Поверхностный слой

Поверхностный слой - это слой жидкости, в котором масштаб турбулентных вихрей ограничен их близостью к границе раздела. Объекты, выделенные белым выше, представляют собой турбулентные водовороты, размер которых ограничен близостью центра каждого водоворота к поверхности.

Поверхностный слой представляет собой слой турбулентной жидкости , наиболее пострадавших от взаимодействия с твердой поверхностью или поверхностью , разделяющей газом и жидкостью , где характеристика турбулентности зависит от расстояния от границы раздела. Поверхностные слои характеризуются большими нормальными градиентами от тангенциальной скорости и больших градиентов концентрации любых веществ ( температур , влажности , осадки и так далее) , транспортируемой в или из интерфейса.

Термин « пограничный слой» используется в метеорологии и физической океанографии . Поверхностный слой атмосферы - это самая нижняя часть атмосферного пограничного слоя (обычно нижние 10%, где действителен профиль бревенчатого ветра ). Океан имеет два поверхностных слоя: бентосный , расположенный непосредственно над морским дном, и морской поверхностный слой на границе раздела воздух-море .

Математическая формулировка [ править ]

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

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

и вертикальный поток аналогично:${\displaystyle \ w}$

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

мы можем выразить поток турбулентного количества движения через поверхность как усредненную по времени величину вертикального турбулентного переноса горизонтального турбулентного количества движения :${\displaystyle \ u_{*}}$${\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 на коэффициент вихревой вязкости равным :${\displaystyle \ K_{m}}$${\displaystyle \ u_{*}^{2}}$

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

где определяется в терминах гипотезы длины смешения Прандтля :${\displaystyle \ K_{m}}$

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

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

Тогда мы можем выразить это как:${\displaystyle \ u_{*}}$

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

Предположения о длине смешивания [ править ]

Из рисунка выше мы можем видеть, что размер турбулентного водоворота у поверхности ограничен его близостью к поверхности; турбулентные вихри, центрированные около поверхности, не могут быть такими же большими, как вихри, центрированные дальше от поверхности. Из этого рассмотрения, и в нейтральных условиях, разумно предположить , что смешивание длины , пропорционально глубине вихревой в поверхности:${\displaystyle \ \xi '}$

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

где - глубина, известная как постоянная Кармана . Таким образом, градиент можно интегрировать для решения :${\displaystyle \ z}$${\displaystyle \ k}$${\displaystyle \ {\overline {u}}}$

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

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

Поверхностный слой в океанографии [ править ]

Поверхностный слой изучается в океанографии ^[3], поскольку как ветровое напряжение, так и действие поверхностных волн могут вызывать турбулентное перемешивание, необходимое для образования поверхностного слоя.

Мировой океан состоит из множества различных водных масс . 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. 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 друг с другом. 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 [ править ]

Логарифмический профиль потока давно наблюдается в океане, но недавние высокочувствительные измерения выявили 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 турбулентности в озере Онтарио показывают, что в условиях обрушения волн традиционная теория значительно недооценивает производство турбулентной кинетической энергии в поверхностном слое. ^[6]

Суточный цикл [ править ]

На глубину поверхностного перемешанного слоя влияет солнечная инсоляция и, таким образом, он связан с суточным циклом. Обнаружено, что после ночной конвекции над океаном турбулентный поверхностный слой полностью разрушается и ограничивается. Распад вызван уменьшением солнечной инсоляции , дивергенцией турбулентного потока и релаксацией боковых градиентов. ^[7]В ночное время поверхность океана охлаждается, потому что атмосферная циркуляция уменьшается из-за изменения температуры с заходом солнца каждый день. Более прохладная вода менее плавучая и будет тонуть. Этот эффект плавучести вызывает перенос водных масс 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, заставляющей нагретую воду подниматься вверх. Весь цикл будет повторяться, и вода будет перемешиваться в течение следующей ночи. ^[8]

Обычно поверхностный перемешанный слой занимает только первые 100 метров океана, но может достигать 150 метров в конце зимы. Суточный цикл не меняет существенно 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 менее вероятно, чем в регионах средних широт, чтобы иметь смешанный слой, зависящий от суточных изменений температуры. В одном исследовании изучалась суточная изменчивость глубины смешанного слоя в западной экваториальной части Тихого океана. Результаты свидетельствуют об отсутствии 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]

См. Также [ править ]

• Пограничный слой
• Смешанный слой
• Плотность
• Соленость

Ссылки [ править ]