Diese Arbeit wurde von den chinesischen NSF-Stipendien (41706033, 91752108 und 41476167), Grangdong NSF Zuschüsse (2017A030313242 und 2016A030311042) und LTO Grant (LTOZZ1801) unterstützt.

1. arbeiten Tank
Hinweis: Das Experiment ist in einem rechteckigen Behälter durchgeführt. Der Tank umfasst oberen und unteren Platten und einer Seitenwand. Die oberen und unteren Platten bestehen aus Kupfer mit galvanischen Oberflächen. Es gibt eine wasserkammer innerhalb der oberen Platte. Ein elektrisches Heizkissen ist in die Bodenplatte eingelegt. Die Seitenwand besteht aus transparentem Plexiglas. Die Tankgröße ist LX = 257 mm (Länge), Ly = 65 mm (Breite) und LZ = 257 mm (Höhe). Die Stärke der Seitenwand ist 9,5 mm.
<ol><li>Reinigen Sie die Kupferplatten und Plexiglas Seitenwand sorgfältig mit destilliertem Wasser.</li>
	<li>Montieren Sie den Tank mit Schrauben um sicherzustellen, dass der Tank dicht ist.</li>
	<li>Ein Edelstahl-Tragrahmen (Höhe 150 mm) auf einer optischen Tisch richten Sie ein und reparieren Sie den Tank oberhalb des Rahmens mit einer wärmeisolierenden Platte dazwischen, wodurch die Wärmeverluste aus den Arbeitsbehälter zur Tabelle eingeschränkt.</li>
	<li>Legen Sie drei thermistoren (Temperaturstabilität von 0,01 ° C) in jeder Platte und verbinden Sie sie mit einem digitalen Multimeter. Beachten Sie, dass diese Thermistoren verwendet werden, um die Temperaturen der oberen und unteren Platten zu überwachen.</li>
	<li>Legen Sie eine Mikromaßstab Leitfähigkeit und Temperatur Instrument (STUDIENVERLÄNGERUNG) im Inneren des Tanks und verbinden Sie es zu einem Multifunktions-Daten Akquisition (MDA). STUDIENVERLÄNGERUNG zu einem motorisierten präzise Übersetzung Stadium (MPT) zu beheben. Hinweis: Beachten Sie, dass der STUDIENVERLÄNGERUNG rauf und runter durch die vertikal bewegen, bewegt werden kann, so dass die Temperatur und den Salzgehalt Profile des Arbeitsmediums erzielt werden. Hier hat der STUDIENVERLÄNGERUNG Temperaturstabilität von 0,01 ° C und Salzgehalt Stabilität von 1 %. Der MPT hat Positionsgenauigkeit von 0,005 mm.</li>
	<li>Legen Sie die Parameter in entsprechende Software-Programme von der Digital-Multimeter und Multifunktions-Datenerfassung, wie Sampling-Raten, Erwerb Datenkanäle und Lagerung Pfade. Hier, setzen Sie die Sampling-Raten von der digital-Multimeter und Multifunktions-Datenerfassung als 1.0 und 128 Hz, beziehungsweise.</li>
	<li>Stellen Sie die beweglichen Parameter in das Software-Programm von der MPT, einschließlich die ursprüngliche Position, die niedrigsten und höchsten Positionen, Bewegung, Geschwindigkeit und Beschleunigung, von der STUDIENVERLÄNGERUNG ein. Hier legen Sie die beweglichen Geschwindigkeit und Beschleunigung als 1 mm/s bis 0,5 mm/s2, und die niedrigsten und höchsten Positionen als 20 und 220 mm über der Bodenplatte. Dies führt zu einen Zeitraum von MPTS 404 s für eine auf-ab-Messung. Die Anfangsposition der STUDIENVERLÄNGERUNG auf der niedrigsten Position gesetzt.</li>
	<li>Halten Sie die Raumtemperatur nahezu konstant ca. 24 ° C mit zwei Hochleistungs-Klimaanlagen (Kraft von 3000 W).</li>
</ol>2. optische Apparate
Hinweis: Während des Versuchs, die Entwicklung der DC Treppe würde überwacht werden mit der schattenabbildung-Technik mit erfüllt die folgenden Verfahren
<ol><li>Befestigen Sie ein Stück Transparentpapier (25,7 x 25,7 cm) an der Außenseite des Tanks.</li>
	<li>Verwenden Sie eine schmalen Strahl-LED-Lampe als Lichtquelle. Legen Sie die Lichtquelle ca. 5 m Weg von der anderen Seite des Tanks, so dass ein fast kollimierten Licht erzeugt werden kann. Hinweis, die während des Versuchs der DC Fluid Struktur geschichtet ist wegen der Dichteänderung (entsprechend der Änderung des Brechungsindex) der Flüssigkeit auf dem Transparentpapier beleuchtet.</li>
