Как не смешаться два моря?

Существует два механизма перемешивания на границе раздела жидкость-жидкость: во-первых, диффузия и, во-вторых, физическое перемешивание.

Диффузия в жидкостях пренебрежимо медленна, растворенным веществам требуется несколько дней, чтобы пройти несколько сантиметров, поэтому в смешивании преобладает физическое волнение, например, действие волн, обычные течения, перемешивание ветром и т. д.

В данном конкретном случае трудно судить, какое влияние оказывают волны и ветер. Море выглядит очень спокойным, поэтому я предполагаю, что волны и ветер мало на что влияют, и неудивительно, что перемешивание происходит медленно. Бьюсь об заклад, что эта линия не будет так четко определена утром после шторма.

Такое деление не является чем-то необычным. Я вырос в Хартуме, где встречаются Белый Нил и Голубой Нил, и граница между ними остается резкой на многие мили. Хотя у меня нет снимков той эпохи (мне было пять лет :-), следующая картинка, найденная с помощью изображений Google, хорошо показывает разделение.

Это также можно увидеть из космоса, как на этом снимке дня NASA Earth Observatory:

Я спросил океанолога ( Николай Колдунов ) об этом фото. Вот его ответ:

В океане, даже если разность плотностей невелика (например, порядка$0.1\,kg/m^3$) процесс смешения двух водных масс происходит достаточно медленно (без сильной турбулентности). Снимок, вероятно, был сделан недалеко от устья большой реки. В этом случае разность плотностей пресной речной воды и соленой морской воды должна быть порядка$20\,kg/m^3$, поэтому граница видна так четко (с учетом штилевого ветра).

Я (Гриша) проверил местоположение на картах Google http://goo.gl/xY41z и да — недалеко от геотега Flickr есть три огромные реки — Dangerous River, Ahrnkin River и Italio River. ОБНОВИТЬ. На самом деле вы можете ясно видеть этот острый фронт на Bing Maps! — http://binged.it/VoGDhh

Фронт, скорее всего, не строго вертикальный — пресная и теплая вода течет поверх холодной и соленой океанской воды, которая, в свою очередь, погружается под пресную воду. Вот фрагмент лекции с объяснением того, как может образовываться вертикальный фронт, например, это изображение Ваше изображение является примером так называемых эстуариев соляных клиньев. Классический пример такого клина – река Колумбия .

В интернете можно найти множество таких снимков со спутников, вот два примера:

http://www.ifish.net/board/showthread.php?t=293094

http://www.aslo.org/photopost/showphoto.php/photo/271/title/fraser-river-satellite-image/cat/504

До сих пор никто не касался вероятности того, что пресная вода на границе реки и океана может быть мутной . Что это значит? Это означает, что вода, вероятно, содержит устойчивую взвесь силикатных микро- или наночастиц, которые не могут агрегировать из-за короткодействующего электростатического отталкивания. Это так называемый коллоид.

Пример сравнения мутности пресной воды с океанской был одним из тех, что я прослушал на курсе физики несколько лет назад. Осветление воды в речной дельте — это то, что можно увидеть на спутниковых снимках по всему миру, и оно связано не столько с разбавлением мутной воды в океане, сколько с дестабилизирующим действием растворенных ионов на мутные коллоиды, что приводит к радикальное сокращение времени агрегации.

Это означает, что при смешивании мутной пресной и прозрачной соленой воды частицы коллоидного ила быстро скапливаются и буквально выпадают из воды. Я бы предположил, что то, что изображено здесь, на самом деле является своего рода фазовым переходом между «стабильным коллоидом» слева и «нестабильным коллоидом» справа, с сопутствующим резким различием в рассеянии света взвешенными частицами. Таким образом, градиент солености может быть несколько более плавным, чем предполагает граница, поскольку довольно небольшое изменение солености может быть разницей между мутной водой, которая бесконечно стабильна, и мутной водой, которая прояснится за секунды.

Стоит отметить, что разделение двух одинаковых жидкостей является обычным экспериментом. Диффузия жидкостей друг в друга регулируется законом Фика, но также может быть понята с точки зрения энтропии смешения .

Ключ к разгадке этой загадки в том, чтобы по-настоящему понять ее с точки зрения энтропии. Хотя черный и коричневый , показанные на картинке, со временем будут смешиваться, если бы мы нашли какой-то механизм, с помощью которого мы могли бы построить динамический цикл, подобный полному термодинамическому циклу , мы могли бы удерживать материал разделенным до тех пор, пока существует наш источник энергии.

Следует иметь в виду, что смешивание материалов определяется как температурным градиентом, так и плотностью материала (а также свойствами растворенных твердых веществ). Если материалы с разной плотностью имеют существенно разные температуры, они будут оставаться разделенными дольше, чем если бы они находились при одной и той же температуре.

В случае двух морей, поскольку существует постоянный источник энергии (солнце и т. д.), а также очевидный источник материала, вызывающий разную плотность, эти динамические источники также должны учитываться в нашем понимании равновесия. Именно динамика анализируемой системы в целом заставит ее отдавать предпочтение наборам конфигураций, которые могут быть нестабильными в более «статичной» задаче диффузии.

