האבולוציה של מבנים גרם מדרגות הסעת חום המתפשט
Summary
הסעת חום המתפשט (DC) מתרחשת באופן נרחב התהליכים הטבעיים ויישומים הנדסה, המאופיינת על ידי סדרה של גרמי מדרגות עם שכבות convecting הומוגנית וממשקים מרובדת. ניתוח ניסיוני מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של מבנה גרם המדרגות DC, כולל דור, פיתוח, העלמות, בתוך מיכל מלבני.
Abstract
הסעת חום המתפשט (DC) מתרחשת כאשר האנכי מרובדת צפיפות נמצאת בשליטת שני המתנגדים שיטתיות מעברי צבע שיש diffusivities מולקולרי שונה במובהק, מעברי הצבע שיטתית גדול יותר – ולא קטנים יותר-diffusivity יש שליליים או חיוביים תרומות עבור התפלגות צפיפות, בהתאמה. ה-DC מתרחשת אצל רבים התהליכים הטבעיים, יישומים הנדסיים, לדוגמה, אוקיינוגרפיה, אסטרופיזיקה, מטלורגיה. ובאוקיאנוסים, אחת התכונות המופלאות ביותר של DC היא פרופילי טמפרטורה, מליחות אנכי הם כמו גרם מדרגות המבנה, המורכב שלבים עוקבים עם שכבות עבות convecting הומוגנית וממשקים יחסית רזה, גבוהה-צבע. גרמי DC נצפו האוקיינוסים רבים, במיוחד הארקטי וימים באנטארקטיקה, ולשחק תפקיד חשוב על זרימת האוקיינוס ועל שינוי אקלים. באוקיינוס הארקטי, קיימים אגן רחב ומתמשך גרמי מדרגות DC באוקיינוסים עליון ועמוק. תהליך DC יש השפעה חשובה על diapycnal ערבוב באוקיינוס העליון, עשויים להשפיע משמעותית על משטח הקרח נמס. לעומת המגבלות של תצפיות שדה, ניסוי מעבדה מראה את היתרון הייחודי ביעילות לבחון את התהליכים תרמודינמי ודינמיקה בוושינגטון, כי התנאים הגבול ואת הפרמטרים מבוקר ניתן בהחלט להתאים. . הנה, פרוטוקול מפורט מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של מבנה גרם המדרגות DC, כולל את הדור, הפיתוח ואת היעלמותה, בתוך מיכל מלבני מלא במים מלוחים מרובדת. הגדרת הניסוי תהליך האבולוציה, ניתוח נתונים, דיון של תוצאות מתוארים בפירוט.
Introduction
הסעת חום דיפוזיה כפול (DDC) הוא אחד התהליכים החשובים ביותר ערבול אנכי. בעיה זו מתרחשת כאשר בחלוקת הצפיפות אנכי של עמודת המים מרובדת נשלטת על ידי שניים או יותר מעברי צבע רכיבים שיטתיות של כיוונים מנוגדים, שבו הרכיבים יש diffusivities מולקולרי שונה במובהק1. זה קורה באופן נרחב אוקיינוגרפיה2, האווירה3, גיאולוגיה4, אסטרופיזיקה5, מדעי החומרים6, מטלורגיה7ואדריכלי הנדסה8. DDC נוכח כמעט מחצית של האוקיינוס העולמי, יש השלכות חשובות על תהליכי מידה מרובה של אושיאניק, שינויים אקלימיים אפילו9.