	<li>Legen Sie einen High-Speed-Camcorder auf der gleichen Seite das Pauspapier. Es ist ca. 1 m vom Tank, so dass die geschichteten Strukturen mit dem Full-Size-Tank aufgezeichnet werden können.</li>
	<li>Legen Sie die Sampling-Rate des Camcorders. Beachten Sie, dass die Sampling-Rate, die die Details der Treppe Entwicklungen zu erfassen sein sollte. Hier ist die Sampling-Rate des Camcorders 25 Hz.</li>
	<li>Schalten Sie die Lampe und Camcorder, und ihre Tränke und Entfernungen leicht anzupassen, um sicherzustellen, dass klar, dass Bilder von der Camcorder erfasst werden kann.</li>
</ol>(3) Arbeitsfluid
<ol><li>Bereiten Sie die Kochsalzlösung und frisches Wasser in zwei Tanks.<ol>
<li>Zwei identische rechteckige Tanks (Tank A und Tank B) durch einen flexiblen Schlauch (10 cm lang, innen-ø 6 mm und 10 mm Außendurchmesser) von der Unterseite eines jeden beitreten.</li>
		<li>Füllung Tank A mit salzhaltigem Wasser, seine Konzentration von Salz (z. B. Salinität) beträgt 60 g/kg in diesem Beispiel.</li>
		<li>Füllen Sie den Tank B mit ein gleiches Volumen de vergast frisches Wasser, und verwenden Sie eine elektrische Magnetrührer, um kontinuierlich die Flüssigkeit zu homogenisieren.</li>
		<li>Halten Sie der ersten fluidtemperatur in beiden Tanks dasselbe wie die Raumtemperatur (24 ° C).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Lineare Dichte Schichtung in den Arbeitsbehälter zu etablieren.<ol>
<li>Verwenden Sie die Doppel-Tank Methode29 , um eine anfängliche lineare Schichtung des Salzwassers in den Arbeitsbehälter herzustellen.</li>
		<li>Legen Sie auf gleicher Höhe, die 30 cm höher als der Arbeitsbehälter Tank A und B. Begleiten Sie Tank B und den Arbeitsbehälter mit einem anderen Schlauch (50 cm lang, 2 mm Innendurchmesser und 5 mm Außendurchmesser) von ihrer Böden. Aufgrund der Flüssigkeitsdruck Unterschied in diesen beiden Becken kann die Flüssigkeit im Tank B langsam in den Arbeitsbehälter injiziert werden.</li>
		<li>Kontrolle der Fließgeschwindigkeit mit einer peristaltischen Pumpe bei 0,45 mL/s. Hinweis die ganze Zeit Wasser-Füllung für den Arbeitsbehälter ist etwa 3 h berechnen der Salzgehalt am unteren Rand der Arbeitsbehälter auf29 basiert . <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq1.jpg">(1) wo SA, V und V0 sind Salzgehalt des Tank A, Fluid Endvolumen von den Arbeitsbehälter und das anfängliche fluidvolumen von Tank A (oder B), beziehungsweise. Mit Hilfe des Salzgehalts an der Unterseite SB und das frische Wasser an der Spitze, ist die Auftrieb Frequenz des ersten Schichtung N0 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq2.jpg">(2) wo g ist die Erdbeschleunigung, ρ0 ist bezugsdichte und β ist Salzgehalt Kontraktion Koeffizienten. Hinweis die N0 wird als 1.14 rad/s in diesem Beispiel berechnet.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Durchführung des Experiments
<ol><li>Legen Sie die Randbedingungen für die Arbeitsbehälter.<ol>
<li>Schließen Sie die wasserkammer der oberen Platte an einen gekühlten Thermostaten mit acht gleichmäßig verteilte weiche Plastikröhrchen (150 cm lang, 10 mm Innendurchmesser und 15 mm Außendurchmesser). Beachten Sie, dass die Temperatur der oberen Platte hängt von der Temperatur des gekühlten Thermostaten. Stellen Sie die Temperatur der oberen Platte, die Raumtemperatur (24 ° C) identisch sein.</li>
		<li>Verbinden Sie das elektrische Heizkissen in der Bodenplatte ein Gleichstrom-Versorgung. Hinweis ein ständiger Wärmestrom ist das Arbeitsfluid während dieses Experiments versehen, die als berechnet wird <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq3.jpg">(3) wo U, R und A die Versorgungsspannung, pad elektrischer Widerstand und Nutzfläche von Elektroheizung, beziehungsweise. In diesem Beispiel sind der Widerstand und die effektive Fläche 44,12 Ohm und 1,89 × 10-2 m2. Stellen Sie die gelieferte Spannung wie 60 V, so dass die gesamte Wärme flux Fh 4317 W/m2.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Schalten Sie den Camcorder, den Strömungsverlauf aufzuzeichnen.</li>
