Поверхностный слой

Поверхностный слой — это слой жидкости, в котором масштаб турбулентных вихрей ограничен близостью вихрей к границе раздела. Объекты, выделенные белым цветом выше, представляют собой турбулентные вихри, размер которых ограничен близостью центра каждого вихря к поверхности.

Поверхностный слой — это слой турбулентной жидкости, наиболее подверженный взаимодействию с твердой поверхностью или поверхностью, разделяющей газ и жидкость, где характеристики турбулентности зависят от расстояния от границы раздела. Поверхностные слои характеризуются большими нормальными градиентами скорости тангенциальной и большими градиентами концентрации любых веществ ( температуры , влаги , осадков и т. д.), переносимых на границу раздела или от нее.

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

Математическая формулировка

Простую модель поверхностного слоя можно получить, сначала исследовав поток турбулентного импульса через поверхность. Использование разложения Рейнольдса для выражения горизонтального потока в $x$ направление как сумма медленно меняющихся составляющих, ${\overline {u}}$и турбулентная составляющая $u'$,

$u={\overline {u}}+u'$

и вертикальный поток, $w$, аналогичным образом,

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

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

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

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

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

где $K_{m}$ определяется в терминах гипотезы Прандтля о длине смешивания:

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

где $\xi '$ длина смешивания.

Затем мы можем выразить $u_{*}$ как:

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

Предположения о длине смешивания

На рисунке выше мы видим, что размер турбулентного вихря вблизи поверхности ограничен его близостью к поверхности; турбулентные вихри с центром вблизи поверхности не могут быть такими большими, как вихри с центром дальше от поверхности. Исходя из этого соображения и в нейтральных условиях разумно предположить, что длина смешивания , $\xi '$ пропорционален глубине вихря на поверхности:

$\xi '=kz$,

где $z$ это глубина и $k$ известна как постоянная фон Кармана . Таким образом, градиент можно интегрировать для решения ${\overline {u}}$:

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

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

Поверхностный слой в океанографии

См. Также: Микрослой морской поверхности.

Поверхностный слой изучают в океанографии, поскольку как ветровое напряжение , так и действие поверхностных волн могут вызвать турбулентное перемешивание, необходимое для образования поверхностного слоя.

Мировой океан состоит из множества различных водных масс . Каждый из них имеет особые характеристики температуры и солености в зависимости от места, в котором они образовались. Образовавшись в определенном источнике, водная масса переместится на некоторое расстояние посредством крупномасштабной циркуляции океана. Обычно поток воды в океане описывается как турбулентный (т.е. он не движется по прямым линиям). Водные массы могут перемещаться по океану в виде турбулентных водоворотов или пакетов воды, обычно вдоль поверхностей с постоянной плотностью (изопикнических), где затраты энергии наименьшие. Когда эти турбулентные вихри разных водных масс взаимодействуют, они смешиваются. При достаточном перемешивании достигается некоторое устойчивое равновесие и образуется смешанный слой. Турбулентные вихри также могут создаваться в результате воздействия ветра в атмосфере океана. Такого рода взаимодействие и перемешивание за счет плавучести на поверхности океана также играет роль в формировании поверхностного перемешанного слоя.

Расхождения с традиционной теорией

Логарифмический профиль потока уже давно наблюдается в океане, но недавние высокочувствительные измерения выявили подслой внутри поверхностного слоя, в котором турбулентные вихри усиливаются под действием поверхностных волн. Становится ясно, что поверхностный слой океана плохо моделируется как противостоящий «стенке» взаимодействия воздуха и моря. Наблюдения за турбулентностью в озере Онтарио показывают, что в условиях обрушения волн традиционная теория значительно недооценивает производство турбулентной кинетической энергии в поверхностном слое.

Суточный цикл

На глубину поверхностного перемешанного слоя влияет солнечная инсоляция и, таким образом, она связана с суточным циклом. Обнаружено, что после ночной конвекции над океаном турбулентный поверхностный слой полностью распадается и переслояется. Распад вызван уменьшением солнечной инсоляции , расхождением турбулентных потоков и релаксацией латеральных градиентов. В ночное время поверхность океана охлаждается, потому что циркуляция атмосферы уменьшается из-за изменения температуры с заходом солнца каждый день. Холодная вода имеет меньшую плавучесть и тонет. Этот эффект плавучести приводит к переносу водных масс на более низкие глубины, даже ниже тех, которые достигаются в дневное время. В течение следующего дня вода на глубине повторно стратифицируется или несмешивается из-за нагревания поверхности моря и плавучести, толкающей нагретую воду вверх. Весь цикл будет повторен, и вода будет смешана в течение следующей ночи.

В целом поверхностный перемешанный слой занимает лишь первые 100 метров океана, но в конце зимы может достигать 150 м. Суточный цикл не приводит к значительному изменению глубины смешанного слоя по сравнению с сезонным циклом, который вызывает гораздо большие изменения температуры и плавучести поверхности моря . Имея несколько вертикальных профилей, можно оценить глубину смешанного слоя, задав заданную разницу температуры или плотности воды между наблюдениями на поверхности и в глубинах океана – это известно как «пороговый метод».

Однако этот суточный цикл не имеет такого же эффекта в средних широтах, как в тропических широтах. Тропические регионы реже, чем регионы средних широт, имеют 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 заметных изменений глубины смешанного слоя со временем суток. Значительные осадки в этой тропической зоне приведут к дальнейшему расслоению смешанного слоя. Другое исследование, которое вместо этого сосредоточилось на центральной экваториальной части Тихого океана, обнаружило тенденцию к увеличению глубины смешанного слоя в ночное время. В одном исследовании было показано, что смешанный слой внетропических или средних широт больше подвержен влиянию суточной изменчивости, чем результаты двух исследований тропического океана. В течение 15-дневного периода исследования в Австралии суточный цикл смешанного слоя повторялся постоянным образом с затухающей турбулентностью в течение дня.

См. также

• Пограничный слой
• Смешанный слой
• Плотность
• Соленость
• Микрослой морской поверхности