ישנם שני מצבי העיקרי עבור DDC: מלח אצבע (SF) ובהסעה דיפוזיה (DC). SF מתרחשת כאשר מים חמים, מלוח בנפח גדול מ מים קריר יותר, רענן בסביבת מרובדת. כאשר המים החמות שוכנת מתחת למים קרים ורענן, יהוו ה-DC. תכונה יוצאת דופן של ה-DC הוא הפרופיל האנכי של טמפרטורה, מליחות, צפיפות כמו גרם מדרגות, הולחן על ידי alternant הומוגנית convecting שכבות וממשקים דק, מרובדת חריפה. DC בעיקר מתרחשת ב- latitude גבוהה אוקיינוסים, אגמי מלח פנים מסוימים, כגון הארקטי, האוקיינוסים באנטארקטיקה, הים של וקהוצק, הים האדום ואל אגם קיבו אפריקאי10. באוקיינוס הארקטי, קיימים אגן רחב ומתמשך גרמי מדרגות DC11,האוקיינוסים עליון ועמוק12. יש השפעה חשובה על diapycnal ערבוב באוקיינוס העליון והוא עשוי להשפיע באופן משמעותי על הקרח נמס, אשר מעוררת לאחרונה יותר ויותר האינטרסים הקהילה אוקיינוגרפיה13.
מבנה גרם המדרגות DC התגלה לראשונה באוקיינוס הארקטי 196914. אחרי זה, Padman & דילון15, Timmermans et al. 11, Sirevaag & Fer16, ג’ואו & Lu12, גאת’רי ואח… 17, Bebieva & Timmermans18ו שיבלי ואח. 19 נמדד גרמי DC באגני שונים של האוקיינוס הארקטי, כולל האנכי וחום סולמות אופקי של השכבה convecting, ממשק, העומק ואת העובי הכולל של גרם המדרגות, האנכי העברה, התהליכים DC אדי mesoscale, השינויים טמפורלית המרחבי של המבנים גרם מדרגות. שמיד ואח. 20 ו. זומר ואח 21 נצפתה גרמי DC באמצעות פרופיילר מיקרו באגם קיבו. הם דיווחו על תכונות מבנה הראשי והנתיבים חום של DC, השוו את פלקסים נמדד חום עם הנוסחה הקיימת פרמטרית. עם המחשב עיבוד מהירויות שיפור, הסימולציות המספרי של DC לאחרונה נעשו, לדוגמה, כדי לבחון את הממשק מבנה וחוסר יציבות, מעבר חום באמצעות ממשק, שכבה אירוע מיזוג, וכן הלאה22, 23 , 24.
תצפית שדה התעלתה את ההבנה של האוקיינוס DC עבור oceanographers, אך המדידה חריפה מוגבל על ידי זרימה של אושיאניק ייווצרו סביבות וכלים. לדוגמה, הממשק DC כולל קנה מידה אנכי קטן מאוד, דק יותר 0.1 m כמה אגמים וימים25, קצת כלי ברזולוציה גבוהה מיוחדים נדרשים. בניסוי מעבדה מציג יתרונות ייחודיים לחקור את חוקי היסוד של תרמודינמי ודינמיקה של DC. עם ניסוי מעבדה, אחד יכול להתבונן על האבולוציה של המדרגות DC, למדוד טמפרטורה, מליחות, ולהציע קצת parameterizations עבור יישומים אושיאניק26,27. יתר על כן, בניסוי מעבדה, הפרמטרים מבוקרת והתנאים ברצון מותאמות לפי הצורך. לדוגמה, טרנר קודם מדומה המדרגות DC במעבדה בשנת 1965 והציע parameterization העברה של חום ברחבי הממשק המפזרת, המתעדכנות לעתים תכופות, נעשה שימוש נרחב ב באתרו של אושיאניק התצפיות28 .
בנייר זה, פרוטוקול נסיוני מפורט מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של המדרגות DC, כולל דור, פיתוח, העלמות, במים מלוחים מרובדת מחומם מלמטה. טמפרטורה, מליחות נמדדים על ידי מכשיר מיקרו-סולם, כמו גם גרמי DC במעקב עם טכניקה שדוגרפיה. הגדרת הניסוי תהליך האבולוציה, ניתוח נתונים, דיון של תוצאות מתוארים בפירוט. על ידי שינוי ההתחלתי ואת תנאי גבול, הגדרת הניסוי הנוכחי ואת שיטת יכול לשמש כדי לדמות ושאר התופעות של אושיאניק, כגון הסעה אופקית של אושיאניק, התפרצויות הידרותרמי במים עמוקים, העמקת מעורבות שכבת פני השטח, השפעת הצוללת גיאותרמית על זרימת האוקיינוס, וכך הלאה.