	<li>Schalten Sie den Digital-Multimeter, Multifunktions-Datenerfassung, die Temperatur der oberen und unteren Platten und der Temperatur und der Salzgehalt der Flüssigkeit mit der STUDIENVERLÄNGERUNG zu überwachen.</li>
	<li>Schalten Sie MPTS Umzug der STUDIENVERLÄNGERUNG rauf und runter, die Temperatur und den Salzgehalt Profile des Arbeitsmittels zu erreichen.</li>
	<li>Aktivieren Sie gekühlte Thermostaten und der Gleichstrom-Versorgung, die oberen und unteren Randbedingungen des Arbeitsmittels zu erreichen. Hinweis: Beachten Sie, dass das ganze Experiment Erzeugung, Entwicklung, Verschmelzung und verschwinden von der DC-Treppe erleben, und es dauert ca. 5 Stunden. Schalten Sie nach dem Verschwinden von allen DC-Treppen die Gleichstrom-Versorgung, Kühlschrank Thermostat, MPTS, Digital-Multimeter, Multifunktions-Datenerfassung und Camcorder wiederum.</li>
</ol>5. Datenverarbeitung
<ol><li>Schattenabbildung Bild<ol>
<li>Verwenden Sie eine Matlab-Programm, um die Videoaufnahme der Camcorder die nachfolgenden Bilder zur weiteren Analyse zu konvertieren. Passen Sie diese Bilder um die Strömungsmuster in den Tank zu akzentuieren. Stellen Sie die Intensität des digitalen Bildes als ich (x, Z), wo (X, Z) bezeichnet die horizontalen und vertikalen Koordinaten mit dem Ursprung in der linken unteren Ecke des Bildes. Beachten Sie, I (X, Z) verändert sich im Laufe (0, 1) mit 256 Graustufen. Jedes Bild durch ein Hintergrundbild als30 zu normalisieren <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq4.jpg">(4) wo <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq5.jpg"> ist die durchschnittliche Bildintensität über 10 Aufnahmen vor der Kühlung und Heizung angewandt werden, <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq6.jpg"> bezeichnet die Intensität des ith Bild. Auf diese Weise können die stationäre Mängel in den Bildern entfernt werden. Um die zeitliche Entwicklung des DC Muster zu untersuchen, kann jedes Bild mit einem einzigen vertikalen Intensität Fluktuation Profil umgewandelt werden <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>, durch die Berechnung der Bild Intensität Fluktuation (d.h., Root-Mean-Square Intensität) entlang der horizontaler Richtung <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> </img>. Plot der Intensität Fluktuation profile <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq7.jpg"> der aufeinander folgenden Bilder zusammen mit zunehmender Zeit die Entwicklungen des DC-Treppen zeigen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Temperatur und Salzgehalt profile<ol>
<li>Hinweis: in diesem Experiment die Vertikalprofile von Temperatur und Salzgehalt des Arbeitsmediums sind durch die oben-unten bewegte STUDIENVERLÄNGERUNG gemessen. Berechnung der zeitlichen Höhe h(t) der STUDIENVERLÄNGERUNG mit dem Mittelwert bewegte Geschwindigkeit w, Zeit t, die ab Zeit t0 (entspricht der niedrigsten Position), die niedrigste Position hL und höchste Stellung hH, als <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq8.jpg">(5) wo <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq9.jpg"> der STUDIENVERLÄNGERUNG bewegt Periode von tiefststellung (höchste) bis zur höchsten (niedrigste), n und δ sind integraler und gebrochene Teile, beziehungsweise. Berechnen Sie dann die zeitliche Höhe h(t) als <img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/58316/58316eq10.jpg">(6) Hinweis in Gleichung (6), wenn n gerade ist, ist der STUDIENVERLÄNGERUNG hinauf bewegen; Ansonsten ist der STUDIENVERLÄNGERUNG nach unten bewegen. Handlung der Serie Temperatur T(t) und Salzgehalt S(t) in Bezug auf die Höhe h(t) der Vertikalprofile von Temperatur und Salzgehalt zu.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
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Die Autoren haben nichts preisgeben.

