Entwicklung der Treppe Strukturen in diffusiven Konvektion
Summary
Diffusiven Konvektion (DC) tritt häufig in natürlichen Prozessen und technischen Anwendungen, zeichnet sich durch eine Reihe von Treppen mit homogenen convecting Schichten und geschichteten Schnittstellen. Ein experimentelles Verfahren wird beschrieben, der Evolutionsprozess der DC Treppe Struktur, einschließlich Erzeugung, Entwicklung und verschwinden in einem rechteckigen Tank zu simulieren.
Abstract
Diffusiven Konvektion (DC) tritt auf, wenn die vertikale geschichtete, Dichte wird durch zwei gegenüberliegende skalare Steigungen, die deutlich unterschiedliche Molekulare Diffusionsfähigkeit gesteuert, und die größeren und kleineren diffusivität skalare Steigungen haben negative und positive Beiträge für die Dichteverteilung bzw.. DC tritt in vielen natürlichen Prozessen und technischen Anwendungen, zum Beispiel, Ozeanographie, Astrophysik und Metallurgie. In den Ozeanen ist eines der bemerkenswertesten Features von DC, dass die Vertikalprofile von Temperatur und Salzgehalt Treppe-artige Struktur, bestehend aus aufeinanderfolgenden Schritten mit dicken homogenen convecting Schichten und relativ dünn und hoch-Gradient Schnittstellen. Die DC-Treppen in vielen Meeren, vor allem in der Arktis und Antarktis Ozeane eingehalten worden und spielen eine wichtige Rolle auf der Ozeanzirkulation und Klimawandel. In den Arktischen Ozean existieren Beckenweite und anhaltende DC Treppen in die oberen und tiefen Ozeanen. Der DC-Prozess hat einen wichtigen Einfluss auf diapyknischen Vermischung im oberen Ozean und die Oberfläche Eisschmelze erheblich beeinflussen kann. Im Vergleich zu Einschränkungen der Feldbeobachtung, zeigt Laborexperiment seine einzigartigen Vorteil, die dynamische und thermodynamische Prozesse in DC, effektiv zu prüfen da die Randbedingungen und die kontrollierte Parameter streng eingestellt werden können. Hier wird ein detailliertes Protokoll beschrieben, der Evolutionsprozess der DC Treppe Struktur, einschließlich seiner Generation, Entwicklung und verschwinden in einem rechteckigen Behälter gefüllt mit geschichteten salzhaltigem Wasser zu simulieren. Der Versuchsaufbau, Evolutionsprozess, Datenanalyse und Diskussion der Ergebnisse werden detailliert beschrieben.
Introduction
Doppelte diffusiven Konvektion (DDC) ist eines der wichtigsten vertikalen mischprozesse. Es tritt auf, wenn die vertikalen Dichteverteilung der geschichteten Wassersäule von mindestens zwei skalaren Komponenten Gradienten entgegengesetzten Richtungen gesteuert wird wo die Komponenten deutlich unterschiedliche Molekulare Diffusionsfähigkeit1haben. Es tritt allgemein in Ozeanographie2, die Atmosphäre3, Geologie4, Astrophysik5, materielle Wissenschaft6, Metallurgie7und architektonischen engineering8. DDC ist in fast der Hälfte des globalen Ozeans, und es hat wichtige Auswirkungen auf die ozeanischen Multi-Skalen-Prozesse und sogar klimatische Veränderungen9.
Es gibt zwei primäre Modi für DDC: Salz Finger (SF) und diffusiven Konvektion (DC). SF tritt auf, wenn eine warme, salzige Wasser Masse liegt Kühler, frischer Wasser in der geschichteten Umgebung. Wenn die warme und salzigen Wasser unter der kalten und frisches Wasser liegt, bilden die DC. Die bemerkenswerte Eigenschaft des DC ist, dass die Vertikalprofile von Temperatur, Salzgehalt und Dichte Treppe-Like, komponiert von Alternant homogene Schichten und dünne, stark stratifizierten Schnittstellen Konvektion. DC tritt vor allem in hohen Breitengraden Ozeanen und einige innere Salzseen, wie der Arktis und Antarktis Ozean, dem Ochotskischen Meer, das Rote Meer und afrikanischen Kivu-See10. In den Arktischen Ozean existieren Beckenweite und anhaltende DC Treppen in die oberen und tiefen Ozean11,12. Es hat einen wichtigen Einfluss auf diapyknischen im oberen Ozean mischen und das Eis-schmelzen, das vor kurzem immer mehr Interesse in der Ozeanographie Gemeinschaft13 weckterheblich beeinflussen kann.
