Солевые пальцы

Удивительные пальцеообразные структуры на фотографии — так называемые «солевые пальцы» — результат процесса перемешивания слоя теплой и соленой воды со слоем более холодной и более пресной, находящейся внизу.

Наблюдать солевые пальцы несложно в домашних условиях: достаточно налить в прозрачную емкость холодной несоленой воды и очень аккуратно добавить сверху горячего рассола. В рассол нужно добавить краситель, чтобы дальнейшие события было удобно наблюдать. Несмотря на то, что плотность раствора соли выше, чем плотность чистой воды, рассол все же легче, так как он горячий. Казалось бы, ситуация стабильная: более легкая жидкость находится над более тяжелой. Однако, как только в результате колебаний границы малый объем рассола переместится вниз (в более холодную область), он быстро остынет, станет тяжелее окружающей его пресной воды и продолжит погружаться вниз. Возникнет солевой палец.

Механизм возникновения солевого фонтана. Красными стрелочками показано, как более теплые (и более соленые) слои воды нагревают медную трубу и более холодную (и менее соленую) воду в ней. Рисунок с сайта gfd-dennou.org

Теплообмен в жидкости происходит примерно в 100 раз быстрее, чем диффузия соли в пресную воду. Потому остывающий «палец», по-прежнему соленый (а значит, более плотный), продолжит опускаться вниз. Аналогично, малый объем пресной воды, поднявшийся вверх, нагреется, станет легче окружающего его рассола и продолжит подниматься наверх. Возникнет встречный «пресный» палец, который можно рассматривать как промежуток между солевыми пальцами. Таким образом, исходное состояние быстро становится нестабильным и развивается неустойчивость Рэлея — Тейлора.

Еще одним примером неустойчивости Релея — Тейлора является грибовидное облако ядерного взрыва. В нем сильно нагретый (а значит, менее плотный) воздух в области взрыва оказывается под более плотными слоями атмосферы, в связи с чем он поднимается наверх, а его место занимает воздух сверху. Возникающие при этом встречные потоки и завихрения как раз и формируют форму «ядерного гриба». Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Первую теорию, описывающую образование солевых пальцев, предложил в 1960 году американский океанограф Мелвин Штерн (Melvin Stern). Это интересное явление служит причиной занимательным феноменам вроде бесконечного солевого фонтана. В 1970 году в Саргассовом море поставили опыт: вертикальную медную трубу погрузили нижним концом на глубину 1 км, причем верхняя ее часть на полметра возвышалась над поверхностью моря. Далее в трубу закачали воду из нижнего горизонта, и — о чудо! — заработал фонтан: вода пошла самотеком по трубе наверх («Большая ложка» природы, «Наука и жизнь», №4, 1978). Объяснение простое: менее соленая холодная вода, закаченная в трубу снизу, по мере подъема нагревалась и становилась менее плотной, но не более соленой. В результате на уровне нижнего конца трубы давление снаружи было больше, чем внутри. Аналогия с солевым пальцем состоит в том, что труба как раз моделирует разницу в скорости между теплообменом и диффузией соли в воду.

Недавно выяснилось, что солевые пальцы являются причиной еще одного загадочного явления: ступенчатого распределения температуры и солености воды в некоторых тропических морях (например, в Карибском). Оказывается, эти параметры изменяются скачком через каждые 20–30 метров вглубь. Причина, образно говоря, заключается в том, что «падающие» кластеры солевых пальцев как бы равномерно «размазывают» соленость и температуру на глубину своего продвижения, где снова формируется граница и аналогичный процесс происходит для следующего слоя (F. Paparella, J. Hardenberg, 2012. Clustering of salt fingers in double-diffusive convection leads to staircaselike stratification).

Оказывается, что процесс образования солевых пальцев, наблюдаемый нами в стакане воды, чрезвычайно важен для жизни мирового океана. В субтропиках в верхнем слое воды под действием солнечного излучения растет температура и концентрация соли (так как часть воды испаряется). Таким образом, создаются условия для образования солевых пальцев, которые обеспечивают постоянный перенос поверхностного слоя воды вниз и подъем нижних слоев вверх. В результате такого вертикального перемешивания наверх доставляются питательные вещества из нижних слоев, а вниз переносится солнечное тепло.

Фото с сайта moocs.southampton.ac.uk.

Михаил Кухаренко