Name: evolution of staircase structures in diffusive convection
Uploaded: 2018-09-05T15:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection at JoVE.com

Эта работа была поддержана китайского NSF грантов (41706033, 91752108 и 41476167), Grangdong NSF грантов (2017A030313242 и 2016A030311042) и LTO Грант (LTOZZ1801).

1. Рабочая танк
Примечание: Эксперимент осуществляется в прямоугольный бак. Танк включает верхнюю и нижнюю пластины и боковой стенки. Верхней и нижней пластины изготовлены из меди с гальваническим покрытием. Существует воды камеры в верхней пластины. Электрическая грелка...

<ol>
	<li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Buoyancy Effects in Fluids. , 367 (1973).</li><li>Schmitt, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double+diffusion+in+oceanography.">Double diffusion in oceanography.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 26, 255-285 (1994).</li><li>Turner, J. S., Gustafson, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluid+motions+and+compositional+gradients+produced+by+crystallization+or+melting+at+vertical+boundaries.">Fluid motions and compositional gradients produced by crystallization or melting at vertical boundaries.</a> Journal of Volcanology and Geothermal Research. 11, 9S125 (1981).</li><li>Robb, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to Ore-forming Processes. , 373 (2004).</li><li>Chabrier, G., Baraffe, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+in+giant+(exo)planets:+a+new+perspective.">Heat transport in giant (exo)planets: a new perspective.</a> The Astrophysical Journal Letters. 661, 81-84 (2007).</li><li>Langlois, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Buoyancy-driven+flows+in+crystal-growth+melts.">Buoyancy-driven flows in crystal-growth melts.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 17, 191 (1985).</li><li>Chen, C. -. F., Johnson, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+convection:+A+report+on+an+engineering+foundation+conference.">Double-diffusive convection: A report on an engineering foundation conference.</a> Journal of Fluid Mechanics. 138, 405-416 (1984).</li><li>Griffiths, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Layered+double-diffusive+convection+in+porous+media.">Layered double-diffusive convection in porous media.</a> Journal of Fluid Mechanics. 102, 221-248 (1981).</li><li>You, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+global+ocean+climatological+atlas+of+the+Turner+angle:+implications+for+double-diffusion+and+water-mass+structure.">A global ocean climatological atlas of the Turner angle: implications for double-diffusion and water-mass structure.</a> Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 49, 2075-2093 (2002).</li><li>Kelley, D. E., Fernando, H. J. S., Gargett, A. E., Tanny, J., Ozsoy, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+diffusive+regime+of+double+diffusive+convection.">The diffusive regime of double diffusive convection.</a> Progress in Oceanography. 56, 461-481 (2003).</li><li>Timmermans, M. L., Toole, J., Krishfield, R., Winsor, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ice-Tethered+Profiler+observations+of+the+double-diffusive+staircase+in+the+Canada+Basin+thermocline.">Ice-Tethered Profiler observations of the double-diffusive staircase in the Canada Basin thermocline.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 113, 1-10 (2008).</li><li>Zhou, S. Q., Lu, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+double+diffusive+convection+steps+and+heat+budget+in+the+deep+Arctic+Ocean.">Characterization of double diffusive convection steps and heat budget in the deep Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (12), 6672-6686 (2013).</li><li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+melting+of+ice+in+the+arctic+ocean:+The+influence+of+double-diffusive+transport+of+heat+from+below.">The melting of ice in the arctic ocean: The influence of double-diffusive transport of heat from below.</a> Journal of Physical Oceanography. 40, 249-256 (2010).</li><li>Neal, V. T., Neshyba, S., Denner, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+stratification+in+the+Arctic+Ocean.">Thermal stratification in the Arctic Ocean.</a> Science. 166 (3903), 373-374 (1969).</li><li>Padman, L., Dillon, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+heat+fluxes+through+the+Beaufort+Sea+thermohaline+staircase.">Vertical heat fluxes through the Beaufort Sea thermohaline staircase.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 92 (C10), 10799-10806 (1987).</li><li>Sirevaag, A., Fer, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vertical+heat+transfer+in+the+Arctic+Ocean:+The+role+of+double-diffusive+mixing.">Vertical heat transfer in the Arctic Ocean: The role of double-diffusive mixing.