Lembaran ais Antartika • Igor Ivanov • Tugas sains popular mengenai "Unsur" • Fizik, Ekologi

Lembaran ais Antartika

Hampir seluruh benua Antartika ditutup dengan lembaran ais gergasi, yang mencapai 4 kilometer tebal. Di permukaan glasier, suhu tahunan purata adalah kira-kira -55 ° C, tetapi dengan kedalaman ia beransur-ansur meningkat kerana haba bawah tanah; dalam rajah. 1 adalah contoh plot suhu berbanding kedalaman di kawasan Kutub Selatan.

Rajah. 1. Graf suhu glasier dengan kedalaman di kawasan Kutub Selatan. Imej dari artikel PNAS 99, 7844-7847 (2002)

Pada skala kehidupan manusia, lembaran ais ini seolah-olah tidak bergerak, tetapi pada hakikatnya ia secara beransur-ansur merayap ke dalam lautan di bawah berat beratnya sendiri (Rajah 2). Walau bagaimanapun, pendakian kecil dalam bentuk salji yang kecil dan berduri membentuk kerugian, jadi glasier tidak hilang, tetapi semata-mata dikemas kini secara berterusan.

Rajah. 2 Skim gelongsor helaian ais Antartika. Sumber imej

Tugas

Rate ini masa kemas kini ciri-ciri lembaran ais Antartika berdasarkan graf profil suhu (Rajah 1) dan ciri-ciri haba ais yang boleh didapati di Internet.


Petunjuk

Rajah. 3 Profil suhu lurus dengan kekonduksian terma melalui plat tetap

Soalan ini mungkin kelihatan mengejutkan, oleh itu ia adalah perlu untuk menjelaskan apa yang perlu dibina di atas. Kerana kita bercakap tentang pengagihan suhu, ia adalah perlu untuk bergantung kepada fenomena pemindahan haba bawah tanah haba melalui ais Antartika. Secara umum, pemindahan haba boleh berlaku disebabkan oleh mekanisme yang berbeza; dua yang paling mudah kekonduksian terma, Iaitu keupayaan untuk memanaskan meresap melalui bahan tetap, dan perolakan, pemindahan haba bersama dengan bahan itu sendiri.

Undang-undang pengaliran haba sememangnya sangat mudah. Haba yang cenderung untuk mengalir dari panas kepada badan sejuk. Oleh itu, jika kedua-dua pihak yang bertentangan dengan sekeping bahan mempunyai suhu yang berbeza di dalam pengedaran suhu bahan ditubuhkan, yang berbeza-beza dengan lancar dari satu kelebihan yang lain. Pemindahan haba dinyatakan oleh formula mudah: fluks haba (diukur dalam Watt) adalah berkadar terus dengan "ketajaman" perbezaan suhu (dalam bahasa saintifik – kecerunan suhu, diukur dalam darjah / meter) dan kawasan permukaan di mana aliran haba. Faktor perkadaran dipanggil pekali kekonduksian haba; ia diukur dalam W / (m · K) dan ciri-ciri bahan.Dalam kes yang paling mudah (bagi plat seragam yang tetap homogen dalam keadaan pegun), suhu bergantung secara linear pada jarak (lihat Rajah 3). Hubungan linear ini mengungkapkan fakta mudah bahawa fluks haba melewati plat, tidak pernah terkumpul di mana saja dan tidak pernah hilang.

Walau bagaimanapun, jika bahan itu sendiri bergerak, maka konveksi mengambil bahagian dalam pemindahan haba bersama-sama dengan pengaliran haba. Akibatnya, profil suhu di dalam bahan akan berbeza, dan semakin pantas pergerakan bahan, semakin kuat perbezaannya daripada pergantungan linear. Grafik di rajah. 1 adalah berbeza dari garis lurus, dan ternyata ini cukup untuk menggambarkan secara kasar bagaimana kadar kedua-dua mekanisme pemindahan haba ini berkaitan dengan satu sama lain.

Selepas itu, ia masih dapat memahami dengan tepat apa ciri-ciri haba ais perlu diambil dan apa yang perlu dilakukan dengannya.


Penyelesaian

Rajah. 4 Profil suhu pada konduksi haba melalui bahan bergerak, apabila kelajuan pergerakan kecil (di sebelah kiri) atau hebat (di sebelah kanan)

Persamaan haba diadakan di banyak universiti, tetapi undang-undang utama dapat diperoleh di sini dan Anda sendiri, mengingat betapa energi termal berkaitan dengan suhu.

Pertama sekali, melihat graf suhu di rajah. 1, boleh dikatakan bahawa kedua-dua mekanisme pemindahan haba kira-kira urutan kecekapan yang sama. Sesungguhnya, jika kesan konveksi sangat kecil, sisihan dari garis lurus akan sangat lemah (Rajah 4, kiri). Sebaliknya, jika ia lebih kuat daripada kekonduksian terma, maka semua haba akan kekal di bawah, iaitu jadwal akan sangat tajam (Rajah 4, kanan). Dan dalam data kami hanya ada situasi perantaraan.

