Поверхностный слой - Surface layer

Поверхностный слой - это слой жидкости, в котором наблюдается масштаб турбулентности. Эдди ограничено близостью водоворотов к границе раздела. Объекты, выделенные белым выше, представляют собой турбулентные водовороты, размер которых ограничен близостью центра каждого водоворота к поверхности.

В поверхностный слой слой турбулентной жидкости, наиболее подверженный влиянию взаимодействия с твердой поверхностью или поверхностью, разделяющей газ и жидкость, где характеристики турбулентность зависят от расстояния от интерфейса. Поверхностные слои характеризуются большим нормальным градиенты из касательный скорость и большие градиенты концентрации любых веществ (температура, влажность, отложения и так далее) транспортируется в интерфейс или из него.

Период, термин пограничный слой используется в метеорология И в физическая океанография. Приземный слой атмосферы - самая нижняя часть пограничный слой атмосферы (обычно нижние 10%, где профиль ветра журнала действует). Океан имеет два поверхностных слоя: бентосный, находится непосредственно над морское дно и морской поверхностный слой, в воздухе-море интерфейс.

Математическая формулировка

Просто модель поверхностного слоя можно получить, сначала исследуя турбулентный поток импульса через поверхность.^[1]Использование разложения Рейнольдса для выражения горизонтального потока в ${\displaystyle x}$ направление как сумма медленно меняющейся составляющей,${\displaystyle {\overline {u}}}$, и турбулентная составляющая,${\displaystyle \ u'}$,:

${\displaystyle u={\overline {u}}+u'}$ ^[2]

и вертикальный поток, ${\displaystyle \ w}$аналогичным образом:

${\displaystyle w={\overline {w}}+w'}$

мы можем выразить поток турбулентного количества движения через поверхность, ${\displaystyle \ u_{*}}$ как усредненная по времени величина вертикального турбулентного переноса горизонтального турбулентного количества движения, ${\displaystyle \ u'w'}$:

${\displaystyle u_{*}^{2}=\left|{\overline {(u'w')_{s}}}\right|}$.

Если поток в пределах области однороден, мы можем установить произведение вертикального градиента среднего горизонтального потока и коэффициента вихревой вязкости ${\displaystyle \ K_{m}}$ равно ${\displaystyle \ u_{*}^{2}}$:

${\displaystyle \ K_{m}{\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial z}}=u_{*}^{2}}$,

где ${\displaystyle \ K_{m}}$ определяется в терминах Прандтль гипотеза длины смешивания:

${\displaystyle \ K_{m}={\overline {\xi '^{2}}}\left|{\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial z}}\right|}$

где ${\displaystyle \ \xi '}$ - длина смешивания.

Затем мы можем выразить ${\displaystyle \ u_{*}}$ так как:

${\displaystyle {\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial z}}={\frac {u_{*}}{\overline {\xi '}}}}$.

Предположения о длине смешивания

Из рисунка выше мы можем видеть, что размер турбулентного водоворота у поверхности ограничен его близостью к поверхности; турбулентные водовороты, центрированные около поверхности, не могут быть такими же большими, как вихри, расположенные дальше от поверхности. Исходя из этого соображения и в нейтральных условиях, разумно предположить, что длина смешивания, ${\displaystyle \ \xi '}$ пропорционально глубине вихря на поверхности:

${\displaystyle \ \xi '=kz}$,

где ${\displaystyle \ z}$ это глубина и ${\displaystyle \ k}$ известен как фон Карман постоянный. Таким образом, градиент может быть интегрирован для решения ${\displaystyle \ {\overline {u}}}$:

${\displaystyle {\overline {u}}={\frac {u_{*}}{k}}\ln {\frac {z}{z_{o}}}}$.

Итак, мы видим, что средний поток в поверхностном слое имеет логарифмический отношения с глубиной. В ненейтральных условиях на длину перемешивания также влияют силы плавучести и Теория подобия Монина-Обухова требуется для описания профиля горизонтального ветра.

Поверхностный слой в океанографии

Поверхностный слой изучается в океанографии,^[3] как и напряжение ветра а действие поверхностных волн может вызвать турбулентное перемешивание, необходимое для образования поверхностного слоя.

Мировой океан состоит из множества различных водные массы. Каждый из них имеет определенные характеристики температуры и солености в результате того места, в котором они образовались. Образовавшись в определенном источнике, водная масса будет перемещаться на некоторое расстояние посредством крупномасштабной циркуляции океана. Обычно поток воды в океане описывается как турбулентный (т.е. он не следует по прямым линиям). Водные массы могут перемещаться через океан в виде турбулентных водоворотов или водоворотов, обычно вдоль поверхностей постоянной плотности (изопикнических), где расход энергии наименьший. Когда эти турбулентные водовороты разных водных масс взаимодействуют, они смешиваются. При достаточном перемешивании достигается некоторое устойчивое равновесие и образуется смешанный слой.^[4] Турбулентные водовороты также могут быть вызваны ветровым воздействием атмосферы океана. Этот вид взаимодействия и перемешивания за счет плавучести на поверхности океана также играет роль в образовании поверхностного перемешанного слоя.