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 117 (C7), (2012).</li><li>Guthrie, J. D., Fer, I., Morison, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observational+validation+of+the+diffusive+convection+flux+laws+in+the+Amundsen+Basin,+Arctic+Ocean.">Observational validation of the diffusive convection flux laws in the Amundsen Basin, Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 120 (12), 7880-7896 (2015).</li><li>Bebieva, Y., Timmermans, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+examination+of+double-diffusive+processes+in+a+mesoscale+eddy+in+the+Arctic+Ocean.">An examination of double-diffusive processes in a mesoscale eddy in the Arctic Ocean.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (1), 457-475 (2016).</li><li>Shibley, N. C., Timmermans, M. L., Carpenter, J. R., Toole, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+variability+of+the+Arctic+Ocean's+double-diffusive+staircase.">Spatial variability of the Arctic Ocean's double-diffusive staircase.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (2), 980-994 (2017).</li><li>Schmid, M., Busbridge, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+convection+in+Lake+Kivu.">Double-diffusive convection in Lake Kivu.</a> Limnology and Oceanography. 55 (1), 225-238 (2010).</li><li>Sommer, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interface+structure+and+flux+laws+in+a+natural+double-diffusive+layering.">Interface structure and flux laws in a natural double-diffusive layering.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 118 (11), 6092-6106 (2013).</li><li>Carpenter, J. R., Sommer, T., W&#252;est, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simulations+of+a+double-diffusive+interface+in+the+diffusive+convection+regime.">Simulations of a double-diffusive interface in the diffusive convection regime.</a> Journal of Fluid Mechanics. 711, 411-436 (2012).</li><li>Flanagan, J. D., Lefler, A. S., Radko, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heat+transport+through+diffusive+interfaces.">Heat transport through diffusive interfaces.</a> Geophysical Research Letters. 40 (10), 2466-2470 (2013).</li><li>Radko, T., Flanagan, J. D., Stellmach, S., Timmermans, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-diffusive+recipes.+Part+II:+Layer-merging+events.">Double-diffusive recipes. Part II: Layer-merging events.</a> Journal of Physical Oceanography. 44 (5), 1285-1305 (2014).</li><li>Scheifele, B., Pawlowicz, R., Sommer, T., W&#252;est, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=+Double+diffusion+in+saline+Powell+Lake,+British+Columbia."> Double diffusion in saline Powell Lake, British Columbia.</a> Journal of Physical Oceanography. 44 (11), 2893-2908 (2014).</li><li>Guo, S. X., Zhou, S. Q., Qu, L., Lu, Y. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+experiments+on+diffusive+convection+layer+thickness+and+its+oceanographic+implications.">Laboratory experiments on diffusive convection layer thickness and its oceanographic implications.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 121 (10), 7517-7529 (2016).</li><li>Guo, S. X., Cen, X. R., Zhou, S. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+parametrization+for+heat+transport+through+diffusive+convection+interface.">New parametrization for heat transport through diffusive convection interface.</a> Journal of Geophysical Research: Oceans. 123 (2), 1327-1338 (2018).</li><li>Turner, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+coupled+turbulent+transports+of+salt+and+heat+across+a+sharp+density+interface.">The coupled turbulent transports of salt and heat across a sharp density interface.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 8 (5), 759-767 (1965).</li><li>Hill, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=General+density+gradients+in+general+domains:+the+&amp;#34;two-tank&amp;#34;+method+revisited.">General density gradients in general domains: the &amp;#34;two-tank&amp;#34; method revisited.</a> Experiments in Fluids. 32 (4), 434-440 (2002).</li><li>Zhou, S. Q., Ahlers, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatiotemporal+chaos+in+electroconvection+of+a+homeotropically+aligned+nematic+liquid+crystal.">Spatiotemporal chaos in electroconvection of a homeotropically aligned nematic liquid crystal.</a> Physical Review E. 74 (4), 046212 (2006).</li></ol>

В настоящем документе описывается подробный экспериментальный протокол для имитации термохалинной структуры лестница DC в прямоугольный бак. Первоначальный линейной плотности стратификации рабочей жидкости построен с использованием метода двух танк. Верхняя плита хранится в постоя...

