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话题

 水

礼貌:Helen Czerski
06 Nov 2017
采取2017年11月的物理世界问题

海洋中的泡沫可能看起来微不足道,但在所有海洋中考虑所有的气泡,并且你对这个星球产生了强大的影响力。物理学家和海洋学家 Helen Czerski. 谈到她的探险队进入风雨如磐的海洋,了解更多关于这些小口袋的气体

这是一种经典本科物理问题:i)用给定的参数写下放置在倾斜表面上的固体圆筒的加速度的表达式,计算汽缸需要2米的汽缸的时间长度。但是,当你在风雨如磐的海洋中的船的后甲板上时,看着Grub螺丝,你刚刚掉落到甲板的边缘,并想知道船是否会在螺钉丢失在海洋中永远丢失,对您的物理教育的感激并没有真正占据思考。

有一个很好的原因是在楼层楼层围绕每艘船的甲板跑来跑去的差距 - 这意味着任何到达侧面的海洋水就会迅速找到它的回归。但是当船舶投球和滚动时,重力不能被信任留下你把它们的东西留下,那个差距是海洋物理学家的黑洞。一定通过它肯定不会回来的东西。

Photographs of the R/V Knorr facing a massive wave during a storm

海洋是一个发动机 - 它们从太阳中取出能量,大部分靠近赤道,并将其重新分配给杆子。尽管它们相对微不足道的大小,但在这个大规模的发动机中扮演他们的部分,是泡沫。我研究了这些气囊造成的气囊,以及最好的方法是在这里出去。我喜欢在海上工作,并与它带来的粗暴,实用性和团队合作。即使在巨型服务器淹没从上面的卫星数据和远程操作的水下车辆和自主浮标漫游下面的海洋的年龄,仍然是船舶的地方。

所以在这里,我们在一个美味的锡罐中,悬挂乐器在技术上的技术高级的绳子上,因为这是看到大海的最佳方式。表面下方和泡沫贴片的泡沫夹在上面的膀胱仍然很糟糕,但我们知道他们很重要。海员在大海上看了几个世纪,但它只是在过去的几十年里,我们已经开始了解表面下方的第一米水。很难到达,而是令人着迷的学习。

在船上的生活充满了提醒,我们在陆地上获得了很多。在海上,有夜晚的夜晚,我们觉得从上面的实验室里听到船只作为船滚动,想知道我们最昂贵的设备是否在实验室楼层上弹球。我们可以花一小时更换一个破损的成分,因为我们必须尽快带下来或放开每一个工具,螺丝和容器。我们必须追逐淋浴间的水作为船岩石,因为“下来”到处都是站在哪里。但这是值得在这里工作的,因为我们可以进入地球发动机的核心,围绕着水和空气之间的巨大边界。甚至边界本身也有一个巨大的故事来讲述。

A double logarithmic plot of the friction force on electrons as a function of electron energy

巨大的颠簸海洋

您可以将海洋的顶部视为作为纸张的顶部,一个2D表面,永不顺利地遵循行星的椭圆形状。在最大的鳞片上,水面上方和下方的较密集山脉的凸起凸起施加强烈的引力。南极洲的伟大冰块也为自己吸水 - 它认为随着它的熔化,膨胀水将偏向北方,在北半球升高海平面。贸易风和一般海洋循环与米左右的海面高度异常相关,足以使用基于空间的高度计监测海洋电流。潮汐可能导致开阔的海洋中的半米左右,但在一些海岸线附近最多15米。即使是大型旋转风暴中心的低大气压也会导致海面中的凸起,这可能是半米的高度。海洋是巨大的颠簸的地方,虽然颠簸有时对我们来说太大了。

但表面波是不同的,因为它们是大气和海洋之间最强的物理联系。当地风推着海面,转移动量和能量,产生波浪。这是建造“风海” - 由当前条件引起的不同尺寸的陡波。随着风速的增加,波浪被推动较长的时间段,在更远的距离上,它们保持尺寸。波浪中的能量继续增加,直到能量损失机制赶上,提供一些平衡并阻止波浪生长。超出风速约为5-10米/秒,其中大部分能量损失呈现出波浪打破的形式和随之而来的湍流耗散。断裂最终发生时,波峰峰值在波的正面上倾斜,并且2D表面自动重新连接,作为其德博的内部捕获气体。

Photograph of Helen Czerski working on the buoy that holds her equipment

这是几乎所有海洋气泡的起源,我们在表面看到的泡沫贴片(称为白斑)只是故事的一小部分。表面下方,这些小棘爪的气氛的气氛有一个复杂的存在:有些旅行向下持续数米,持续数分钟,在重新加强大气之前,有些时间持续不到一秒钟。