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...

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="623">
	<tbody>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:185px;">Rectangular tank</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Custom made part</td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:185px;">Plexiglas</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Custom made part</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:185px;">Electric heating pad</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Custom made part</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:185px;">Distilled water</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:185px;">Optical table</td>
			<td style="width:152px;">Liansheng Inc.</td>
			<td style="width:119px;">MRT-P/B</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:185px;">Thermiostors</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Custom made part</td>
		</tr>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:185px;">Digital multimeter</td>
			<td style="width:152px;">Keithley Inc</td>
			<td style="width:119px;">Model 2700</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:185px;">Micro-scale conductivity and temperature instrument (MSCTI)</td>
			<td style="width:152px;">PME. Inc.</td>
			<td style="width:119px;">Model 125</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:185px;">Multifunction data acquisition (MDA)</td>
			<td style="width:152px;">MCC. Inc.</td>
			<td style="width:119px;">USB-2048</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:185px;">Motorized precision translation stage (MPTS)</td>
			<td style="width:152px;">Thorlabs Inc.</td>
			<td style="width:119px;">LTS300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:185px;">Tracing paper</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:185px;">LED lamp</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:185px;">Camcorder</td>
			<td style="width:152px;">Sony Inc.</td>
			<td style="width:119px;">XDR-XR550</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:185px;">De-gassed fresh water</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Custom made part</td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:185px;">Saline water</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Custom made part</td>
		</tr>
		<tr height="30">
			<td height="30" style="height:31px;width:185px;">Flexible tube</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr height="30">
			<td height="30" style="height:31px;width:185px;">Electric magnetic stirrer&#160;</td>
			<td style="width:152px;">Meiyingpu Inc.</td>
			<td style="width:119px;">MYP2011-100</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:185px;">Peristaltic pump</td>
			<td style="width:152px;">Zhisun Inc.</td>
			<td style="width:119px;">DDBT-201</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:185px;">Refrigerated circulator</td>
			<td style="width:152px;">Polyscience Inc.</td>
			<td style="width:119px;">Model 9702</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="28">
			<td height="28" style="height:28px;width:185px;">Plastic soft tube</td>
			<td style="width:152px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:185px;">Direct-current power supply</td>
			<td style="width:152px;">GE Inc.</td>
			<td style="width:119px;">GPS-3030</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="32">
			<td height="32" style="height:32px;width:185px;">Matlab</td>
			<td style="width:152px;">MathWorks Inc.</td>
			<td style="width:119px;">R2012a</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

evolution of staircase structures in diffusive convection

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.

Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung der Versuchsanordnung. Seine Komponenten sind im Protokoll beschrieben. Die wichtigsten Teile sind in Figur 1a und detaillierte Arbeitsbehälter ist in Abbildung 1 bangezeigt. Abbildung 2 zeigt die Temperaturschwankungen an der Unterseite (Tb, die rote Kurve) und Top (Tt, die schwarze Kurve) Platten. Es wird angegeben, dass die Tempera...

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Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

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.

Entwicklung der Treppe Strukturen in diffusiven Konvektion

Diffusive convection (DC) occurs when the vertical stratified density is controlled by two opposing scalar gradients that have distinctly different ...

evolution-of-staircase-structures-in-diffusive-convection

Research

JoVE Journal

Environment

6.4K Aufrufe.  Chinese Academy of Sciences. 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.

Serie: Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

Optimize Flue Gas Settings to Promote Microalgae Growth in Photobioreactors via Computer Simulations

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently than plants3, but also synthesize advanced biofuels2-4. Generally, atmospheric CO2 is not a sufficient source for supporting maximal algal growth5. On the other hand, the high concentrations of CO2 in industrial exhaust gases have adverse effects on algal physiology. Consequently, both cultivation conditions (such as nutrients and light) and the control of the flue gas flow into the photo-bioreactors are important to develop an efficient &ldquo;flue gas to algae&rdquo; system. Researchers have proposed different photobioreactor configurations4,6 and cultivation strategies7,8 with flue gas. Here, we present a protocol that demonstrates how to use models to predict the microalgal growth in response to flue gas settings. We perform both experimental illustration and model simulations to determine the favorable conditions for algal growth with flue gas. We develop a Monod-based model coupled with mass transfer and light intensity equations to simulate the microalgal growth in a homogenous photo-bioreactor. The model simulation compares algal growth and flue gas consumptions under different flue-gas settings. The model illustrates: 1) how algal growth is influenced by different volumetric mass transfer coefficients of CO2; 2) how we can find optimal CO2 concentration for algal growth via the dynamic optimization approach (DOA); 3) how we can design a rectangular on-off flue gas pulse to promote algal biomass growth and to reduce the usage of flue gas. On the experimental side, we present a protocol for growing Chlorella under the flue gas (generated by natural gas combustion). The experimental results qualitatively validate the model predictions that the high frequency flue gas pulses can significantly improve algal cultivation.

