницы в верхней и глубоких океанов^11,12. Он имеет важное воздействие на diapycnal, перемешивание в верхних слоях океана и может существенно повлиять на-таяния льда, который недавно вызывает все больше и больше интересов в океанографии сообщества¹³.

Структура лестница DC был впервые обнаружен в Северном Ледовитом океане в 1969 году¹⁴. После этого, Падман и Диллон¹⁵Тиммерманс и др. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Чжоу и Лу¹², Гатри и др. ¹⁷, Bebieva и Тиммерманс¹⁸и Шибли и др. ¹⁹ измеряется DC лестницы в различных бассейнах Ледовитого океана, включая вертикальных и горизонтальных шкал convecting слоя и интерфейс, глубина и общая толщина лестницы, вертикальной теплообмен, DC процессов в мезомасштабные вихревые и временных и пространственных изменений структуры лестница. Шмид и др. ²⁰ и Sommer и др. ²¹ наблюдается DC лестницы с помощью профилировщика микроструктуры в озере Киву. Они сообщили основная структура функций и потоков тепла DC и сравнении потоков измеренного тепла с существующие параметрические формулой. С компьютерной обработки улучшение скорости численное моделирование DC недавно было сделано, например, для изучения интерфейс структура и нестабильности, передача тепла через интерфейс, слой слияния событий и так далее^{22, 23 , 24}.

Поля наблюдений позволило значительно расширить понимание океана DC для океанографов, но измерения сильно ограничены неопределенного океанических потока сред и инструментов. Например интерфейс DC имеет крайне небольшой вертикальный масштаб, тоньше, чем 0,1 м в некоторых озерах и океанов²⁵, и необходимы некоторые специальные инструменты высокого разрешения. Лабораторный эксперимент показывает свои уникальные преимущества в изучении основных динамических и термодинамических законы постоянного тока. С лаборатории эксперимента можно наблюдать эволюцию DC лестницы, измерить температуру и соленость и предложить некоторые параметризации для океанических приложений^26,27. Кроме того, в лаборатории эксперимента, контролируемые параметры и условия легко корректируются по мере необходимости. К примеру Тёрнер сначала моделируется DC лестница в лаборатории в 1965 году и предложил параметризации передачи тепла через диффузионное интерфейс, который был часто обновляется и широко используются в в situ океанических наблюдений²⁸ .

В этом документе подробный экспериментальный протокол описан для имитации процесса эволюции DC лестницы, включая поколения, развития и исчезновения, в стратифицированном соленой воды, нагревают снизу. Температура и соленость измеряются инструмента микро масштабе, а также DC лестницы, отслеживаемых с помощью метода shadowgraph. Подробно описаны экспериментальной установки, эволюция процесса, анализа данных и обсуждение результатов. Изменяя первоначальный и граничных условий, нынешней экспериментальной установки и метод может использоваться для моделирования других океанических явлений, таких как океанические горизонтальных конвекции, глубоководных гидротермальных извержения, углубление поверхности перемешанный слой, эффект подводная лодка геотермальных на циркуляции в океане и так далее.