Protocol
Representative Results
Discussion
נייר זה מתואר פרוטוקול נסיוני מפורט כדי לדמות את המבנים מדרגות DC thermohaline בתוך מיכל מלבני. ריבוד צפיפות קווית הראשונית של נוזל לעבוד נבנית באמצעות השיטה שני מיכלים. הפלטה נשמרת טמפרטורה, והתחתון-שטף חום קבוע. תהליך האבולוציה כל המדרגות DC, לרבות שלה הדור, פיתוח, מיזוגים היעלמותו, הם דמיינו את ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי NSF הסינית מענקים (41706033, 91752108 ו- 41476167), מענקים אכ מ Grangdong (2017A030313242 ו- 2016A030311042) LTO גרנט (LTOZZ1801).
Materials
| Rectangular tank | Custom made part | ||
| Plexiglas | Custom made part | ||
| Electric heating pad | Custom made part | ||
| Distilled water | Multiple suppliers | ||
| Optical table | Liansheng Inc. | MRT-P/B | |
| Thermiostors | Custom made part | ||
| Digital multimeter | Keithley Inc | Model 2700 | |
| Micro-scale conductivity and temperature instrument (MSCTI) | PME. Inc. | Model 125 | |
| Multifunction data acquisition (MDA) | MCC. Inc. | USB-2048 | |
| Motorized precision translation stage (MPTS) | Thorlabs Inc. | LTS300 | |
| Tracing paper | Multiple suppliers | ||
| LED lamp | Multiple suppliers | ||
| Camcorder | Sony Inc. | XDR-XR550 | |
| De-gassed fresh water | Custom made part | ||
| Saline water | Custom made part | ||
| Flexible tube | Multiple suppliers | ||
| Electric magnetic stirrer | Meiyingpu Inc. | MYP2011-100 | |
| Peristaltic pump | Zhisun Inc. | DDBT-201 | |
| Refrigerated circulator | Polyscience Inc. | Model 9702 | |
| Plastic soft tube | Multiple suppliers | ||
| Direct-current power supply | GE Inc. | GPS-3030 | |
| Matlab | MathWorks Inc. | R2012a |
References
- Turner, J. S. . Buoyancy Effects in Fluids. , 367 (1973).
- Schmitt, R. W. Double diffusion in oceanography. Annual Review of Fluid Mechanics. 26, 255-285 (1994).
- Turner, J. S., Gustafson, L. B. Fluid motions and compositional gradients produced by crystallization or melting at vertical boundaries. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 11, 9S125 (1981).
- Robb, L. . Introduction to Ore-forming Processes. , 373 (2004).
- Chabrier, G., Baraffe, I. Heat transport in giant (exo)planets: a new perspective. The Astrophysical Journal Letters. 661, 81-84 (2007).
- Langlois, W. E. Buoyancy-driven flows in crystal-growth melts. Annual Review of Fluid Mechanics. 17, 191 (1985).
- Chen, C. -. F., Johnson, D. H. Double-diffusive convection: A report on an engineering foundation conference. Journal of Fluid Mechanics. 138, 405-416 (1984).
- Griffiths, R. W. Layered double-diffusive convection in porous media. Journal of Fluid Mechanics. 102, 221-248 (1981).
- You, Y. Z. A global ocean climatological atlas of the Turner angle: implications for double-diffusion and water-mass structure. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 49, 2075-2093 (2002).