Проблема перемешивания океана, вероятно, лучше всего обобщается при изучении моделей циркуляции океана .

Сначала я подозревал, что здесь изображена песчаная коса рядом с более глубокой водой, а не два не смешивающихся «моря», где светлая вода светлая, потому что она мелкая, и мы видим внизу песок, а плотная область темна, потому что она слишком глубока, чтобы видеть дно, и свет поглощается, а не отражается обратно. Пена, которую мы видим на границе, образуется волнами, которые поднимаются вверх, когда глубоководные волны внезапно сталкиваются с более мелкой водой. Я думаю, прочитав другой ответ (см. комментарий ниже; я не помню имя автора банкомата и раздел редактирования не позволяет мне его увидеть), что он прав: это одна жидкость (скажем, большая река пресная вода), впадающая в другую (вероятно, океан или что-то связанное с ним).

Вы правы в том, что жидкости с разной плотностью в конечном итоге будут смешиваться, если они взаимно растворимы, но обычно, когда у вас есть случай двух взаимно растворимых жидкостей с разной плотностью, они находятся сверху и снизу, а не рядом.

Вы можете получить этот эффект дома с водой, сахаром и пищевым красителем. Сначала смешайте 2 части сахара с одной частью воды. Нагревайте, пока весь сахар не растворится, и добавьте немного синего пищевого красителя. Поместите его в прозрачную емкость. Дайте ему остыть до комнатной температуры.

Затем смешайте немного красного пищевого красителя с водой. Медленно и осторожно наливайте его на тыльную сторону ложки, чтобы свести к минимуму перемешивание.

Стекло должно быть синим снизу, красным сверху и минимально фиолетовым посередине, если вы все сделаете правильно. Он должен сохраняться, по крайней мере, несколько часов, возможно, несколько дней. Это похоже на то, что происходит в глобальном конвейере , где холодная, плотная, более соленая вода находится под теплой, относительно менее соленой водой. Это также может происходить в меньших масштабах, с рассолами, как объяснил Алек Болдуин.

Смешанное состояние является термодинамическим равновесным состоянием, а несмешанное - неравновесным состоянием. Неравновесное состояние может поддерживаться только при наличии потока энергии в систему и из нее. В этом случае очевидной причиной может быть приток пресной воды или воды с разной соленостью (энергия в веществе), противодействующие перемешиванию, так что сохраняется неравновесие, даже если перемешивание происходит как за счет диффузии, так и за счет конвекции (бури и т. д.). Однако другие системы, использующие другие формы энергии для создания несмешанных состояний, т. е. модели ветра и океанские течения, зависят от потока солнечной энергии и потока геотермальной энергии соответственно. Точная причина будет зависеть от реальной ситуации. Конечно, это может быть не тот подробный ответ, который вы ищете, но я просто излагаю общую концепцию.

Механизм смешивания : Прежде всего (как мы все знаем), смешивание не является атомным или ядерным явлением. Это происходит, когда молекулы одной жидкости занимают свое место в некотором промежуточном положении между молекулами другой жидкости. Причина, по которой я упомянул «жидкость», заключается в том, что атомы (или молекулы, или что-то еще) могут свободно перемещаться в жидкостях. В случае с твердыми телами этого не происходит. Потому что молекулы держатся так крепко , что не позволяют другим молекулам (даже своим собственным) прийти и занять это положение , если только на них не воздействует давление, температура и т. д.

Что происходит на самом деле? Практически невозможно, чтобы две жидкости разной плотности образовали естественную границу между собой. Как сказал Джон, некоторая внешняя сила может помочь молекулам одной жидкости очень легко диффундировать через другую . Газы (нет проблем), они вообще не требуют силы, потому что они рассеиваются повсюду. Разница в том, что межмолекулярные силы, существующие между молекулами жидкости, несколько выше, чем в газах. Это делает процесс диффузии в жидкостях более медленным, чем в газах. (собственно, фраза @tpg и я с ней согласен)

Когда вы смешиваете две жидкости в миске, либо молекулы приобретают необходимую силу для диффузии, либо от вашего встряхивания миски , либо от вашего перемешивания. Необходимо отметить, что это явление обязательно зависит от площади поверхности. В чаше площадь, занимаемая жидкостью, меньше. И по этой причине сила может легко толкать молекулы одновременно.

В случае с морями (или океанами) сила не может вечно толкать, толкать и толкать молекулы ... Когда-то они должны исчезнуть. Более того, такой огромной силы нельзя было ожидать в океанах. Вот почему Джон упомянул «спокойствие». К сожалению, некому волновать моря. Если мы возьмем научную фантастику в нашу тему и предположим, что землетрясение силой 20 баллов по шкале Рихтера ( невозможное ) под океаном, чтобы выполнить нашу работу, будет достаточно силы, чтобы сделать вас мутной водой.