Evolución de las estructuras de la escalera en convección difusión

Doble difusión convección (DDC) es uno de los más importantes procesos de mezcla vertical. Ocurre cuando la distribución de densidad vertical de la columna de agua estratificada es controlada por gradientes de dos o más componentes escalares de direcciones opuestas, donde los componentes tienen distintamente diferente diffusivities molecular¹. Ocurre ampliamente en Oceanografía², ambiente³, geología⁴, Astrofísica⁵, ciencia de los materiales⁶, metalurgia⁷y ingeniería arquitectónica⁸. DDC está presente en casi la mitad del océano global, y tiene efectos importantes sobre los procesos oceánicos de varias escalas y cambios climáticos incluso⁹.

Hay dos modos primarios de DDC: dedo (SF) y la difusión por convección (DC) de la sal. SF se produce cuando un agua tibia y salada masa cubre agua más fresco, más fresco en el ambiente estratificado. Cuando el agua caliente y salado se encuentra por debajo del frío y de agua dulce, forman el DC. La característica notable de la DC es que los perfiles verticales de temperatura, salinidad y densidad están escalera-como, compuesto por alternante convectiva capas e interfaces delgadas, fuertemente estratificadas homogénea. C.C. ocurre principalmente en los océanos de alta latitud y algunos salares interiores, como el Ártico y los océanos Antártico, el mar de Ojotsk, el mar rojo y África lago Kivu¹⁰. En el océano Ártico, existen escaleras DC toda la cuenca y persistentes en el superior y profundos océanos^11,12. Tiene un efecto importante en la diapicna mezcla en el océano superior y pueden influir significativamente en el hielo-derretir, que recientemente despierta a más interés en la comunidad de Oceanografía¹³.

La estructura de escalera de DC fue descubierta en el océano Ártico en 1969¹⁴. Después de eso, Padman & Dillon¹⁵, Timmermans et al. ¹¹, Sirevaag y Fer¹⁶, Zhou & Lu¹², Guthrie et al. ¹⁷, Bebieva y Timmermans¹⁸y Shibley et al. ¹⁹ midió las escaleras DC en diferentes cuencas del océano Ártico, incluyendo la vertical y escala horizontal de la capa convectiva y la interfaz, la profundidad y el espesor total de la escalera, la vertical traspaso térmico, los procesos de CC en eddy de mesoescala y los cambios temporales y espaciales de las estructuras de la escalera. Schmid et al. ²⁰ y Sommer et al. ²¹ observa las escaleras DC usando un analizador de la microestructura en el lago Kivu. Informó las características de la estructura principal y flujos de calor de DC y en comparación con los flujos de calor medido con la fórmula paramétrica existente. Con ordenador mejora de velocidad de procesamiento, recientemente se han realizado las simulaciones numéricas de DC, por ejemplo, para examinar la interfaz de estructura e inestabilidad, transferencia de calor a través de la interfaz, evento de fusión de la capa y así sucesivamente^{22, 23 , 24}.

La observación del campo ha mejorado enormemente la comprensión del océano DC para oceanógrafos, pero la medida es fuertemente limitada por instrumentos y entornos de indeterminado flujo oceánico. Por ejemplo, la interfaz de CC tiene una escala vertical extremadamente pequeña, más delgado que 0,1 m en algunos lagos y océanos²⁵, y son necesarios algunos instrumentos especiales de alta resolución. El experimento de laboratorio muestra sus ventajas únicas en la exploración de las leyes fundamentales de la dinámicas y termodinámicas del DC. Con un experimento de laboratorio, uno puede observar la evolución de la escalera de la DC, medir la temperatura y la salinidad y proponer algunas parametrizaciones para la aplicaciones oceánicas^26,27. Además, en un experimento de laboratorio, las condiciones y parámetros de controlados son fácilmente ajustar como sea necesario. Por ejemplo, Turner primero simuló la escalera de la DC en el laboratorio en 1965 y propuso una parametrización de la transferencia de calor a través de la interfaz difusiva, que se actualiza con frecuencia y se utiliza extensivamente en las en situ observaciones oceánicas²⁸ .

En este documento, un protocolo experimental detallado se describe para simular el proceso de evolución de la escalera de la DC, incluyendo la generación, desarrollo y desaparición, en agua salina estratificado calentado desde abajo. La temperatura y la salinidad son medidos por un instrumento de micro escala, así como las escaleras de DC está supervisadas con la técnica de shadowgraph. La disposición experimental, proceso de evolución, análisis de datos y discusión de resultados se describen en detalle. Alterando las condiciones iniciales y límite, la presente disposición experimental y el método pueden utilizarse para simular otros fenómenos oceánicos, tales como la convección oceánica horizontal, erupciones hidrotermales profundas, profundización de la capa de mezcla superficial, el efecto de submarino de geotermia en la circulación oceánica y así sucesivamente.