Flue gas from power plants is a cheap CO2 source for algal growth. We have built prototype &#34;flue gas to algal cultivation&#34; systems and described how to scale up the algal cultivation process. We have demonstrated the use of a mass-transfer bio-reaction model to simulate and to design the optimal operation of flue gas for the growth of Chlorella sp. in algal photo-bioreactors.

Optimieren Rauchgas Einstellungen, um Mikroalgen in Photobioreaktoren Wachstum über Computer-Simulationen fördern

Flue gas from power plants can promote algal cultivation and reduce greenhouse gas emissions1. Microalgae not only capture solar energy more efficiently ...

Forschung

Umwelt

Empirical, Metagenomic, and Computational Techniques Illuminate the Mechanisms by which Fungicides Compromise Bee Health

Growers often use fungicide sprays during bloom to protect crops against disease, which exposes bees to fungicide residues. Although considered &#34;bee-safe,&#34; there is mounting evidence that fungicide residues in pollen are associated with bee declines (for both honey and bumble bee species). While the mechanisms remain relatively unknown, researchers have speculated that bee-microbe symbioses are involved. Microbes play a pivotal role in the preservation and/or processing of pollen, which serves as nutrition for larval bees. By altering the microbial community, it is likely that fungicides disrupt these microbe-mediated services, and thereby compromise bee health. This manuscript describes the protocols used to investigate the indirect mechanism(s) by which fungicides may be causing colony decline. Cage experiments exposing bees to fungicide-treated flowers have already provided the first evidence that fungicides cause profound colony losses in a native bumble bee (Bombus impatiens). Using field-relevant doses of fungicides, a series of experiments have been developed to provide a finer description of microbial community dynamics of fungicide-exposed pollen. Shifts in the structural composition of fungal and bacterial assemblages within the pollen microbiome are investigated by next-generation sequencing and metagenomic analysis. Experiments developed herein have been designed to provide a mechanistic understanding of how fungicides affect the microbiome of pollen-provisions. Ultimately, these findings should shed light on the indirect pathway through which fungicides may be causing colony declines.

Microbial consortia within bumble bee hives enrich and preserve pollen for bee larvae. Using next generation sequencing, along with laboratory and field-based experiments, this manuscript describes protocols used to test the hypothesis that fungicide residues alter the pollen microbiome, and colony demographics, ultimately leading to colony loss.

Empirische, metagenomischen und Computertechniken beleuchten die Mechanismen, durch welche Fungizide Kompromiss Bienengesundheit

Growers often use fungicide sprays during bloom to protect crops against disease, which exposes bees to fungicide residues. Although considered ...

Experimental Protocol for Detecting Cyanobacteria in Liquid and Solid Samples with an Antibody Microarray Chip

Global warming and eutrophication make some aquatic ecosystems behave as true bioreactors that trigger rapid and massive cyanobacterial growth; this has relevant health and economic consequences. Many cyanobacterial strains are toxin producers, and only a few cells are necessary to induce irreparable damage to the environment. Therefore, water-body authorities and administrations require rapid and efficient early-warning systems providing reliable data to support their preventive or curative decisions. This manuscript reports an experimental protocol for the in-field detection of toxin-producing cyanobacterial strains by using an antibody microarray chip with 17 antibodies (Abs) with taxonomic resolution (CYANOCHIP). Here, a multiplex fluorescent sandwich microarray immunoassay (FSMI) for the simultaneous monitoring of 17 cyanobacterial strains frequently found blooming in freshwater ecosystems, some of them toxin producers, is described. A microarray with multiple identical replicates (up to 24) of the CYANOCHIP was printed onto a single microscope slide to simultaneously test a similar number of samples. Liquid samples can be tested either by direct incubation with the antibodies (Abs) or after cell concentration by filtration through a 1- to 3-&#956;m filter. Solid samples, such as sediments and ground rocks, are first homogenized and dispersed by a hand-held ultrasonicator in an incubation buffer. They are then filtered (5 - 20 &#956;m) to remove the coarse material, and the filtrate is incubated with Abs. Immunoreactions are revealed by a final incubation with a mixture of the 17 fluorescence-labeled Abs and are read by a portable fluorescence detector. The whole process takes around 3 h, most of it corresponding to two 1-h periods of incubation. The output is an image, where bright spots correspond to the positive detection of cyanobacterial markers.

