Стабильная и нестабильная стратификация

Устойчивая стратификация жидкостей происходит, когда каждый слой менее плотен, чем тот, что находится под ним. Неустойчивая стратификация происходит, когда каждый слой плотнее, чем тот, что находится под ним.

Силы плавучести стремятся сохранить стабильную стратификацию; более высокие слои плавают на нижних. С другой стороны, при нестабильной стратификации силы плавучести вызывают конвекцию . Менее плотные слои поднимаются через более плотные слои выше, а более плотные слои опускаются через менее плотные слои ниже. Стратификаций может стать более или менее устойчивой, если слои изменят плотность. Задействованные процессы важны во многих областях науки и техники.

Дестабилизация и смешивание

Типичная схема смешивания для многих озер, вызванная тем, что вода менее плотная при температуре замерзания, чем при 4 градусах Цельсия. Стратификация озера стабильна летом и зимой, становясь нестабильной весной и осенью, когда поверхностные воды пересекают отметку 4 градуса Цельсия.

Устойчивые стратификации могут стать нестабильными, если слои изменят плотность. Это может произойти из-за внешних воздействий (например, если вода испаряется из пресноводной линзы , делая ее более соленой и плотной, или если кастрюля или слоистый напиток нагреваются снизу, делая нижний слой менее плотным). Однако это может произойти и из-за внутренней диффузии тепла (более теплый слой медленно нагревает соседний более холодный) или других физических свойств. Это часто вызывает смешивание на границе раздела, создавая новые диффузионные слои (см. фото кофе и молока).

Иногда два физических свойства диффундируют между слоями одновременно ; соль и температура, например. Это может привести к образованию диффузионных слоев или даже соляных пальцев , когда поверхности диффузионных слоев становятся настолько волнистыми, что возникают «пальцы» слоев, тянущиеся вверх и вниз.

Не все смешивание обусловлено изменениями плотности. Другие физические силы также могут смешивать устойчиво стратифицированные слои. Морские брызги и белые барашки (пенящаяся белая вода на волнах) являются примерами воды, смешанной с воздухом, и воздуха с водой, соответственно. В сильный шторм граница воздух/вода может стать нечеткой. Некоторые из этих ветровых волн являются волнами Кельвина-Гельмгольца . ^[1]

В зависимости от величины разницы скоростей и величины контраста плотности между слоями волны Кельвина-Гельмгольца могут выглядеть по-разному. Например, между двумя слоями воздуха или двумя слоями воды разница плотности намного меньше, и слои смешиваются; см. черно-белое видео модели.

Приложения

Планетарная наука

Литосфера Земли включает в себя восходящий тепловой поток , частичную конвекцию и ядро, состоящее из металлического слоя .

Стратификация широко распространена в планетарных науках.

Солнечная энергия проходит как видимое излучение через воздух и поглощается землей, чтобы быть повторно испущенной в виде теплового излучения. Нижняя атмосфера , таким образом, нагревается снизу (поглощение ультрафиолета в озоновом слое нагревает этот слой изнутри). Таким образом, наружный воздух обычно нестабильно стратифицирован и конвектирует, давая нам ветер. Температурные инверсии — это погодное явление, которое происходит всякий раз, когда область нижней атмосферы становится стабильно стратифицированной и, таким образом, перестает двигаться. ^{[2] [3]}

Океаны, с другой стороны, нагреваются сверху и обычно устойчиво стратифицированы. Только около полюсов самая холодная и соленая вода опускается. Глубокие океанские воды медленно нагреваются и опресняются за счет внутреннего смешивания (форма двойной диффузии ^[4] ), а затем снова поднимаются на поверхность.

Примеры:

• Стратификация (вода)
  • Стратификация океана , образование слоев воды в зависимости от температуры и солености в океанах.
  • Стратификация озера — образование слоев воды в зависимости от температуры, с перемешиванием весной и осенью в сезонном климате.
• Нестабильность атмосферы
• Атмосферная стратификация , разделение верхних слоев атмосферы Земли на устойчиво стратифицированные слои.
• Атмосферная циркуляция , вызванная неустойчивой стратификацией атмосферы
• Термохалинная циркуляция — циркуляция в океанах, несмотря на стабильную стратификацию.
• Стратифицированные потоки (например, поток через Гибралтарский пролив )

Инженерное дело

Вертикальный градиент температуры, вызванный устойчивой стратификацией воздуха внутри помещения. Обратите внимание на горячий воздух, поднимающийся конвективно от человека; тепло тела временно нарушает устойчивую стратификацию.

В инженерных приложениях стабильная стратификация или конвекция могут быть желательны или нежелательны. В любом случае ими можно намеренно манипулировать. Стратификация может сильно влиять на смешивание жидкостей, ^[5] что важно во многих производственных процессах.

• Теплый пол намеренно создает нестабильную стратификацию воздуха в помещении.
• Пассивное охлаждение основано на избирательном поощрении и нарушении стабильной стратификации для охлаждения помещений.

Ссылки

1. Zell, Holly; Fox, Karen C. (30 декабря 2014 г.). «Обсерватория солнечной динамики NASA ловит волны «серфера» на Солнце». NASA .
2. Mahrt, L. (3 января 2014 г.). "Устойчиво стратифицированные атмосферные пограничные слои" (PDF) . Annual Review of Fluid Mechanics . 46 (1): 23–45. Bibcode : 2014AnRFM..46...23M. doi : 10.1146/annurev-fluid-010313-141354.
3. "Устойчивая и неустойчивая стратификация атмосферы простыми словами". WINDY.APP .
4. Maiti, DK; Gupta, AS; Bhattacharyya, S. (1 декабря 2008 г.). «Стабильная/нестабильная стратификация при термосолевой конвекции в квадратной полости». Journal of Heat Transfer . 130 (12): 122001. doi :10.1115/1.2969757.
5. Сюй, Дуо; Чэнь, Цзюнь (декабрь 2016 г.). «О моделях смешивания для стратифицированных потоков, подверженных сопутствующим устойчивым и неустойчивым стратификациям». Журнал турбулентности . 17 (12): 1087–1111. Bibcode : 2016JTurb..17.1087X. doi : 10.1080/14685248.2016.1223846.