Двухместный диффузионное конвекции (DDC) является одним из наиболее важных процессов, вертикального перемешивания. Это происходит, когда вертикальной плотности распределения столбце стратифицированной воды контролируется два или более Градиенты скалярный компоненты противоположных направлений, где компоненты имеют совершенно разные молекулярной diffusivities1. Он широко встречается в океанографии2, атмосферу3, геологии4, астрофизика5, материальная наука6, металлургии7и архитектурных инженерных8. DDC присутствует почти в половине из мирового океана, и он имеет существенное влияние на океанические процессы многомасштабной и даже климатические изменения9.
Существует два основных режима для DDC: соль палец (SF) и диффузионного конвекции (DC). SF возникает, когда теплой соленой воде массы перекрывает кулер, свежей воды в стратифицированном окружающей среды. Когда тепло и соленой воде лежит ниже чистой, холодной воды, образуют DC. Замечательной особенностью DC является то, что вертикальные профили температуры, солености и плотности лестница как, составленный alternant однородных convecting слои и тонкий, сильно стратифицированной интерфейсов. DC в основном происходит в высокоширотных океанах и некоторых внутренних соленых озер, таких как Арктики и Антарктики океанов, Охотского моря, Красного моря и Африканского озеро Киву10. В Северном Ледовитом океане существуют бассейнового и стойких DC лестницы в верхней и глубоких океанов11,12. Он имеет важное воздействие на diapycnal, перемешивание в верхних слоях океана и может существенно повлиять на-таяния льда, который недавно вызывает все больше и больше интересов в океанографии сообщества13.
Структура лестница DC был впервые обнаружен в Северном Ледовитом океане в 1969 году14. После этого, Падман и Диллон15Тиммерманс и др. 11, Sirevaag & Fer16, Чжоу и Лу12, Гатри и др. 17, Bebieva и Тиммерманс18и Шибли и др. 19 измеряется DC лестницы в различных бассейнах Ледовитого океана, включая вертикальных и горизонтальных шкал convecting слоя и интерфейс, глубина и общая толщина лестницы, вертикальной теплообмен, DC процессов в мезомасштабные вихревые и временных и пространственных изменений структуры лестница. Шмид и др. 20 и Sommer и др. 21 наблюдается DC лестницы с помощью профилировщика микроструктуры в озере Киву. Они сообщили основная структура функций и потоков тепла DC и сравнении потоков измеренного тепла с существующие параметрические формулой. С компьютерной обработки улучшение скорости численное моделирование DC недавно было сделано, например, для изучения интерфейс структура и нестабильности, передача тепла через интерфейс, слой слияния событий и так далее22, 23 , 24.
Поля наблюдений позволило значительно расширить понимание океана DC для океанографов, но измерения сильно ограничены неопределенного океанических потока сред и инструментов. Например интерфейс DC имеет крайне небольшой вертикальный масштаб, тоньше, чем 0,1 м в некоторых озерах и океанов25, и необходимы некоторые специальные инструменты высокого разрешения. Лабораторный эксперимент показывает свои уникальные преимущества в изучении основных динамических и термодинамических законы постоянного тока. С лаборатории эксперимента можно наблюдать эволюцию DC лестницы, измерить температуру и соленость и предложить некоторые параметризации для океанических приложений26,27. Кроме того, в лаборатории эксперимента, контролируемые параметры и условия легко корректируются по мере необходимости. К примеру Тёрнер сначала моделируется DC лестница в лаборатории в 1965 году и предложил параметризации передачи тепла через диффузионное интерфейс, который был часто обновляется и широко используются в в situ океанических наблюдений28 .
В этом документе подробный экспериментальный протокол описан для имитации процесса эволюции DC лестницы, включая поколения, развития и исчезновения, в стратифицированном соленой воды, нагревают снизу. Температура и соленость измеряются инструмента микро масштабе, а также DC лестницы, отслеживаемых с помощью метода shadowgraph. Подробно описаны экспериментальной установки, эволюция процесса, анализа данных и обсуждение результатов. Изменяя первоначальный и граничных условий, нынешней экспериментальной установки и метод может использоваться для моделирования других океанических явлений, таких как океанические горизонтальных конвекции, глубоководных гидротермальных извержения, углубление поверхности перемешанный слой, эффект подводная лодка геотермальных на циркуляции в океане и так далее.

