Stabil och instabil skiktning

Stabil skiktning av vätskor uppstår när varje lager är mindre tätt än det under det. Instabil skiktning är när varje lager är tätare än det under det.

Flytkrafter tenderar att bevara stabil skiktning; de högre skikten flyter på de lägre. Vid instabil skiktning å andra sidan orsakar flytkrafter konvektion . De mindre täta skikten stiger genom de tätare skikten ovanför, och de tätare skikten sjunker genom de mindre täta skikten under. Stratifieringar kan bli mer eller mindre stabila om lager ändrar densitet. Processerna som är involverade är viktiga inom många vetenskaps- och teknikområden.

Destabilisering och blandning

En enkel modell av en instabil skiktning som omvandlas till en stabil (i oblandbara vätskor, som olja och vatten, eller vaxet och vattnet från en lavalampa ). Notera Rayleigh–Taylors instabilitetsplymer (med "svamphuvuden") i båda färgerna/riktningarna.
En stabilt skiktad dryck av kall mjölk, varmt kaffe och grädde. Det minst täta lagret är på toppen. Mjölken och kaffet blandas långsamt för att bilda nya diffusiva lager, synliga i mellanliggande nyanser av brunt, när mjölken värms och kaffet svalnar vid gränsytan.
Diffusiva skikt kan invändigt vara homogent blandade, men med varje skikt annorlunda från nästa. Detta leder till trappstegsprofiler i fysikaliska egenskaper (här temperatur och salthalt; på föregående foto, färg).
En mänsklig hand som värmer luft. Den uppvärmda luften finns under ouppvärmd luft, en instabil skiktning, så den handuppvärmda luften stiger och den kalla luften sjunker, vilket orsakar konvektion .
Typiskt blandningsmönster för många sjöar, orsakat av att vattnet är mindre tätt vid fryspunkten än vid 4 Celsius. Sjöns skiktning är stabil på sommaren och vintern och blir instabil på våren och hösten när ytvattnet passerar 4 Celsius-märket.

Stabila skiktningar kan bli instabila om skikten ändrar densitet. Detta kan hända på grund av yttre påverkan (till exempel om vatten avdunstar från en sötvattenslins , vilket gör den saltare och tätare, eller om en gryta eller dryck i lager värms upp underifrån, vilket gör det undre lagret mindre tätt). Men det kan också hända på grund av intern diffusion av värme (det varmare skiktet värmer långsamt det intilliggande svalare) eller andra fysikaliska egenskaper. Detta orsakar ofta blandning vid gränssnittet, vilket skapar nya diffusiva lager (se foto av kaffe och mjölk).

Ibland diffunderar två fysiska egenskaper mellan skikten samtidigt; salt och temperatur, till exempel. Detta kan bilda diffusiva lager eller till och med saltfinger när ytorna på de diffusiva lagren blir så vågiga att det finns "fingrar" av lager som når upp och ner.

Inte all blandning drivs av densitetsförändringar. Andra fysiska krafter kan också blanda stabilt skiktade skikt. Havsspray och whitecaps (skummande vitvatten på vågor) är exempel på vatten som blandas i luft respektive luft i vatten. I en hård storm kan gränsen mellan luft och vatten bli otydlig. Några av dessa vindvågor är Kelvin-Helmholtz-vågor .

Beroende på storleken på hastighetsskillnaden och storleken på densitetskontrasten mellan lagren kan Kelvin-Helmholtz-vågor se olika ut. Till exempel, mellan två skikt av luft eller två skikt av vatten, är densitetsskillnaden mycket mindre och skikten är blandbara; se svart-vit modellvideo.

Ansökningar

Planetvetenskap

När två stabilt skiktade skikt rör sig i förhållande till varandra kan Kelvin-Helmholtz-vågor bildas vid gränssnittet. Dessa mönster ses även på andra planeter.
Dessa moln spårar Kelvin-Helmholtz-vågorna mellan två termiskt skiktade skikt av atmosfären.
Jordens litosfär inkluderar uppåtriktat värmeflöde , partiell konvektion och en metallskiktskärna .

Stratifiering ses vanligtvis inom planetvetenskapen.

Solenergi passerar som synlig strålning genom luften och absorberas av marken för att återutsändas som värmestrålning. Den nedre atmosfären värms därför upp underifrån (UV-absorption i ozonskiktet värmer det skiktet inifrån). Uteluften är därför vanligtvis instabilt skiktad och konvektion, vilket ger oss vind. Temperaturinversioner är en väderhändelse som inträffar när ett område i den lägre atmosfären blir stabilt skiktat och därmed slutar röra sig.

Hav, å andra sidan, värms upp ovanifrån och är vanligtvis stabilt skiktade. Bara nära polerna sjunker det kallaste och saltaste vattnet. De djupa havsvattnen värms långsamt och fräschar upp genom intern blandning (en form av dubbel diffusion) och stiger sedan tillbaka till ytan.

Exempel:

Teknik

Vertikal temperaturgradient orsakad av stabil skiktning av luft i ett rum. Observera varm luft som stiger konvektivt från personen; kroppsvärme stör tillfälligt den stabila skiktningen.

I tekniska tillämpningar kan stabil skiktning eller konvektion vara önskvärd eller inte. I båda fallen kan den manipuleras medvetet. Stratifiering kan starkt påverka blandningen av vätskor, vilket är viktigt i många tillverkningsprocesser.

  • Golvvärme skapar medvetet instabil skiktning av luften i ett rum.
  • Passiv kylning bygger på att selektivt uppmuntra och störa stabil skiktning för att kyla rum.
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Stable_and_unstable_stratification&oldid=1140270960 "