Диффузия молекулярная — перемещение массы растворенной субстанции из области высокой концентрации в область низкой концентрации в результате хаотических движений молекул жидкости. Перенос тепловой энергии из более теплой среды в более холодную вследствие взаимодействия молекул называется молекулярной теплопроводностью. Количество субстанции, которое рассеивается за единицу времени через единицу поверхности, прямо пропорционально градиенту средней концентрации, перпендикулярному к этой поверхности. Коэффициент пропорциональности для переноса субстанции называется коэффициентом Д. м.; для морской воды он равен приблизительно 2*10 в пятой степени (в единицах СГС). Коэффициент пропорциональности для переноса тепла называется коэффициентом молекулярной теплопроводности,
и он для морской воды приблизительно
равен 10-3 (в единицах СГС).
Однако в океане преобладает турбулентное
движение и перенос субстанции и тепла
турбулентным движением на несколько
порядков больше по сравнению с
молекулярным движением. Предполагается,
что, по аналогии с молекулярными
процессами, скорость переноса массы
турбулентным движением пропорциональна
градиенту средней концентрации.
Коэффициент пропорциональности
называется в данном случае коэффициентом
Д. т. (вихревой), который, подобно
турбулентной (вихревой) вязкости, не
является физической константой, а
зависит от природы турбулентного
движения.
Эмпирические
методы определения турбулентной диффузии (вихревой). Д.
т. в океане эмпирически определяется
тремя методами;
1) по осредненному
распределению «пассивных» величин,
таких, как температура и соленость,
2)
на основе измерений флуктуации этих
величин в постоянных точках 1 и
3) на основе определения рассеяния
индикаторов в потоке. Первый и второй
методы дают Д. т. в неподвижной системе
координат или в системе координат
Эйлера, третий метод — в координатной
системе, перемещающейся с потоком, или
в системе координат Лагранжа.
Первый
метод широко применяется с 1900 г. В
экмановских слоях трения Д. т., как и
турбулентная вязкость, гораздо больше
в вертикальном направлении, чем в
горизонтальном. Вертикальная Д. т.,
как и вертикальная турбулентная вязкость,
уменьшается с увеличением устойчивости.
Для того чтобы определить Д. т. из
уравнения переноса, или уравнения Фикка,
обычно предполагают, что два или три
члена этого уравнения сохраняются.
Диапазон величины коэффициента Д. т.,
полученный таким образом, приблизительно
равен на единицу массы 0,1—102см2/с по вертикали и приблизительно
106— 108 см2/с по
горизонтали.
По
второму методу Д. т. определяется как
отношение величины данного потока к
градиенту средней концентрации.
Советские исследователи пользуются
этим методом для определения вертикальной
Д. т. в различных частях океана. Они
измеряют флуктуации температуры,
солености и горизонтальной и
вертикальной скоростей водообмена
на двух глубинах с интервалами от 0,5 до
2 м. Они обнаружили, что вертикальная Д.
т. почти обратно пропорциональна числу
Ричардсона.
Третий
метод обычно применяется для определения
горизонтальной Д. т. Определить Д. т. по
этому методу можно тремя способами.
Первый способ состоит в изучении
движения одного предмета, например
плавучего буя, пущенного по течению, и
определении лагранжевой Д. т. по корреляции
скорости данного предмета в различное
время. Второй способ заключается в
измерении среднего расстояния между
двумя плавающими предметами. На основе
этого способа «соседняя» Д. т.
оценивается по скорости изменения
среднего расстояния между двумя
плавающими предметами. Ричардсон,
Стоммел, Озмидов, Олсон и Ичие определяли
Д. т. в различных частях океана (плавающими
предметами у них были репа, бумага, буи
и бутылки) и получали величины коэффициентов
Д. т. в пределах 106—109 см2/с.
По третьему способу используется
масса мелких предметов или краска. За
последние годы краска широко применяется
для изучения Д. т.
Статистические
теории турбулентной диффузии. Вихри, создавая перемешивание
и диффузию, имеют различные размеры и
энергию. Распределение энергии среди
вихрей, или спектр энергии, определяется
статистически, исходя из предположения
о случайности движения. Понятие об
изотропной турбулентности было
введено Тэйлором (1935). В этом случае
турбулентность не может ни получать
энергию от среднего движения, ни оказывать
на него обратного воздействия.
Дальнейшим
шагом вперед было создание Колмогоровым
(1941) теории локально изотропной
турбулентности. В этой теории предполагается
существование непрерывного спектра
вихрей различных размеров. Самые большие
вихри получают энергию от среднего
движения, и передают ее меньшим по
размерам вихрям. Согласно теории
Колмогорова, коэффициент Д. т. пропорционален
степени 4/3 от
среднего диаметра вихрей, -участвующих
в Д. т. Эккарт и советские ученые 2
применили теорию Колмогорова к процессам
перемешивания в океане.
Приближенные
теории Иозефа, Зенднера и Шен-фольда,
основанные на гипотезе о случайном
движении частиц, привели к уравнениям
диффузии, сходным с уравнением Фикка
с переменным коэффициентом Д. т.
Полученные результаты были использованы
для предсказания диффузии пятен краски
или радиоактивных веществ, выпущенных
в океан.
Такаши Ичие
Прим.
ред. 1. Группа ученых
Морского гидрофизического института
АН УССР во главе с А. Г. Колесниковым
разработала малоинерционныё приборы,
позволяющие исследовать вертикальную
турбулентность.
2. В
исследование горизонтальной турбулентности
большой вклад
внес Р. В. Озмидов (см. Озмидов
Р. В. Горизонтальная
турбулентность и турбулентный обмен в
океане. М., «Наука», 1968).
Источник: Океанографическая энциклопедия, 1974 год, с. 155 - 156
(прим. будьте бдительны - наука могла уйти далеко вперед)
Другие статьи из энциклопедии можно найти здесь. |