प्रसार संवहन में सीढ़ी संरचनाओं का विकास
Summary
प्रसार संवहन (डीसी) व्यापक रूप से प्राकृतिक प्रक्रियाओं और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में होता है, सजातीय संवहन परतों और स्तरीकृत इंटरफेस के साथ सीढ़ियां की एक श्रृंखला की विशेषता । एक प्रयोगात्मक प्रक्रिया डीसी सीढ़ी संरचना, एक आयताकार टैंक में पीढ़ी, विकास और गायब सहित, के विकास की प्रक्रिया अनुकरण करने के लिए वर्णित है ।
Abstract
प्रसार संवहन (डीसी) तब होता है जब ऊर्ध्वाधर स्तरीकृत घनत्व दो विरोध अदिश ढाल है कि अलग आणविक diffusivities है, और बड़े और छोटे-diffusivity अदिश ढाल नकारात्मक और सकारात्मक है द्वारा नियंत्रित किया जाता है घनत्व वितरण के लिए योगदान, क्रमशः । डीसी कई प्राकृतिक प्रक्रियाओं और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में होता है, उदाहरण के लिए, समुद्र विज्ञान, ताराभौतिकी और धातुकर्म. महासागरों में, डीसी के सबसे उल्लेखनीय सुविधाओं में से एक है कि ऊर्ध्वाधर तापमान और लवणता प्रोफाइल सीढ़ी की तरह संरचना, मोटी सजातीय संवहन परतों और अपेक्षाकृत पतली और उच्च ढाल इंटरफेस के साथ लगातार कदम से बना रहे हैं । डीसी सीढ़ियां कई महासागरों में देखा गया है, विशेष रूप से आर्कटिक और अंटार्कटिक महासागरों में, और महासागर संचलन और जलवायु परिवर्तन पर एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं । आर्कटिक महासागर में, वहां बेसिन चौड़ा और ऊपरी और गहरे महासागरों में लगातार डीसी सीढ़ियां मौजूद हैं । डीसी प्रक्रिया ऊपरी महासागर में मिश्रण diapycnal पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है और काफी सतह बर्फ पिघलने को प्रभावित कर सकते हैं । क्षेत्र टिप्पणियों की सीमाओं की तुलना में, प्रयोगशाला प्रयोग को प्रभावी ढंग से डीसी में गतिशील और ऊष्मा प्रक्रियाओं की जांच करने के लिए अपने अद्वितीय लाभ से पता चलता है, क्योंकि सीमा शर्तों और नियंत्रित मापदंडों सख्ती से समायोजित किया जा सकता है । यहाँ, एक आयताकार स्तरीकृत खारा पानी से भरा टैंक में, अपनी पीढ़ी, विकास और गायब सहित डीसी सीढ़ी संरचना के विकास की प्रक्रिया अनुकरण करने के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल का वर्णन किया गया है । प्रयोगात्मक सेटअप, विकास प्रक्रिया, डेटा विश्लेषण, और परिणामों की चर्चा विस्तार से वर्णित हैं ।
Introduction
डबल प्रसार संवहन (डीडीसी) सबसे महत्वपूर्ण ऊर्ध्वाधर मिश्रण प्रक्रियाओं में से एक है । यह तब होता है जब स्तरीकृत जल स्तंभ के ऊर्ध्वाधर घनत्व वितरण विपरीत दिशाओं, जहां घटक अलग आणविक diffusivities1है की दो या अधिक अदिश घटकों ढाल द्वारा नियंत्रित किया जाता है । यह व्यापक रूप से2समुद्र विज्ञान में होता है, वायुमंडल3,भूविज्ञान 4, ताराभौतिकी5, सामग्री विज्ञान6, धातुकर्म7, और स्थापत्य अभियांत्रिकी8. डीडीसी वैश्विक महासागर के लगभग आधे में मौजूद है, और यह ओशियानिक बहु पैमाने पर प्रक्रियाओं और यहां तक कि जलवायु परिवर्तन9पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है ।
डीडीसी के लिए दो प्राथमिक मोड हैं: साल्ट फिंगर (एस एफ) और प्रसारात्मक संवहन (DC). एस एफ तब होता है जब एक गर्म, नमकीन पानी जन कूलर, स्तरीकृत वातावरण में नवसिखुआ पानी पर निर्भर करता है । जब गर्म और नमकीन पानी ठंडे और ताजे पानी के नीचे निहित है, तो डीसी बनेगी । डीसी की उल्लेखनीय विशेषता यह है कि तापमान, लवणता और घनत्व के ऊर्ध्वाधर प्रोफाइल सीढ़ी की तरह हैं, alternant समरूप संवहन परतों और पतली, दृढ़ता से स्तरीकृत इंटरफेस द्वारा रचित । डीसी मुख्य रूप से इस तरह के आर्कटिक और अंटार्कटिक महासागरों, ओखोटस्क सागर, लाल सागर और अफ्रीकी Kivu झील10के रूप में उच्च अक्षांश महासागरों और कुछ आंतरिक नमक झीलों, में होता है । आर्कटिक महासागर में, वहां बेसिन चौड़ा और लगातार ऊपरी और गहरी महासागरों में डीसी सीढ़ियां मौजूद11,12। यह ऊपरी महासागर में मिश्रण diapycnal पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है और काफी बर्फ पिघलने, जो हाल ही में समुद्र विज्ञान समुदाय13में अधिक से अधिक हितों को प्रभावित कर सकते हैं ।