Experimental Protocol for Detecting Cyanobacteria in Liquid and Solid Samples with an Antibody Microarray Chip

The presence of cyanobacterial toxins in fresh water reservoirs for human consumption is a major concern for water management authorities. To evaluate the risk of water contamination, this article describes an protocol for the in-field detection of cyanobacterial strains in liquid and solid samples by using an antibody microarray chip.

Experimentelles Protokoll zum Nachweis<em&gt; Cyanobakterien</em&gt; In flüssigen und festen Proben mit einem Antikörper Microarray-Chip

Global warming and eutrophication make some aquatic ecosystems behave as true bioreactors that trigger rapid and massive cyanobacterial growth; this has ...

Ecotoxicological Method with Marine Bacteria Vibrio anguillarum to Evaluate the Acute Toxicity of Environmental Contaminants

Bacteria are an important component of the ecosystem, and microbial community alterations can have a significant effect on biogeochemical cycling and food webs. Toxicity testing based on microorganisms are widely used because they are relatively quick, reproducible, cheap, and are not associated with ethical issues. Here, we describe an ecotoxicological method to evaluate the biological response of the marine bacterium Vibrio anguillarum. This method assesses the acute toxicity of chemical compounds, including new contaminants such as nanoparticles, as well as environmental samples. The endpoint is the reduction of bacterial culturability (i.e., the capability to replicate and form colonies) due to exposure to a toxicant. This reduction can be generally referred to as mortality. The test allows for the determination of the LC50, the concentration that causes a 50% decrease of bacteria actively replicating and forming colonies, after a 6 h exposure. The culturable bacteria are counted in terms of colony forming units (CFU), and the &#34;mortality&#34; is evaluated and compared to the control. In this work, the toxicity of copper sulphate (CuSO4) was evaluated. A clear dose-response relationship was observed, with a mean LC50 of 1.13 mg/L, after three independent tests. This protocol, compared to existing methods with microorganisms, is applicable in a wider range of salinity and has no limitations for colored/turbid samples. It uses saline solution as the exposure medium, avoiding any possible interferences of growth medium with the investigated contaminants. The LC50 calculation facilitates comparisons with other bioassays commonly applied to ecotoxicological assessments of the marine environment.

Ecotoxicological Method with Marine Bacteria Vibrio anguillarum to Evaluate the Acute Toxicity of Environmental Contaminants

This work describes a new protocol to assess the ecotoxicity of pollutants, including emerging contaminants such as nanomaterials, using the marine bacterium Vibrio anguillarum. This method allows for the determination of the LC50, or mortality, the concentration that causes a 50% decrease in bacteria culturability, after a 6 h exposure.

Ökotoxikologische Methode mit Meeresbakterien<em&gt; Vibrio anguillarum</em&gt; Zur Beurteilung der akuten Toxizität von Umweltschadstoffen

Bacteria are an important component of the ecosystem, and microbial community alterations can have a significant effect on biogeochemical cycling and food ...

BtM, a Low-cost Open-source Datalogger to Estimate the Water Content of Nonvascular Cryptogams

Communities of nonvascular cryptogams, such as mosses or lichens, are an important part of the Earth's biodiversity, contributing to the regulation of the carbon and nitrogen cycles in many ecosystems. Being poikilohydric organisms, they do not actively control their internal water content and need a humid environment to activate their metabolism. Therefore, studying water relationships of nonvascular cryptogams is crucial to understand both their diversity patterns and their functions in the ecosystems. We present the BtM datalogger, a low-cost open-source platform for the study of the water content of nonvascular cryptogams. The datalogger is designed to measure ambient temperature, humidity, and conductance from up to eight samples simultaneously. We provide a design for a printed circuit board (PCB), a detailed protocol to assemble the components, and the required source code. All this makes the assembly of the BtM datalogger accessible to any research group, even to those without previous specialized knowledge. Therefore, the design presented here has the potential to help popularize the use of this type of device among ecologists and field biologists.

We present a simple and cost-effective method to build an open-source datalogger that measures the conductance of nonvascular cryptogams together with the environmental temperature and humidity. We describe the hardware design of the datalogger and provide step-by-step assembly instructions, the list of required open-source logging software, the code to run the datalogger, and a calibration protocol.

