تطور الهياكل الدرج في الحمل الحراري انتشارية
Summary
انتشارية الحراري (DC) يحدث على نطاق واسع في العمليات الطبيعية والتطبيقات الهندسية، تتميز بمجموعة من السلالم مع طبقات كونفيكتينج متجانسة وواجهات طبقية. إجراء تجريبي وصف لمحاكاة عملية تطور هيكل الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في خزان مستطيل.
Abstract
انتشارية الحراري (DC) يحدث عند الرأسي طبقات يسيطر الكثافة اثنين يعارضان التدرجات العددية التي قد ديفوسيفيتيس الجزيئية اختلافاً واضحا، والتدرجات أكبر-وأصغر-الانتشارية العددية بالسلبية والإيجابية مساهمات لتوزيع كثافة، على التوالي. وحدة تحكم المجال DC يحدث في كثير من العمليات الطبيعية والتطبيقات الهندسية، على سبيل المثال، علم المحيطات والفيزياء الفلكية وعلم المعادن. في المحيطات، واحدة من أبرز سمات DC أن درجة الحرارة والملوحة من رأسية هيكل مثل الدرج، تتكون من خطوات متتالية مع طبقات سميكة من كونفيكتينج متجانسة وواجهات رقيقة والتدرج عالية نسبيا. وقد لوحظ في العديد من المحيطات، وخاصة في القطب الشمالي والقطب الجنوبي المحيطات، سلالم DC وتلعب دوراً هاما في دوران المحيطات والتغير المناخي. في المحيط المتجمد الشمالي، وتوجد سلالم DC على نطاق الحوض والمستمرة في العلوي وأعماق المحيطات. عملية DC له تأثير هام على ديابيكنال الاختلاط في المحيط العلوي وقد يؤثر بشكل كبير ذوبان الجليد السطحي. مقارنة بالقيود المفروضة على الملاحظات الميدانية، تبين التجربة المعملية ميزته الفريدة دراسة فعالية العمليات الدينامية والدينامية الحرارية في العاصمة، لأنه يمكن تعديل شروط الحدود والمعلمات التي تسيطر عليها تماما. هنا، بروتوكول مفصلة وصف لمحاكاة عملية تطور هيكل الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في خزان مستطيلة مليئة بالمياه المالحة طبقية. ويرد في الإعداد التجريبية، عملية تطور، وتحليل البيانات، ومناقشة النتائج بالتفصيل.
Introduction
المزدوج الحراري انتشارية (DDC) واحدة من أهم العمليات خلط الرأسي. يحدث عندما تسيطر التدرجات مكونات مفردة اثنين أو أكثر من اتجاهين متعاكسين، التي يكون فيها المكونات اختلافاً ديفوسيفيتيس الجزيئية1توزيع الكثافة العمودية لعمود المياه الطبقية. فإنه يحدث على نطاق واسع في علوم المحيطات2الغلاف الجوي3، الجيولوجيا4، والفيزياء الفلكية5، علم المواد6، والمعادن7، و الهندسة المعمارية8. DDC موجود في ما يقرب من نصف المحيط العالمي، ولها آثار هامة على المحيطات مقياس متعدد العمليات والتغيرات المناخية حتى9.
هناك وضعان الأولية ل DDC: الملح الإصبع (SF) وانتشارية الحراري (DC). سادس يحدث عندما الماء الحار والمالح الخازنة الجماهيري المياه الأكثر برودة، وأعذب في بيئة طبقية. عند المياه الحارة والمالحة تقع تحت الماء البارد والطازج، وستشكل وحدة تحكم المجال DC. ميزة رائعة من وحدة تحكم المجال DC أن درجة الحرارة والملوحة والكثافة من رأسية مثل الدرج، تتألف من التيرنانت متجانسة كونفيكتينج الطبقات والواجهات رقيقة، وطبقية بشدة. العاصمة يحدث أساسا في خطوط العرض المرتفعة المحيطات وبعض البحيرات المالحة الداخلية، مثل القطب الشمالي والقطب الجنوبي المحيطات، بحر أوخوتسك، والبحر الأحمر وبحيرة كيفو الأفريقية10. في المحيط المتجمد الشمالي، وتوجد سلالم DC على نطاق الحوض والمستمرة في11،العلوي وأعماق المحيطات12. له تأثير هام على ديابيكنال الاختلاط في المحيط العلوي، وقد تؤثر تأثيراً كبيرا الجليد الذوبان، الذي يثير مؤخرا مصالح أكثر وأكثر في المجتمع علوم البحار13.