Die DC-Treppe-Struktur wurde im Nordpolarmeer im 196914entdeckt. Nach diesem, Padman & Dillon15Timmermans Et Al. 11, Sirevaag & Fer16, Zhou & Lu12, Guthrie Et Al. 17, Bebieva & Timmermans18und Shibley Et Al. 19 gemessen DC Treppen in verschiedenen Becken des Arktischen Ozeans, einschließlich die vertikale und horizontale Skalen der convecting Schicht und Schnittstelle, die Tiefe und die Gesamtdicke des Treppenhauses, die vertikale Wärmeübertragung, die DC-Prozesse in Mesoskalige Eddy und die zeitlichen und räumlichen Änderungen der Treppe Strukturen. Schmid Et Al. 20 und Sommer Et al. 21 beobachtet die DC-Treppen mit einer Mikrostruktur Profiler im Kivu-See. Sie berichteten die Hauptstruktur Features und Wärmestromes von DC und im Vergleich der gemessenen Wärmestromes mit der bestehenden parametrischen Formel. Mit Computer Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern die numerischen Simulationen von DC habe vor kurzem gemacht, beispielsweise, um die Schnittstelle zu untersuchen Struktur und Instabilität, Wärmeübertragung über Schnittstelle Schicht verschmelzenden Ereignis, und so weiter22, 23 , 24.
Gebiet Beobachtung wurde stark verbessert das Verständnis des Ozeans DC für Ozeanographen, aber die Messung wird durch unbestimmte ozeanischen Fluss Umgebungen und Instrumente stark begrenzt. Beispielsweise die DC-Schnittstelle hat eine extrem kleine vertikale Skala dünner als 0,1 m in einigen Seen und Ozeanen25, und einige hochauflösende Spezialinstrumente benötigt. Die Labor-Experiment zeigt seine einzigartige Vorteile in der Erforschung der dynamische und thermodynamische Grundgesetze der DC. Mit einem Laborexperiment kann man beobachten die Entwicklung der DC-Treppe, messen die Temperatur und Salzgehalt und schlagen einige Parametrisierungen der ozeanischen Anwendungen26,27. Darüber hinaus in einem Laborexperiment die kontrollierten Parameter und Bedingungen sind leicht angepasst nach Bedarf. Z. B. Turner zunächst simuliert die DC-Treppe im Labor im Jahr 1965 und schlug eine Hitze-Transfer-Parametrierung über die diffusive Schnittstelle, die häufig aktualisiert und weitgehend verwendet in der in Situ ozeanischen Beobachtungen28 .
In diesem Papier wird ein detailliertes Protokoll der experimentellen beschrieben der Evolutionsprozess der DC Treppe, einschließlich Erzeugung, Entwicklung und verschwinden, in geschichteten salzhaltigem Wasser von unten beheizt zu simulieren. Die Temperatur und der Salzgehalt gemessen ein Mikromaßstab Instrument sowie die DC-Treppen mit der schattenabbildung Technik überwacht wird. Der Versuchsaufbau, Evolutionsprozess, Datenanalyse und Diskussion der Ergebnisse werden detailliert beschrieben. Durch die Veränderung der Anfangs- und Randbedingungen, die vorliegenden experimentellen Aufbau und Methode lässt sich simulieren, andere ozeanische Phänomene, wie die ozeanischen horizontale Konvektion, Tiefsee hydrothermalen Eruptionen, gemischte Oberflächenschicht Vertiefung, die Wirkung von u-Boot Geothermie auf Ozeanzirkulation und So weiter.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Papier wird ein detailliertes Protokoll der experimentellen beschrieben, um die Thermohaline DC Treppe Strukturen in einem rechteckigen Tank zu simulieren. Eine lineare anfangsdichte Schichtung Arbeitsfluid ist aufgebaut mit der zwei-Tank-Methode. Die obere Platte wird auf eine Konstante Temperatur und die untere bei konstanten Wärmestrom gehalten. Der gesamte Evolutionsprozess der DC Treppe, einschließlich seiner Generation, Entwicklung, Verschmelzung und verschwinden, werden mit der schattenabbildung Techni…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von den chinesischen NSF-Stipendien (41706033, 91752108 und 41476167), Grangdong NSF Zuschüsse (2017A030313242 und 2016A030311042) und LTO Grant (LTOZZ1801) unterstützt.
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
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