Evolução das estruturas de escadaria em convecção difusiva

Convecção difusiva dupla (DDC) é um dos mais importantes processos de misturando verticais. Ocorre quando a distribuição de densidade vertical da coluna de água estratificada é controlada por dois ou mais gradientes de componentes escalares de direções opostas, onde os componentes têm distintamente diferentes difusividades molecular¹. Amplamente ocorre em Oceanografia², da atmosfera³, geologia⁴, astrofísica⁵, ciência material⁶, metalurgia⁷e engenharia arquitetura⁸. DDC está presente em quase metade do oceano global, e tem efeitos importantes sobre processos oceânicos multi-escala e mudanças climáticas até⁹.

Há dois modos principais de DDC: sal dedo (SF) e convecção difusiva (DC). SF ocorre quando uma água quente e salgada massa overlies água mais fresca, mais fresca no ambiente estratificado. Quando a água quente e salgada encontra-se abaixo da água fria e fresca, a DC irá formar. A característica notável da DC é que os perfis verticais de temperatura, salinidade e densidade são semelhantes a escadaria, composta por alternant homogênea convectando por camadas e interfaces finas, fortemente estratificadas. DC ocorre principalmente em oceanos de latitude alta e alguns lagos de sal interiores, tais como o Ártico e Antártico oceanos, o mar de Okhotsk, mar vermelho e Africano Lago Kivu¹⁰. No Oceano Ártico, existem escadas de DC toda a bacia e persistentes nos oceanos profundos e superior^11,12. Tem um efeito importante na diapycnal de mistura no oceano superior e pode influenciar significativamente o gelo-derretimento, que recentemente desperta interesses cada vez mais na Comunidade oceanografia¹³.

A estrutura de escada DC foi descoberta no Oceano Ártico em 1969¹⁴. Depois disso, Pantoja & Dillon¹⁵, Timmermans et al. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie et al. ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸e Shibley et al. ¹⁹ medido as escadarias de DC em diferentes bacias do Oceano Ártico, incluindo vertical e horizontais escamas da camada convectivo e interface, a profundidade e a espessura total da escada, transferência, os processos de DC em de calor vertical eddy de mesoescala e as mudanças temporais e espaciais das estruturas escadaria. Silva et al. ²⁰ e Sommer et al ²¹ observadas as escadarias DC usando um gerador de perfil de microestrutura no Lago Kivu. Eles relataram as características principais da estrutura e fluxos de calor de DC e comparado os fluxos de calor medidos com a fórmula paramétrica existente. Com computador melhorando de velocidades de processamento, as simulações numéricas de DC recentemente tem sido feitas, por exemplo, para examinar a interface estrutura e instabilidade, transferência de calor através de interface, camada evento se fundem e assim por diante^{22, 23 , 24}.

Observações de campo tem bastante reforçada a compreensão do oceano DC para oceanógrafos, mas a medição é fortemente limitada por instrumentos e ambientes de fluxo oceânica indeterminado. Por exemplo, a interface de DC tem uma escala vertical extremamente pequena, mais fino do que 0,1 m em alguns lagos e oceanos,²⁵, e são necessários alguns instrumentos especiais de alta resolução. O experimento de laboratório mostra suas vantagens exclusivas em explorar as leis fundamentais da dinâmicas e termodinâmicas de DC. Com uma experiência de laboratório, um pode observar a evolução da escada DC, medir a temperatura e salinidade e propor algumas parametrizações para as aplicações da oceanic^26,27. Além disso, em um experimento de laboratório, os parâmetros controlados e condições são facilmente ajustadas conforme necessário. Por exemplo, Turner primeiro simulado a escadaria de DC no laboratório em 1965 e propôs uma parametrização de transferência de calor através da interface difusiva, que foi atualizada com frequência e usada extensivamente em situ oceânica observações²⁸ .

Neste trabalho, um protocolo experimental pormenorizado é descrito para simular o processo de evolução da escada DC, incluindo a geração, desenvolvimento e desaparecimento, em estratificada água salina aquecida por baixo. A temperatura e a salinidade são medidos por um instrumento de micro escala, bem como as escadarias de DC, sendo monitorizadas com a técnica de shadowgraph. A instalação experimental, processo de evolução, análise de dados e discussão dos resultados são descritos em detalhe. Alterando a inicial e as condições de contorno, a actual configuração experimental e o método podem ser usados para simular outros fenômenos oceânicos, tais como as áreas de convecção oceânica horizontal erupções hidrotermais em alto mar, misto de camada superficial aprofundamento, o efeito de Submarino geotérmico na circulação oceânica e assim por diante.