كان أول من اكتشف هيكل الدرج DC في المحيط المتجمد الشمالي في عام 196914. وبعد ذلك، بادمان & ديلون15، تيمرمانز وآخرون. 11، سيريفاج & Fer16، تشو & لو12، غوثري وآخرون. بيبيفا & تيمرمانز18، 17وشبلي وآخرون. 19 تقاس سلالم DC في أحواض مختلفة من المحيط المتجمد الشمالي، بما في ذلك الرأسي وجداول أفقية لطبقة كونفيكتينج وواجهة، وعمق وسمك إجمالي من الدرج، نقل، عمليات DC في الحرارة العمودي الدوامة المتوسطة المدى والتغيرات الزمنية والمكانية لهياكل الدرج. شميد وآخرون. 20 وسومر et al. ولاحظ 21 سلالم DC باستخدام التعريف المجهرية في بحيرة كيفو. أنها أفادت بميزات الهيكل الرئيسي وتدفقات الحرارة من العاصمة ومقارنة تدفقات الحرارة المقاسة مع الصيغة حدودي الموجودة. مع تجهيز تحسين سرعة الكمبيوتر، المحاكاة العددية للعاصمة وقد أجريت مؤخرا، على سبيل المثال، دراسة الواجهة الهيكل وعدم الاستقرار، ونقل الحرارة من خلال واجهة، طبقة الحدث المندمجة، وذلك على22، 23 , 24.
وعززت المراقبة الميدانية إلى حد كبير فهم المحيطات DC لعلماء المحيطات، ولكن القياس بقوة محدودة من بيئات غير محدد التدفق المحيطي والصكوك. على سبيل المثال، واجهة العاصمة مقياس عمودي صغير للغاية، أرق من 0.1 متر في بعض البحيرات والمحيطات25، وهناك حاجة إلى بعض الصكوك ذات الدقة العالية الخاصة. وتبين التجربة المعملية مزاياه الفريدة في استكشاف القوانين الدينامية والدينامية الحرارية الأساسية للعاصمة. مع تجربة مختبرية، أحد مراقبة تطور الدرج DC، وقياس درجة الحرارة والملوحة، وتقترح بعض تيقنها لل26،التطبيقات المحيطية27. وعلاوة على ذلك، في تجربة مختبرية، المعلمات التي تسيطر عليها والشروط هي سهولة تعديلها كما هو مطلوب. على سبيل المثال، أولاً تيرنر محاكاة الدرج DC في المختبر في عام 1965، واقترحت تحديد المعايير والثوابت نقل حرارة عبر واجهة انتشارية، التي تم تحديثها بشكل متكرر وتستخدم على نطاق واسع في الملاحظات المحيطية في الموقع 28 .
في هذه الورقة، بروتوكول تجريبي مفصلة وصف لمحاكاة عملية تطور من الدرج العاصمة، بما في ذلك توليد وتطوير والاختفاء، في المياه المالحة طبقية ساخنة من أسفل. يتم قياس درجة الحرارة والملوحة بصك الحجم الصغير، فضلا عن سلالم DC التي يجري رصدها مع تقنية شادووجراف. ويرد في الإعداد التجريبية، عملية تطور، وتحليل البيانات، ومناقشة النتائج بالتفصيل. بتغيير الأولى وشروط الحدود، يمكن استخدام هذا الإعداد التجريبية وطريقة لمحاكاة الظواهر المحيطية الأخرى، مثل الحراري الأفقي المحيطية، الانفجارات الحرارية المائية في أعماق البحار، وتعميق الطبقة السطحية المختلطة، أثر الغواصة الطاقة الحرارية الأرضية في الدوران المحيطي، وهلم جرا.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الورقة هو وصف بروتوكول تجريبي مفصلة لمحاكاة هياكل الدرج DC المتأثر في خزان مستطيل. هي التي شيدت الطبقات كثافة خطي أولى للسائل العامل باستخدام الأسلوب الثاني للدبابات. يتم الاحتفاظ باللوحة العلوية في درجة حرارة ثابتة وواحدة أسفل في تدفق الحرارة المستمرة. عملية تطور كل من الدرج العاص?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
كان يؤيد هذا العمل منح “جبهة الخلاص الوطني الصيني” (41706033 و 91752108 و 41476167) ومنح “جبهة الخلاص الوطني جرانجدونج” (2017A030313242 و 2016A030311042) ومنحة عفرتو (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 |
Riferimenti
- 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).