每个单独的泡沫都是一个巨大的海洋中的一个小物体,但它们在一起以四种主要方式影响上海。首先,泡沫强烈影响海洋声学,因为空气比水更可压缩 - 它们在后方形成和散射声音时会产生声音。其次,气泡改变了海洋的颜色和透明度,因为它们散落着光线。第三,它们作为在两个方向上通过海洋表面传输气体的小型车辆。第四,如果他们升到表面和爆裂,他们吐了微小的液滴到天空中。以这种方式形成的气溶胶颗粒散射光(有时引起雾度)并且可以高达足够高以充当云凝结核。

所有这意味着这种简单的物体的存在具有复杂的后果:毕竟是一个困难的空气袋。但是在你能理解所有复杂性之前,你必须知道有多少泡沫以及他们达到的东西,甚至那是棘手的。

Photograph of the big yellow buoy being lowered into the ocean from the ship

当风雨如磐的海洋是理想的时候,我最后一次在海上,在2013年秋天,我们在风暴季节在北大西洋。我们的主要重点是海运燃气转移:观看海洋呼吸。大约30%的额外公司2 这种人类在大气中陷入大气中,主要是因为它是可溶的,如果你增加浓度梯度,就会溶解。有一个恒定的全球合作伙伴交流2 在大气和海洋之间,但在北大西洋风暴季节,它主要从空中进入水中。我们的探险被资助测试目前对通过海面移动的不同气体的理解,以及如何取决于风速,波浪状态,气泡,水条件和天气,具有特定于CO2的专注。

我们的家六个星期是美国船只,r / v knorr. ,在海洋圈中着名的是作为船尾的船只淹没了淹没的残骸 泰坦尼克号 1985年。战略很简单:我们会在尽可能多的风暴的道路上定位自己,将船鞠躬进入风,并骑出每种风暴,同时测量我们周围的巨大气体交换过程。我们幸运 - 热情洋溢的天气。

我这个旅程的一个定义记忆之一是一天的首席科学家在很少有人在任何地方蹦蹦跳跳时,抓住门口,因为船在他身边滚动并令人兴奋地提醒每个人的速度,那天早上令人愉快地提醒每个人:“65节阵风最多70!“对于喜欢公制单位的人来说,这是约120-130公里/小时的人,对那些喜欢和平生活的人来说非常糟糕。

Underwater photograph of bubbles near the ocean surface

但我也很开心 - 我会来到海上测量泡沫,肯定有气泡。它看起来好像海洋的表面吹走了,并且在泡沫下,你可以看到巨大的地下泡沫羽毛。我唯一担心是关于我的泡泡探测器是否正常工作,但我没有任何东西可以做到这一点。他们在大黄色浮标上自由地远离船只,留下自己的设备,直到风暴过来。

泡沫的旅程

没有普遍的方法测量海上泡沫,这是因为重要机制在时间(0.1 ms - 100秒)和空间中的五个数量级(0.1 mm - 10 m)运行。就在波浪突破之后,任何大气泡都被断裂波下面的强烈湍流撞击。对于第一秒,与湍流相关的剪切应力延伸并扭曲新的空气袋,并且可能尺寸大于约毫米的任何气泡可能是片段的。比可能保持完整的气泡小,因为表面张力降低了气泡变形。

碎片过程仍然明白,但它留下了具有非常具体的大小分布的泡沫群体(图1),于2002年由Grant Deane和Scrips Oceococto,San Deane,2002年的Scrips Deane和Dale Stokes识别。斜坡上的扭结 - 通过碎片级联形成大于约毫米的气泡,但是较小的坯料形成较小的尺寸分布。那些可能由薄的空气划分为成千上万的微小气泡而形成 - 什么是“meslerentrainment”。

Underwater photographs of bubbles near the ocean surface

湍流快速消散,从现在开始,游戏只是为了跟随这个初始人群会发生什么。在浪潮中发生一秒钟后,这些气泡是你所得到的 - 在强烈的湍流完成后,气泡不会分开或加入在一起。海泡泡有没有合并的奇怪特征 - 他们倾向于相互反弹。我们并不清楚为什么这是如此,但它与他们表面上的充电分配有关。这就是为什么你看到海洋上的白色泡沫补丁,但不在淡水湖 - 在湖中,泡沫加入在一起,升起和爆发很快,没有痕迹。但在咸海洋中,气泡保持分开,最后足以形成泡沫。

