Utvecklingen av trappa strukturer i diffus konvektion
Summary
Diffus konvektion (DC) förekommer allmänt i naturliga processer och tekniska tillämpningar, kännetecknas av en serie av trappor med homogena convecting lager och stratifierat gränssnitt. En experimentell förfarande beskrivs att simulera processen evolution av DC trappa struktur, inklusive produktion, utveckling och försvinnande, i en rektangulär tank.
Abstract
Diffus konvektion (DC) inträffar när vertikalt stratifierat densitet styrs av två motsatta skalär toningar som har tydligt olika molekylära diffusivities och de större – och mindre-diffusivitet skalär lutningarna har negativa och positiva bidrag för densitet distribution, respektive. DC uppstår i många naturliga processer och tekniska tillämpningar, exempelvis oceanografi, astrofysik och metallurgi. I haven är en av de mest anmärkningsvärda funktionerna i DC att vertikala temperatur och salthalt profilerna är trappa-liknande struktur, som består av på varandra följande steg med tjocka homogena convecting lager och relativt tunn och hög-gradient gränssnitt. Den DC trappor har observerats i många hav, särskilt i Arktis och Antarktis hav, och spelar en viktig roll på havscirkulationen och climatic ändring. I Arktiska oceanen finns det bassäng-omfattande och ihållande DC trappor i övre och djupa haven. DC processen har en viktig effekt på diapycnal blandning i övre havet och kan påverka ytan is-smältning. Jämfört med begränsningarna av fältobservationer, visar laboratorium försöket dess unika fördel att faktiskt undersöka de dynamiska och termodynamiska processerna i DC, eftersom randvillkor och kontrollerade parametrar kan justeras strängt. Här är ett detaljerat protokoll beskrivs att simulera processen evolution av DC trappa struktur, inklusive dess produktion, utveckling och försvinnande, i en rektangulär tank fylld med stratifierat salthaltigt vatten. Experiment, evolution processen, dataanalys och diskussion av resultaten beskrivs i detalj.
Introduction
Dubbelrum diffus konvektion (DDC) är en av de viktigaste vertikala blandning processerna. Det inträffar när vertikala densitet distribution av kolumnen stratifierat vatten styrs av två eller flera scalar komponenter övertoningar i motsatta riktningar, där komponenterna har tydligt olika molekylära diffusivities1. Den förekommer allmänt i oceanografi2, den atmosfär3, geologi4, astrofysik5, materialvetenskap6, metallurgi7och arkitektoniska engineering8. DDC är närvarande i nästan hälften av den globala oceanen, och den har viktiga effekter på oceanic flerskalig processer och även climatic ändringar9.
Det finns två primära lägen för DDC: salt finger (SF) och diffus konvektion (DC). SF uppstår när en varm, salt vatten massa overlies svalare, fräschare vatten i stratifierat miljön. När det varma och salta vattnet ligger under det kallt och friskt vattnet, bildar DC. Den anmärkningsvärda inslaget i DC är att de vertikala profilerna av temperatur, salthalt och densitet är trappa-liknande, komponerad av alternant homogen convecting lager och tunna, starkt skiktat gränssnitt. DC uppstår huvudsakligen i hög latitud oceaner och vissa inre salt sjöar, såsom Arktis och Antarktis hav, Ochotska havet, röda havet och afrikanska Kivu laken10. I Arktiska oceanen finns det bassäng-omfattande och ihållande DC trappor i övre och djupa hav11,12. Det har en viktig effekt på diapycnal blandning i övre havet och kan påverka is-smältning, som nyligen väcker fler och fler intressen i oceanografi gemenskapen13.
DC trappa struktur upptäcktes först i Arktiska oceanen i 196914. Efter, Padman & Dillon15, Timmermans et al. 11, Sirevaag & Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie et al. 17, Bebieva & Timmermans18och Shibley et al. 19 mäts den DC trappor i olika avrinningsområden i ishavet, inbegripet vertikalt och horisontella skalor av convecting lager och gränssnitt, djup och sammanlagd tjocklek av trappan, vertikalt värmeöverföring, DC processer i tem eddy och de tidsmässiga och rumsliga förändringarna av trappa strukturerna. Schmid et al. 20 och Sommer o.a. 21 observerade DC trapporna med en mikrostruktur profiler i Kivu laken. De rapporterade huvudstrukturen funktioner och värme flöden av DC och jämfört de uppmätta värme flödena med befintliga parametriska formeln. Med dator bearbetningshastigheter förbättra, de numeriska simuleringarna av DC har nyligen gjorts, till exempel för att undersöka gränssnittet struktur och instabilitet, värmeöverföring genom gränssnittet, lager fusionerande händelse, och så vidare22, 23 , 24.
Fält observation har kraftigt förbättrat förståelsen av ocean DC för oceanografer, men mätningen begränsas starkt av obestämt oceanic flöde miljöer och instrument. Exempelvis gränssnittet DC har en extremt liten vertikal skala, tunnare än 0,1 m i vissa sjöar och hav25och några högupplösta specialinstrument behövs. Laboratoriet experimentet visar dess unika fördelar i att utforska grundläggande dynamiska och termodynamiska lagarna i DC. Med ett laboratorium experiment, kan man iaktta utvecklingen av DC trappan, mäta temperatur och salthalt och föreslå några Parameterframställning för oceaniska program26,27. Dessutom i ett laboratorium experiment, de kontrollerade parametrar och villkor lätt justeras efter behov. Exempelvis Turner först simulerade DC trappan i laboratoriet 1965 och föreslog en värme överföring Parameterisering över diffus gränssnittet, som uppdateras ofta och i stor utsträckning används i i situ oceanic observationerna28 .
I detta dokument beskrivs en detaljerad experimentellt protokoll att simulera processen evolution Trappans DC, inklusive produktion, utveckling och försvinnande i stratifierat salthaltigt vatten värms upp underifrån. Temperatur och salthalt mäts av en mikroskala instrument samt DC trapporna som övervakas med shadowgraph teknik. Experiment, evolution processen, dataanalys och diskussion av resultaten beskrivs i detalj. Genom att ändra den ursprungliga och randvillkor, kan den nuvarande experiment och metod användas för att simulera andra oceanic fenomen, såsom den oceaniska horisontella konvektion, djuphavsfiske hydrotermiska utbrott, blandade ytskiktet fördjupning, effekten av ubåt jordvärme på havscirkulationen och så vidare.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna uppsats beskrivs en detaljerad experimentellt protokoll för att simulera de termohalina DC trappa strukturerna i en rektangulär tank. En inledande linjär densitet stratifiering av drivmedlet är konstruerad med två-tank-metoden. Den övre plattan hålls vid en konstant temperatur och den längst ned på konstant värmeflödet. Hela utvecklingen processen Trappans DC, inklusive dess generation, utveckling, mergence och försvinnande, visualiseras med shadowgraph teknik, och avvikelser i temperatur och salthalt…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av den kinesiska NSF bidrag (41706033, 91752108 och 41476167), Grangdong NSF bidrag (2017A030313242 och 2016A030311042) och LTO grant (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).