<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

Диффузионное конвекции (DC) происходит, когда вертикальной стратифицированной плотность находится под контролем двух противоположных скалярных градиенты, которые имеют явно различных молекулярных diffusivities, и Градиенты скалярный большего и меньшего температуропроводности имеют положительные и отрицательные взносы для распределения плотности, соответственно. DC происходит во многих природных процессов и инженерных приложений, например, океанографии, астрофизики и металлургии. В океанах один из самых замечательных особенностей DC является вертикальные профили температуры и солености лестница как структура, состоящая из последовательных шагов с густой однородной convecting слои и сравнительно тонкий и высокой градиент интерфейсов. DC лестницы были отмечены многие океанов, особенно в Арктике и Антарктике океанов и играть важную роль в циркуляции вод океана и изменения климата. В Северном Ледовитом океане существуют бассейнового и стойких DC лестницы в верхней и глубоких океанов. Процесс DC имеет важное воздействие на diapycnal, перемешивание в верхних слоях океана и может существенно повлиять на поверхностного таяния льда. По сравнению с ограничениями полевых наблюдений, лабораторный эксперимент показывает свое уникальное преимущество для эффективного изучения динамических и термодинамических процессов в DC, потому что строго регулируется граничных условий и контролируемых параметров. Здесь подробный протокол описан для имитации процесса эволюции DC лестница структуры, включая его поколения, развития и исчезновения, в прямоугольный бак стратифицированной соленой водой. Подробно описаны экспериментальной установки, эволюция процесса, анализа данных и обсуждение результатов.

На рисунке 1 показана схема экспериментальной установки. Его компоненты описаны в протоколе. Основные части показаны на рисунке 1a и подробные рабочие танк показано на рисунок 1b. Рисунок 2 показывает изменения температуры ...

Watch this Scientific Journal Video about Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection at JoVE.com

Evolution of Staircase Structures in Diffusive Convection

Диффузионное конвекции (DC) широко встречается в природных процессов и инженерных приложений, характеризуется серия лестницы с однородной convecting слои и стратифицированной интерфейсов. Экспериментальная процедура описана для имитации процесса эволюции DC лестница структуры, включая создание, развитие и исчезновения, в прямоугольный бак.