Bagaimana untuk merumuskan satu keadaan bahawa kedua mekanisme ini adalah kira-kira urutan kecekapan yang sama? Aliran haba melalui lapisan ketebalan H pada perbezaan suhu ΔT di kawasan keseluruhannya S membentuk J1 = kΔTS / Hdi mana k – pekali kekonduksian terma. Haba aliran-balas disebabkan oleh pergerakan keseluruhan jisim glasier dengan kelajuan menegak v membentuk J2 = CorvΔTSdi mana C dan ρ – ialah kapasiti haba dan kepadatan ais. Mendapatkan formula ini tidak sukar. Ambil sedikit masa t, ketahui sejauh mana ais telah meninggalkan glasier (dan jumlah yang sama, hanya dengan suhu yang lebih rendah, "panas" di atas), anda dapat Svt. Kemudian temukan berapa banyak haba yang terkandung di dalam jumlah ini, dan, akibatnya, berapa banyak haba telah bergerak melalui glasier.Membahagikan haba ini untuk seketika tdapatkan J2.

Ia sekarang tetap mengatakannya J1 kira-kira sama dengan J2, mengurangkan faktor yang sama dan mencari kelajuan pergerakan: v = α / Hdi mana nilai α = k / C ρ adalah satu lagi ciri material pembesaran habayang diukur dalam m2/ sec. Dengan mengandaikan bahawa gelongsor glasier adalah seragam, kami mendapat jawapannya:

T ~ H / v = H2 / α.

Untuk penilaian berangka, kita memerlukan tiga ciri haba ais: k, C dan ρ. Pada halaman ini, mereka disenaraikan untuk pelbagai suhu. Menggantikan nombor, kita dapat α hanya lebih dari 10-6 m2/ sec. Untuk ketebalan glasier H = 4 km kami mendapat masa kemas kini kira-kira 500 ribu tahun.


Selepas perkataan

Rajah. 5 Pelbagai data paleoklimatik diperolehi daripada teras ais di stesen Antartika "Vostok". Dua skala mendatar menunjukkan sejauh mana (skala atas) berkorelasi dengan masa pembentukan ais (skala yang lebih rendah). Imej dari J. Petit et al., 1999. Kawalan iklim, Antartika

Dalam pengiraan mudah kita, kita tidak mengambil kira sama ada geometri dan dinamik pergerakan glasier yang rumit, mahupun leburnya di bawah, atau pergantungan semua pekali pada suhu. Walau bagaimanapun, walaupun pengiraan yang hampir dianggarkan, kami mendapat anggaran yang mengejutkan tepat. Dalam ara.5 menunjukkan "kronologi" ais Antartik yang diambil di stesen Vostok. Ia dapat dilihat bahawa ia benar-benar meluas selama beberapa ratus ribu tahun dan menangkap beberapa tempoh glasier terakhir. (Untuk maklumat lanjut mengenai kajian paleoklimatik menggunakan ais Antartika, lihat, sebagai contoh, dalam berita mengenai "Unsur" es Antartik menceritakan mengenai kandungan metana dan CO2 di atmosfer bumi sepanjang 800 ribu tahun yang lalu, 05/22/2008, dan glasiasi disertai dengan debu lebih 800 ribu tahun, 04/14/2008.)

Sudah tentu, adalah mungkin untuk membuat anggaran lebih mudah umur glasier Antartika. Pengukuran meteorologi menunjukkan bahawa hujan tipikal pada helaian ais adalah kira-kira 2.5 sm ais setahun. Jika kita menganggap bahawa glasier secara purata tidak tumbuh dan tidak menjadi lebih nipis (dan pengamatan satelit menunjukkan bahawa ini adalah kira-kira kes itu), maka ini akan menjadi kelajuan menegak ais. Benar, dengan cara ini kita akan mendapat masa kemas kini hanya 150 ribu tahun, yang ketara kurang daripada anggaran dan data sebenar kita sebelumnya.

Jawapannya ialah 2.5 cm setahun adalah kadar hujan. sekarangsemasa tempoh interlastik.Semasa glaciations yang sama, yang berlangsung lebih lama, udara menjadi lebih kering, dan hujan di Antartika jatuh kira-kira dua kali. Oleh itu, anggaran untuk glasier umur perlu dua kali ganda, dan ia akan lebih dekat kepada realiti.

Akhirnya, adalah berguna untuk mengingatkan satu perkara lagi. Daripada parameter tugas kami (kelajuan, ketebalan, parameter bahan) kita boleh membuat gabungan tanpa dimensi khas, yang dipanggil Nombor pecklee tugas ini:

Pe = H v / α.

Nombor Peclet hanya mencirikan berapa kali perpindahan haba akibat konveksi lebih berkesan daripada konduksi haba. Malah, dalam menyelesaikan masalah kita, kita, melihat graf suhu, memutuskan bahawa nombor Peclet adalah hampir sama dengan satu. Nilai nombor tanpa dimensi (dan mereka sentiasa didapati dalam hidrodinamika) terletak pada hakikat bahawa angka-angka ini, dan bukannya dimensi atau kelajuan tertentu dalam diri mereka, menentukan rejim aliran atau pemindahan haba. Dengan kata lain, jika kita mahu membuat model desktop glasier Antartika dengan pengedaran suhu yang betul ketebalan, maka kita perlu memastikan bahawa nombor Peclet adalah sama (iaitu, untuk H = 10 cm kelajuan ais perlu beberapa sentimeter sejam).


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: