拡散対流における階段形状の進化

この手法は、拡散対流階段構造の動的プロセスにおける主要な問題(その生成、発達、消失など)を調査するために使用できます。現在の実験装置では、海洋で直接観測することは不可能ではないにしても非常に難しい拡散対流の進化をはっきりと見ることができます。作業タンクのコンポーネントを収集します。

これらには、銅製のトッププレートとボトムプレート、およびアクリル製のサイドウォールアセンブリが含まれます。トッププレートは電気メッキされており、チューブでアクセス可能な水室を囲んでいます。また、サーミスタ用の場所もあります。

底板も電気メッキされており、サーミスタ用のスロットがあります。加熱パッドが含まれています。蒸留水を使用して、銅板とアクリルの側壁を慎重に清掃します。

完了したら、ネジを使用してタンクを組み立て、水密性を確保します。完成したタンクは、長さと高さが257ミリメートル、幅が65ミリメートルです。光学テーブルに、ステンレス製の支持フレームを設置します。

フレームの上に、断熱スラブを置きます。すべてが揃ったら、組み立てたタンクをスラブの上に置きます。サーミスタを上部プレートと下部プレートに挿入し、データ収集システムに接続します。

サーミスタは、サーミスタが配置されているプレートの温度を監視します。次に、プローブを取り付けるための所定の位置に精密垂直移動ステージを移動します。トッププレートを通して、マイクロスケールの導電率および温度計器センサーをタンクに入れます。

機器を精密平行移動ステージに固定します。次に、センサデータ集録とサーミスタの読み取り用のソフトウェアをセットアップします。タンクに戻り、導電率センサーと温度センサーの位置を調整します。

センサーの初期位置を最も低い点、ここではタンクの底から20ミリメートル上に設定します。次に、実験の並進ステージのモーションのパラメータを設定します。シャドウグラフ手法を使用して、実験を監視します。

このためには、タンクの片側の外側にトレーシングペーパーを取り付けます。タンクの反対側、約5メートル離れたところに、光源を置きます。ほぼコリメートされたビームを生成するには、ナロービームLEDを光源として使用します。

ビームパスのトレーシングペーパーの約1メートル前に高速ビデオカメラを置きます。ランプとビデオカメラをつけた状態で、鮮明な画像が得られるように位置を調整します。作動流体用の2つの同一の長方形タンクを入手します。

タンクは作業タンクと同じサイズです。長さ10センチメートルのクランプ付きフレキシブルチューブでそれらを基部で結合します。2つのタンクを同じ高さに置きます。

1つのタンクに電気攪拌機が入るように手配します。次に、柔軟な50cmチューブを蠕動ポンプにクランプします。チューブを使用して、タンクをスターラーで作業タンクに結合します。

攪拌機のないタンクに、1キログラムあたり60グラムの濃度の生理食塩水を入れます。もう一方のタンクに、脱気した淡水を等量入れます。タンクがいっぱいになったら、接続チューブのクランプを外します。

電気攪拌機で混合水を連続的に均質化します。蠕動ポンプで作業タンク内の流量を制御します。作業タンクは、充填して実験の準備が整うまでに約3時間かかります。

実験では、冷蔵サーキュレーターを使用して天板の境界条件を設定します。トッププレートで、8本の軟質プラスチックチューブを使用して、ウォーターチャンバーを冷蔵サーキュレーターに接続します。サーキュレーターで、天板の温度を室温に設定します。

次に、底板の加熱パッドをDC電源に接続し、その電力レベルを設定します。ビデオカメラの電源を入れて、フローパターンを記録します。水温と塩分データの監視を開始します。

次に、センサーの垂直運動を開始します。最後に、冷蔵サーキュレーターとDC電源をオンにして、作動流体の境界条件を達成します。これは、天板が室温で、底板が加熱されているときに撮影されたシャドウグラフ画像の例です。

画像には 3 つの対流層があり、流体密度が均一です。また、3つのインターフェース層があり、そこには大きな密度勾配が存在します。この強度変動プロファイルには、界面に対応する3つのピークがあります。

ここでは、強度変動プロファイルの時間的な進化を示し、拡散対流階段に関連する層の生成、発達、消失を明らかにしています。温度プロファイルと塩分プロファイルは、システムの時間経過の進化に関する他のビューを提供します。これらのプロファイルでは、各連続線は 404 秒間に収集されたデータを表します。

温度プロファイルのデータセットは、それぞれ前のデータセットから摂氏1.5度オフセットされています。塩分プロファイルの場合、各データセットは前のセットからキログラムあたり3グラムオフセットされます。この手法は、全球的な海洋循環、混合層の深化、熱水プルームの噴火など、海洋の他の現象をシミュレートするためにも適用できます。

この手順を試してみたい場合は、最初に導電率センサーと温度センサーを並進ステージの最も低い位置に調整して、センサーが底板に衝突しないようにすることを忘れないでください。提示された結果により、層の厚さ、熱流束の新しいパラメータ化をさらに開発し、拡散対流に拡散性を追加することができ、これにより、海洋物理学のコミュニティが海洋応用の現象を研究する道が開かれます。