- Kelley, D. E., Fernando, H. J. S., Gargett, A. E., Tanny, J., Ozsoy, E. The diffusive regime of double diffusive convection. Progress in Oceanography. 56, 461-481 (2003).
- Timmermans, M. L., Toole, J., Krishfield, R., Winsor, P. Ice-Tethered Profiler observations of the double-diffusive staircase in the Canada Basin thermocline. Journal of Geophysical Research: Oceans. 113, 1-10 (2008).
- Zhou, S. Q., Lu, Y. Z. Characterization of double diffusive convection steps and heat budget in the deep Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (12), 6672-6686 (2013).
- Turner, J. S. The melting of ice in the arctic ocean: The influence of double-diffusive transport of heat from below. Journal of Physical Oceanography. 40, 249-256 (2010).
- Neal, V. T., Neshyba, S., Denner, W. Thermal stratification in the Arctic Ocean. Science. 166 (3903), 373-374 (1969).
- Padman, L., Dillon, T. M. Vertical heat fluxes through the Beaufort Sea thermohaline staircase. Journal of Geophysical Research: Oceans. 92 (C10), 10799-10806 (1987).
- Sirevaag, A., Fer, I. Vertical heat transfer in the Arctic Ocean: The role of double-diffusive mixing. Journal of Geophysical Research: Oceans. 117 (C7), (2012).
- Guthrie, J. D., Fer, I., Morison, J. Observational validation of the diffusive convection flux laws in the Amundsen Basin, Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 120 (12), 7880-7896 (2015).
- Bebieva, Y., Timmermans, M. L. An examination of double-diffusive processes in a mesoscale eddy in the Arctic Ocean. Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (1), 457-475 (2016).
- Shibley, N. C., Timmermans, M. L., Carpenter, J. R., Toole, J. M. Spatial variability of the Arctic Ocean’s double-diffusive staircase. Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (2), 980-994 (2017).
- Schmid, M., Busbridge, M. Double-diffusive convection in Lake Kivu. Limnology and Oceanography. 55 (1), 225-238 (2010).
- Sommer, T., et al. Interface structure and flux laws in a natural double-diffusive layering. Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (11), 6092-6106 (2013).
- Carpenter, J. R., Sommer, T., Wüest, A. Simulations of a double-diffusive interface in the diffusive convection regime. Journal of Fluid Mechanics. 711, 411-436 (2012).
- Flanagan, J. D., Lefler, A. S., Radko, T. Heat transport through diffusive interfaces. Geophysical Research Letters. 40 (10), 2466-2470 (2013).
- Radko, T., Flanagan, J. D., Stellmach, S., Timmermans, M. L. Double-diffusive recipes. Part II: Layer-merging events. Journal of Physical Oceanography. 44 (5), 1285-1305 (2014).
- Scheifele, B., Pawlowicz, R., Sommer, T., Wüest, A. Double diffusion in saline Powell Lake, British Columbia. Journal of Physical Oceanography. 44 (11), 2893-2908 (2014).
- Guo, S. X., Zhou, S. Q., Qu, L., Lu, Y. Z. Laboratory experiments on diffusive convection layer thickness and its oceanographic implications. Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (10), 7517-7529 (2016).
- Guo, S. X., Cen, X. R., Zhou, S. Q. New parametrization for heat transport through diffusive convection interface. Journal of Geophysical Research: Oceans. 123 (2), 1327-1338 (2018).
- Turner, J. S. The coupled turbulent transports of salt and heat across a sharp density interface. International Journal of Heat and Mass Transfer. 8 (5), 759-767 (1965).
- Hill, D. F. General density gradients in general domains: the "two-tank" method revisited. Experiments in Fluids. 32 (4), 434-440 (2002).
- Zhou, S. Q., Ahlers, G. Spatiotemporal chaos in electroconvection of a homeotropically aligned nematic liquid crystal. Physical Review E. 74 (4), 046212 (2006).