BtM, eine kostengünstige Open-Source Datenlogger, den Wassergehalt des Nonvascular Kryptogamen zu schätzen

Communities of nonvascular cryptogams, such as mosses or lichens, are an important part of the Earth's biodiversity, contributing to the regulation of the ...

Leaf Area Index Estimation Using Three Distinct Methods in Pure Deciduous Stands

Accurate estimations of leaf area index (LAI), defined as half of the total leaf surface area per unit of horizontal ground surface area, are crucial for describing the vegetation structure in the fields of ecology, forestry, and agriculture. Therefore, procedures of three commercially used methods (litter traps, needle technique, and a plant canopy analyzer) for performing LAI estimation were presented step-by-step. Specific methodological approaches were compared, and their current advantages, controversies, challenges, and future perspectives were discussed in this protocol. Litter traps are usually deemed as the reference level. Both the needle technique and the plant canopy analyzer (e.g., LAI-2000) frequently underestimate LAI values in comparison with the reference. The needle technique is easy to use in deciduous stands where the litter completely decomposes each year (e.g., oak and beech stands). However, calibration based on litter traps or direct destructive methods is necessary. The plant canopy analyzer is a commonly used device for performing LAI estimation in ecology, forestry, and agriculture, but is subject to potential error due to foliage clumping and the contribution of woody elements in the field of view (FOV) of the sensor. Eliminating these potential error sources was discussed. The plant canopy analyzer is a very suitable device for performing LAI estimations at the high spatial level, observing a seasonal LAI dynamic, and for long-term monitoring of LAI.

An accurate estimation of leaf area index (LAI) is crucial for many models of material and energy fluxes within plant ecosystems and between an ecosystem and the atmospheric boundary layer. Therefore, three methods (litter traps, needle technique, and PCA) for taking precise LAI measurements were in the presented protocol.

Leaf Area Index Estimation mit drei unterschiedlichen Methoden in reinen Laubständen

Accurate estimations of leaf area index (LAI), defined as half of the total leaf surface area per unit of horizontal ground surface area, are crucial for ...

Streamlined Sampling and Cultivation of the Pelagic Cosmopolitan Larvacean, Oikopleura dioica

Oikopleura dioica is a planktonic chordate with exceptional filter-feeding ability, rapid generation time, conserved early development, and a compact genome. For these reasons, it is considered a useful model organism for marine ecological studies, evolutionary developmental biology, and genomics. As research often requires a steady supply of animal resources, it is useful to establish a reliable, low-maintenance culture system. Here we describe a step-by-step method for establishing an O. dioica culture. We describe how to select potential sampling sites, collection methods, target animal identification, and the set-up of the culturing system. We provide troubleshooting advice based on our own experiences. We also highlight critical factors that help sustain a robust culture system. Although the culture protocol provided here is optimized for O. dioica, we hope our sampling technique and culture setup will inspire new ideas for maintaining other fragile pelagic invertebrates.

Streamlined Sampling and Cultivation of the Pelagic Cosmopolitan Larvacean, Oikopleura dioica

Oikopleura dioica is a tunicate model organism in various fields of biology. We describe sampling methods, species identification, culturing setup, and culturing protocols for the animals and algal feed. We highlight key factors that helped strengthen the culture system and discuss the possible problems and resolutions.

Optimierte Probenahme und Kultivierung des pelagischen Kosmopolitischen Larvacean, Oikopleura dioica

Oikopleura dioica is a planktonic chordate with exceptional filter-feeding ability, rapid generation time, conserved early development, and a compact ...

A Telemetric, Gravimetric Platform for Real-Time Physiological Phenotyping of Plant&ndash;Environment Interactions

Food security for the growing global population is a major concern. The data provided by genomic tools far exceeds the supply of phenotypic data, creating a knowledge gap. To meet the challenge of improving crops to feed the growing global population, this gap must be bridged.
Physiological traits are considered key functional traits in the context of responsiveness or sensitivity to environmental conditions. Many recently introduced high-throughput (HTP) phenotyping techniques are based on remote sensing or imaging and are capable of directly measuring morphological traits, but measure physiological parameters mainly indirectly.
This paper describes a method for direct physiological phenotyping that has several advantages for the functional phenotyping of plant&#8211;environment interactions. It helps users overcome the many challenges encountered in the use of load-cell gravimetric systems and pot experiments. The suggested techniques will enable users to distinguish between soil weight, plant weight and soil water content, providing a method for the continuous and simultaneous measurement of dynamic soil, plant and atmosphere conditions, alongside the measurement of key physiological traits. This method allows researchers to closely mimic field stress scenarios while taking into consideration the environment&#8217;s effects on the plants&#8217; physiology. This method also minimizes pot effects, which are one of the major problems in pre-field phenotyping. It includes a feed-back fertigation system that enables a truly randomized experimental design at a field-like plant density. This system detects the soil-water-content limiting threshold (&#952;) and allows for the translation of data into knowledge through the use of a real-time analytic tool and an online statistical resource. This method for the rapid and direct measurement of the physiological responses of multiple plants to a dynamic environment has great potential for use in screening for beneficial traits associated with responses to abiotic stress, in the context of pre-field breeding and crop improvement.