初始泡沫群的命运各不相同。较大的气泡将迅速上升到表面,形成那些泡沫贴片和爆裂。较小的气泡刚刚与水流一起携带,可能深入达到几米(记录的最深的泡沫羽毛在飓风期间,延伸约25米)。它们在整个表面上交换气体 - 对于诸如氧气的较低的可溶性气体,尤其重要 - 并且很可能完全溶解,但有些人可能会发现它们回到表面上。

泡泡看

因此,当涉及到这一切时,除了风暴引起的实际困难之外,您需要各种测量策略只是为了检测气泡。对于年轻羽流的大泡沫,你需要高速摄影,跟随他们被砸碎。对于更深的羽毛,我们使用声学,因为泡沫以取决于其尺寸的方式散落声音。小尺寸的声学谐振器可以测量体积中的气泡,或许跨越20厘米,同时向上指向声纳可以让您了解整个泡沫羽毛形状,通常宽。

这是我对的组合 knorr. - 表面下方的专用相机2米,声学谐振器测量泡沫尺寸分布4和6米,底部的声纳,下方8米,朝向表面抬头。在其他探险中,新颖的光学技术如全息,光散射和衍射也起到了作用。他们得到了向附近的浮游动物的意外美丽的照片提供了侧面的好处,但它们仍然有限于他们可以衡量的气泡。困难的锦上添花是,这些脆弱和短暂的微小气泡的探测器必须承受(字面上)吨的海洋砰砰直击。

但我们正在学习。我们知道,最大的泡沫可能留在顶部米或两大中,这些都是CO的最重要的车辆2 转移到海洋中。我们开始将湍流搅动的湍流和气泡本身的效果分开,当涉及到气体在表面上转移时。我们知道气泡可能对某些气体(如二甲基硫化物)而言,对他人来说很重要(CO2)。我们在从卫星图像中覆盖的白斑上覆盖的海洋的分数越来越好,并将这一点与我们在表面发生的情况的了解。我们开始了解如何建立气体转移和气溶胶生产的准确数学模型,并将这种方法喂入天气和气候模型。

然而,我们的知识仍然存在巨大的差距。我们仍然对泡沫羽毛的结构非常了解,以及它们如何随着海洋状况的变化而变化。在有足够的辅助测量的船上乘坐海上以使泡沫数据感到罕见的疗法,并且只有少数研究游轮致力于理解这些过程。

该领域的单一最大的未知是天然海洋表面活性剂的效果:普通的水中的水在水中(那个词并不像听起来那样差异 - 它通常被称为 Gelbstoff. ,德国“黄色的东西”)。表面海洋充满了凝胶颗粒,长链碳水化合物,脂质,蛋白质,灰尘,细菌,病毒和任何被单细胞生物体或从较大组分分解的东西的东西。所有这些都会粘在气泡,稳定它们。

它们也将在气溶胶颗粒上向上溅,增加大气中不同的微粒种群。但是海洋化学的这一方面令人沮丧,甚至在几十米上变化。如果您在水样中询问海洋化学家,您刚刚向他们呈现,他们会脸色,吮吸他们的脸颊,并不知道这是复杂的不确定的术语。但是,当谈到泡沫持续多长时间,他们的运输方式以及它们如何互动,化学事项。过去几年已经看到了对海上这些表面活性剂进行了更好的技术,我希望从现在起10年来一切看起来不那么神秘。

科学的挂毯

海洋从我们大多数人都感受了很长的路,但我们了解它的大多数人,我们越是赞赏这个巨型发动机的互联。其生物学,物理和化学在一起编织,甚至表面气泡的细节甚至可以发挥重要作用。我们目前的重点是提高我们对此引擎现在运作方式的理解,我们仍然只是刚刚掌握工作的基本机制。

但基于这种理解的模型将来会越来越重要。海洋目前充当人类学CO的巨大水槽2但并不清楚它将继续以与未来相同的速度继续这样做。有准确的CO模型2 基于经过测试的物理机制的运输将对我们预测未来变化的能力产生巨大差异。气泡产生的气溶胶影响云层,随着海洋生物学的变化,气溶胶也可能。随着北冰洋夏季海冰的程度继续减少,新开阔的海洋将开始看到更多的波浪和泡沫,更具气泡。

但这将如何影响杆附近的天气,以及我们在低纬度生活中的那些后果会产生什么后果?单个泡沫是一个小小的和微不足道的实体,但世界上所有的海洋都会产生足够的气泡来影响一个星球。了解如何以及为什么会帮助我们管理我们文明与我们的星球之间的互动。失去的粗鲁螺钉的军团,遗弃和孤独的深海地板,是一个小的代价。

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