Entwicklung der Treppe Strukturen in diffusiven Konvektion

Doppelte diffusiven Konvektion (DDC) ist eines der wichtigsten vertikalen mischprozesse. Es tritt auf, wenn die vertikalen Dichteverteilung der geschichteten Wassersäule von mindestens zwei skalaren Komponenten Gradienten entgegengesetzten Richtungen gesteuert wird wo die Komponenten deutlich unterschiedliche Molekulare Diffusionsfähigkeit¹haben. Es tritt allgemein in Ozeanographie², die Atmosphäre³, Geologie⁴, Astrophysik⁵, materielle Wissenschaft⁶, Metallurgie⁷und architektonischen engineering⁸. DDC ist in fast der Hälfte des globalen Ozeans, und es hat wichtige Auswirkungen auf die ozeanischen Multi-Skalen-Prozesse und sogar klimatische Veränderungen⁹.

Es gibt zwei primäre Modi für DDC: Salz Finger (SF) und diffusiven Konvektion (DC). SF tritt auf, wenn eine warme, salzige Wasser Masse liegt Kühler, frischer Wasser in der geschichteten Umgebung. Wenn die warme und salzigen Wasser unter der kalten und frisches Wasser liegt, bilden die DC. Die bemerkenswerte Eigenschaft des DC ist, dass die Vertikalprofile von Temperatur, Salzgehalt und Dichte Treppe-Like, komponiert von Alternant homogene Schichten und dünne, stark stratifizierten Schnittstellen Konvektion. DC tritt vor allem in hohen Breitengraden Ozeanen und einige innere Salzseen, wie der Arktis und Antarktis Ozean, dem Ochotskischen Meer, das Rote Meer und afrikanischen Kivu-See¹⁰. In den Arktischen Ozean existieren Beckenweite und anhaltende DC Treppen in die oberen und tiefen Ozean^11,12. Es hat einen wichtigen Einfluss auf diapyknischen im oberen Ozean mischen und das Eis-schmelzen, das vor kurzem immer mehr Interesse in der Ozeanographie Gemeinschaft^{13 weckt}erheblich beeinflussen kann.

Die DC-Treppe-Struktur wurde im Nordpolarmeer im 1969¹⁴entdeckt. Nach diesem, Padman & Dillon¹⁵Timmermans Et Al. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie Et Al. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸und Shibley Et Al. ¹⁹ gemessen DC Treppen in verschiedenen Becken des Arktischen Ozeans, einschließlich die vertikale und horizontale Skalen der convecting Schicht und Schnittstelle, die Tiefe und die Gesamtdicke des Treppenhauses, die vertikale Wärmeübertragung, die DC-Prozesse in Mesoskalige Eddy und die zeitlichen und räumlichen Änderungen der Treppe Strukturen. Schmid Et Al. ²⁰ und Sommer Et al. ²¹ beobachtet die DC-Treppen mit einer Mikrostruktur Profiler im Kivu-See. Sie berichteten die Hauptstruktur Features und Wärmestromes von DC und im Vergleich der gemessenen Wärmestromes mit der bestehenden parametrischen Formel. Mit Computer Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern die numerischen Simulationen von DC habe vor kurzem gemacht, beispielsweise, um die Schnittstelle zu untersuchen Struktur und Instabilität, Wärmeübertragung über Schnittstelle Schicht verschmelzenden Ereignis, und so weiter^{22, 23 , 24}.

Gebiet Beobachtung wurde stark verbessert das Verständnis des Ozeans DC für Ozeanographen, aber die Messung wird durch unbestimmte ozeanischen Fluss Umgebungen und Instrumente stark begrenzt. Beispielsweise die DC-Schnittstelle hat eine extrem kleine vertikale Skala dünner als 0,1 m in einigen Seen und Ozeanen²⁵, und einige hochauflösende Spezialinstrumente benötigt. Die Labor-Experiment zeigt seine einzigartige Vorteile in der Erforschung der dynamische und thermodynamische Grundgesetze der DC. Mit einem Laborexperiment kann man beobachten die Entwicklung der DC-Treppe, messen die Temperatur und Salzgehalt und schlagen einige Parametrisierungen der ozeanischen Anwendungen^26,27. Darüber hinaus in einem Laborexperiment die kontrollierten Parameter und Bedingungen sind leicht angepasst nach Bedarf. Z. B. Turner zunächst simuliert die DC-Treppe im Labor im Jahr 1965 und schlug eine Hitze-Transfer-Parametrierung über die diffusive Schnittstelle, die häufig aktualisiert und weitgehend verwendet in der in Situ ozeanischen Beobachtungen²⁸ .

In diesem Papier wird ein detailliertes Protokoll der experimentellen beschrieben der Evolutionsprozess der DC Treppe, einschließlich Erzeugung, Entwicklung und verschwinden, in geschichteten salzhaltigem Wasser von unten beheizt zu simulieren. Die Temperatur und der Salzgehalt gemessen ein Mikromaßstab Instrument sowie die DC-Treppen mit der schattenabbildung Technik überwacht wird. Der Versuchsaufbau, Evolutionsprozess, Datenanalyse und Diskussion der Ergebnisse werden detailliert beschrieben. Durch die Veränderung der Anfangs- und Randbedingungen, die vorliegenden experimentellen Aufbau und Methode lässt sich simulieren, andere ozeanische Phänomene, wie die ozeanischen horizontale Konvektion, Tiefsee hydrothermalen Eruptionen, gemischte Oberflächenschicht Vertiefung, die Wirkung von u-Boot Geothermie auf Ozeanzirkulation und So weiter.