डीसी सीढ़ी संरचना पहले आर्कटिक महासागर में १९६९14में पता चला था । उसके बाद पदमन एंड डिलन15, Timmermans एट अल. 11, Sirevaag एंड Fer16, झोउ एंड लू12, Guthrie एट अल. 17, Bebieva एंड Timmermans18, और Shibley एट अल. 19 आर्कटिक महासागर के विभिन्न घाटियों में डीसी सीढ़ियां मापा, संवहनी परत और इंटरफेस के ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज तराजू सहित, सीढ़ी की गहराई और कुल मोटाई, ऊर्ध्वाधर गर्मी हस्तांतरण, डीसी प्रक्रियाओं में mesoscale एड़ी और सीढ़ी संरचनाओं के लौकिक और स्थानिक परिवर्तन । Schmid एट अल. 20 और Sommer एट अल. 21 Kivu झील में एक microstructure profiler का उपयोग करके डीसी सीढ़ियां मनाया । वे मुख्य संरचना सुविधाओं और डीसी की गर्मी प्रवाह की सूचना दी और मौजूदा पैरामीट्रिक सूत्र के साथ मापा गर्मी प्रवाह की तुलना में । कंप्यूटर प्रसंस्करण गति में सुधार के साथ, डीसी के संख्यात्मक सिमुलेशन हाल ही में किया गया है, उदाहरण के लिए, इंटरफेस संरचना और अस्थिरता की जांच करने के लिए, इंटरफेस के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण, परत विलय घटना, और इसलिए22पर, 23 , 24.
क्षेत्र अवलोकन बहुत oceanographers के लिए महासागर डीसी की समझ को बढ़ाया है, लेकिन माप दृढ़ता से अस्पष्ट ओशियानिक प्रवाह वातावरण और उपकरणों द्वारा सीमित है । उदाहरण के लिए, डीसी अंतरफलक एक अत्यंत छोटे ऊर्ध्वाधर पैमाने पर है, कुछ झीलों और महासागरों25में ०.१ मीटर से पतले, और कुछ विशेष उच्च संकल्प उपकरणों की जरूरत है । प्रयोगशाला प्रयोग डीसी के मौलिक गतिशील और ऊष्मा कानूनों की खोज में अपने अद्वितीय लाभ से पता चलता है । एक प्रयोगशाला प्रयोग के साथ, एक डीसी सीढ़ी के विकास का निरीक्षण कर सकते हैं, तापमान और लवणता को मापने, और ओशियानिक अनुप्रयोगों के लिए कुछ parameterizations का प्रस्ताव26,27। इसके अलावा, एक प्रयोगशाला प्रयोग में, नियंत्रित मापदंडों और शर्तों को आसानी से आवश्यक के रूप में समायोजित कर रहे हैं । उदाहरण के लिए, टर्नर पहले १९६५ में प्रयोगशाला में डीसी सीढ़ी अनुकरणीय और प्रसार अंतरफलक है, जो अक्सर अद्यतन किया गया था और बड़े पैमाने पर में प्रयोग किया जाता है एक गर्मी हस्तांतरण parameterization में सीटू ओशियानिक प्रेक्षणों में 28 .
इस पत्र में, एक विस्तृत प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल डीसी सीढ़ी के विकास की प्रक्रिया का अनुकरण करने के लिए वर्णित है, पीढ़ी, विकास और गायब सहित, नीचे से गर्म स्तरीकृत खारा पानी में । तापमान और लवणता को माइक्रो स्केल यंत्र से मापा जाता है साथ ही डीसी सीढ़ियां shadowgraph तकनीक से निगरानी की जा रही है । प्रयोगात्मक सेटअप, विकास प्रक्रिया, डेटा विश्लेषण, और परिणामों की चर्चा विस्तार से वर्णित हैं । प्रारंभिक और सीमा की स्थिति में फेरबदल करके, वर्तमान प्रयोगात्मक सेटअप और विधि अन्य ओशियानिक घटनाएं अनुकरण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता, जैसे कि ओशियानिक क्षैतिज संवहन, गहरे समुद्र जलतापीय विस्फोट, सतह मिश्रित परत गहरा, के प्रभाव महासागर संचलन पर पनडुब्बी geothermal, और इतने पर ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस पत्र में एक विस्तृत प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल एक आयताकार टैंक में thermohaline डीसी सीढ़ी संरचनाओं अनुकरण करने के लिए वर्णित है । एक प्रारंभिक रैखिक घनत्व स्तरीकरण काम कर द्रव का निर्माण किया है दो टैंक विधि क…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस कार्य के लिए चीनी NSF अनुदान (४१७०६०३३, ९१७५२१०८ और ४१४७६१६७), Grangdong NSF अनुदान (2017A030313242 और 2016A030311042) और LTO अनुदान (LTOZZ1801) का समर्थन किया गया.
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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