A Telemetric, Gravimetric Platform for Real-Time Physiological Phenotyping of Plant&#8211;Environment Interactions

This high-throughput, telemetric, whole-plant water relations gravimetric phenotyping method enables direct and simultaneous real-time measurements, as well as the analysis of multiple yield-related physiological traits involved in dynamic plant&#8211;environment interactions.

Eine telemetrische, gravimetrische Plattform für die physiologische Phänotypisierung von Pflanzen-Umwelt-Interaktionen in Echtzeit

Food security for the growing global population is a major concern. The data provided by genomic tools far exceeds the supply of phenotypic data, creating ...

Field Measurement of Effective Leaf Area Index using Optical Device in Vegetation Canopy

Leaf area index (LAI) is an essential canopy variable describing the amount of foliage in an ecosystem. The parameter serves as the interface between green components of plants and the atmosphere, and many physiological processes occur there, primarily photosynthetic uptake, respiration, and transpiration. LAI is also an input parameter for many models involving carbon, water, and the energy cycle. Moreover, ground-based in situ measurements serve as the calibration method for LAI obtained from remote sensing products. Therefore, straightforward indirect optical methods are necessary for making precise and rapid LAI estimates. The methodological approach, advantages, controversies, and future perspectives of the newly developed LP 110 optical device based on the relation between radiation transmitted through the vegetation canopy and canopy gaps were discussed in the protocol. Furthermore, the instrument was compared to the world standard LAI-2200 Plant Canopy Analyzer. The LP 110 enables more rapid and more straightforward processing of data acquired in the field, and it is more affordable than the Plant Canopy Analyzer. The new instrument is characterized by its ease of use for both above- and below-canopy readings due to its greater sensor sensitivity, in-built digital inclinometer, and automatic logging of readings at the correct position. Therefore, the hand-held LP 110 device is a suitable gadget for performing LAI estimation in forestry, ecology, horticulture, and agriculture based on the representative results. Moreover, the same device also enables the user to take accurate measurements of incident photosynthetically active radiation (PAR) intensity.

Fast and precise leaf area index (LAI) estimation in terrestrial ecosystems is crucial for a wide range of ecological studies and calibrating remote sensing products. Presented here is the protocol for using the new LP 110 optical device for taking ground-based in situ LAI measurements.

Feldmessung des effektiven Blattflächenindex mit optischem Gerät im Vegetationsdach

Leaf area index (LAI) is an essential canopy variable describing the amount of foliage in an ecosystem. The parameter serves as the interface between ...

Low-Cost Automated Flight Intercept Trap for the Temporal Sub-Sampling of Flying Insects Attracted to Artificial Light at Night

Sampling methods are selected depending on the targeted species or the spatial and temporal requirements of the study. However, most methods for passive sampling of flying insects have a poor temporal resolution because it is time-consuming, costly and/or logistically difficult to perform. Effective sampling of flying insects attracted to artificial light at night (ALAN) requires sampling at user-defined time points (nighttime only) across well-replicated sites resulting in major time and labor-intensive survey effort or expensive automated technologies. Described here is a low-cost automated intercept trap that requires no specialist equipment or skills to construct and operate, making it a viable option for studies that require temporal sub-sampling across multiple sites. The trap can be used to address a wide range of other ecological questions that require a greater temporal and spatial scale than is feasible with previous trap technology.

To study the impacts of artificial light at night (ALAN) on nocturnal flying insects, sampling needs to be confined to nighttime. The protocol describes a low-cost automated flight intercept trap that allows researchers to sample at user-defined periods with increased replication.

Kostengünstige automatisierte Flugabfangfalle für die zeitliche Teilprobenahme von fliegenden Insekten, die nachts von künstlichem Licht angezogen werden

Sampling methods are selected depending on the targeted species or the spatial and temporal requirements of the study. However, most methods for passive ...