Расхождения с традиционной теорией

Логарифмический профиль потока уже давно наблюдается в океане, но недавние высокочувствительные измерения выявляют подслой в поверхностном слое, в котором турбулентные водовороты усиливаются действием поверхностных волн.^[5]Становится ясно, что поверхностный слой океана плохо смоделирован как упирающийся в «стену» взаимодействия воздух-море.^[6]Наблюдения за турбулентностью в озере Онтарио показывают, что в условиях обрушения волн традиционная теория значительно недооценивает производство турбулентной кинетической энергии в поверхностном слое.^[6]

Суточный цикл

Глубина поверхностного перемешанного слоя зависит от солнечной инсоляции и, таким образом, связана с суточным циклом. Обнаружено, что после ночной конвекции над океаном турбулентный поверхностный слой полностью разрушается и сдерживается. Распад вызван уменьшением солнечной инсоляция, дивергенция турбулентного потока и релаксация боковых градиентов.^[7]В ночное время поверхность океана охлаждается, потому что циркуляция атмосферы снижается из-за изменения температуры с заходом солнца каждый день. Более прохладная вода менее плавучая и будет тонуть. Этот эффект плавучести заставляет водные массы переноситься на более низкие глубины, даже меньшие, чем в дневное время. В течение следующего дня вода на глубине ограничена или не перемешана из-за нагревания морской поверхности и плавучести, толкающей нагретую воду вверх. Весь цикл будет повторяться, и вода будет перемешиваться в течение следующей ночи.^[8]

В целом поверхностный перемешанный слой занимает только первые 100 метров океана, но может достигать 150 метров в конце зимы. Суточный цикл не меняет значительно глубину перемешанного слоя по сравнению с сезонным циклом, который вызывает гораздо большие изменения температуры поверхности моря и плавучести. С помощью нескольких вертикальных профилей можно оценить глубину смешанного слоя, задав заданную разницу в температуре или плотности воды между наземными и глубоководными наблюдениями - это известно как «пороговый метод».^[8]

Однако этот суточный цикл не имеет такого же эффекта в средних широтах, как в тропических широтах. В тропических регионах меньше шансов, чем в регионах средних широт, иметь смешанный слой, зависящий от суточных изменений температуры. В одном исследовании изучалась суточная изменчивость глубины смешанного слоя в западной экваториальной части Тихого океана. Результаты показали отсутствие заметного изменения глубины смешанного слоя со временем суток. Значительные осадки в этой тропической зоне приведут к дальнейшему расслоению смешанного слоя.^[9] Другое исследование, сосредоточенное на центральной экваториальной части Тихого океана, обнаружило тенденцию к увеличению глубины смешанного слоя в ночное время.^[10] В одном исследовании было показано, что внетропический или среднеширотный смешанный слой больше подвержен влиянию суточной изменчивости, чем результаты двух исследований тропического океана. В течение 15-дневного периода исследований в Австралии суточный цикл смешанного слоя повторялся последовательно с затухающей турбулентностью в течение дня.^[7]

Смотрите также

• Пограничный слой
• Смешанный слой
• Плотность
• Соленость

использованная литература

1. Холтон, Джеймс Р. (2004). «Глава 5 - Планетарный пограничный слой». Динамическая метеорология. Международная серия по геофизике. 88 (4-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Elsevier Academic Press. С. 129–130. ISBN  9780123540157.
2. «Разложение Рейнольдса». Университет штата Флорида. 6 декабря 2008 г.. Получено 2008-12-06.
3. «Лаборатория динамики прибрежных и океанских флюидов». КТО Я. 10 декабря 2008 г.. Получено 2008-12-10.
4. «Круговорот океана». Открытый университет. 2001.
5. Крейг, Питер Д.; Майкл Л. Баннер (1994). «Моделирование турбулентности, усиленной волнами, в поверхностном слое океана». Журнал физической океанографии. 24 (12): 2546–2559. Bibcode:1994JPO .... 24.2546C. Дои:10.1175 / 1520-0485 (1994) 024 <2546: MWETIT> 2.0.CO; 2.
6. Agrawal, Y.C .; Terray, E. A .; Донелан, М. А .; Hwang, P.A .; Уильямс, А. Дж .; Drennan, W. M .; Kahma, K. K .; Кртайгородский, С. А. (1992). «Повышенная диссипация кинетической энергии под поверхностными волнами». Природа. 359 (6392): 219–220. Bibcode:1992Натура.359..219А. Дои:10.1038 / 359219a0. ISSN  0028-0836.
7. Caldwell, D. R .; Lien, R-C .; Moum, J. N .; Грегг, М. С. (1997). «Затухание и ограничение турбулентности в поверхностном слое экваториального океана после ночной конвекции». Журнал физической океанографии. 27 (6): 1120–1132. Bibcode:1997JPO .... 27.1120C. Дои:10.1175 / 1520-0485 (1997) 027 <1120: TDARIT> 2.0.CO; 2. ISSN  0022-3670.
8. Талли, Линн (2011). «Глава 4 - Типичное распределение характеристик воды». Описательная физическая океанография: введение (6-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Elsevier Academic Press. С. 74–76.
9. Лукас, Роджер; Линдстрем, Эрик (1991). «Смешанный слой западной экваториальной части Тихого океана». Журнал геофизических исследований. 96 (S01): 3343–3357. Bibcode:1991JGR .... 96.3343L. Дои:10.1029 / 90jc01951.
10. Gregg, M. C .; ПЕТЕРС Х .; WESSON J. C .; OAKEY N. S .; ШЭЙ Т. Дж. (1985). «Интенсивные измерения турбулентности и сдвига в экваториальном подводном течении». Природа. 318 (6042): 140–144. Bibcode:1985Натура.318..140Г. Дои:10.1038 / 318140a0.