Эволюция структур лестница в диффузионном конвекции

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

This method can be used to explore the key issues in the dynamic processes of diffusive convection staircase structures, such as their generation, development, and disappearance. With the present experimental setup, we can clearly see the evolution of diffusive convection, which is very difficult, if it is not impossible, to observe directly in the ocean. Gather the components of the working tank.These include copper top and bottom plates and an acrylic sidewall assembly. The top plate is electroplated and encloses a water chamber accessible by tubes. It also has places for thermistors.The bottom plate is also electroplated and has slots for thermistors. It contains a heating pad. Use distilled water to carefully clean the copper plates and the acrylic sidewalls.When done, assemble the tank using screws to ensure it is water-tight. This completed tank is 257 millimeters in length and height and 65 millimeters wide. At an optical table, set up a stainless-steel supporting frame.On top of the frame, place an insulating slab. With everything in place, place the assembled tank on the slab. Insert thermistors into the top and bottom plates, and connect them to the data acquisition system.A thermistor monitors the temperature of the plate into which it is placed. Next, move a precision vertical translation stage into place for mounting a probe. Through the top plate, place a micro scale conductivity and temperature instrument sensor into the tank.Fix the instrument to the precision translation stage. Now, set up software for sensor data acquisition and thermistor readings. Return to the tank to adjust the position of the conductivity and temperature sensor.Set the initial position of the sensor at its lowest point, here, 20 millimeters above the bottom of the tank. Then, set the parameters of the motion for the translation stage for the experiment. Use the shadowgraph technique to monitor the experiment.For this, attach a piece of tracing paper on the outside of one side of the tank. On the opposite side of the tank, about five meters away, place a light source. To produce a nearly collimated beam, use a narrow beam LED as a light source.Place a high-speed camcorder about a meter in front of the tracing paper in the beam path. With the lamp and camcorder on, adjust their positions for a clear image. Obtain two identical rectangular tanks for the working fluid.The tanks are the same size as the working tank. Join them at their base with a clamped flexible tube, 10 centimeters in length. Place the two tanks at the same height.Arrange for one tank to have an electric stirrer in it. Next, clamp a flexible 50-centimeter tube into a peristaltic pump. Use the tube to join the tank with the stirrer to the working tank.Fill the tank that has no stirrer with saline solution of 60 grams per kilogram concentration. Fill the other tank with an equal volume of degassed fresh water. Once the tanks are filled, unclamp the connecting tube.Continuously homogenize the mixing water with the electric stirrer. Control the flow rate in the working tank with the peristaltic pump. The working tank takes approximately three hours to fill and be ready for the experiment.For an experiment, use a refrigerated circulator to set the top plate boundary conditions. At the top plate, connect the water chamber to the refrigerated circulator using eight soft plastic tubes. At the circulator, set the temperature for the top plate to the room temperature.Now, connect the bottom plate's heating pad to a DC power supply, and set its power level. Turn on the camcorder to record the flow pattern. Begin monitoring temperature and salinity data.Then, start vertical motion of the sensor. Finally, turn on the refrigerated circulator and the DC power supply to achieve the working fluid boundary conditions. This is an example of a shadowgraph image taken when the top plate is at the room temperature and the bottom plate is being heated.There are three convecting layers in the image, where the fluid density is homogeneous. There are also three interface layers, where large density gradients exist. This intensity fluctuation profile has three peaks that correspond to the interfaces.Here is the evolution of the intensity fluctuation profile in time, which reveals layer generation, development, and disappearance associated with the diffusive convection staircase. The temperature profile and the salinity profile provide other views of the evolution in time of the system. In these profiles, each continuous line represents data collected over 404 seconds.The data sets in the temperature profile are each offset by 1.5 degrees Celsius from the one before. For the salinity profile, each data set is offset by three grams per kilogram from the previous set. This method can also be applied to simulate other phenomenon in oceans, such as global oceanic circulation, mixed layer deepening, and hydrothermal plume eruption.If you want to try this procedure, please do remember to initially adjust the conductivity and temperature sensors to the lowest position of the translation stage to prevent the sensor for crashing on the bottom plate. With the presented results, we can further develop new parameterization of layer thickness, heat flux, and add diffusivity in diffusive convection, which would pave the way for the community of physical oceanography to study the phenomena in the oceanic application.

Research

JoVE Journal

Environment

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

Оптимизация дымовых Настройки Газовые поощрять микроводорослей рост в фотобиореакторы через компьютерных вычислений

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

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

Эмпирическая, метагеномных и вычислительные методы освещают механизмы которых фунгициды компромисса Bee здравоохранения

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

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

Экспериментальный протокол для обнаружения<em&gt; Цианобактерии</em&gt; В жидких и твердых образцах с антителом 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

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

Экотоксикологический метод с морскими бактериями<em&gt; Vibrio anguillarum</em&gt; Оценка острой токсичности загрязняющих веществ в окружающей среде

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

BtM, открытым исходным кодом измерители лоу кост оценить содержание воды 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 ...

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

Оценка индекса листа, используя три различных метода в чистых лиственных стендах

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

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

Оптимизированная выборка и культивирование пелагической космополитической Ларвасеан, Ойкоплеура диойка

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

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

Телеметрическая, гравиметрическая платформа для физиологического фенотипирования взаимодействия растений и окружающей среды в режиме реального времени

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

Полевое измерение эффективного индекса площади листьев с помощью оптического устройства в растительном пологе

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

Недорогая автоматизированная ловушка перехвата полетов для временного субобразования летающих насекомых, привлеченных искусственным светом ночью

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