海洋和环境如何在地球和其他行星上移动热量

这种可视化显示了海湾流的海面电流和温度。

盯着漩涡：麻省理工学院研究人员描述了对海洋和环境如何在地球和其他行星体上移动热量的因素。

想象一大杯冷，致密的霜，热咖啡倒在上面。现在将它放在旋转桌上。随着时间的推移，流体将彼此慢慢混合，并从咖啡中的热量最终到达杯子的底部。但随着我们大多数我们不耐烦的咖啡饮用者所知，将层搅拌在一起是一种更有效的方式来分发热量，享受不烫的饮料或冰冷的饮料。关键是在湍流液体中形成的漩涡或漩涡。

“如果你刚等待看到分子扩散是它的，它会永远忍受，你永远不会让你的咖啡和牛奶一起，”塞西尔法拉利，塞西尔和IDA绿色教授在麻省理工学院的地球部，大气和行星部科学（EAPS）。

这一类比有助于解释关于地球上复杂的内复杂和其他旋转行星的新理论 - 以及由法拉利和基础壁巴的最近PNA纸上概述的，由Service de Physique de L'访问研究员最近的PNA纸Etatconcensé，Cea Saclay，法国。

地球的太阳烘烤赤道似乎是直观的，而相对太阳剥夺的杆子很冷，之间的温度梯度。然而，与地球系统在地球上以冷却器区域围绕地球传输热量的方式相比，该温度梯度的实际跨度相对较小，因此可能是由于地球系统将热量传输到更冷的区域的方式。

否则，“你会在赤道上难以忍受的炎热气温，并将被冻结，”温带纬度“将被冻结，”法拉利说。“所以，正如我们所知道的那样，这个星球是可居住的事实，必须用从赤道到杆子的热量运输。”

然而，尽管全球热通量保持了保持现代地球的气候，但该过程的机制并不完全理解。这就是法拉利和寄托的最近作品的所在：他们的研究在于基于船舶和大气涡流在全球系统中的热量中发挥的发挥作用的物理学的数学描述。

法拉利和Gallet的工作建立在另一教授，晚气象学家诺曼菲利普斯的工作，他于1956年提出了一套方程式，“菲利普斯模型”，以描述全球热量运输。Phillips的模型代表了ATMOPSHERE和OCOR作为两层不同密度的彼此。虽然这些方程捕获了湍流的发展并以相对的准确性预测地球上的温度分布，但它们仍然非常复杂，需要用计算机解决。Ferrari和Gallet的新理论为方程提供了分析解决方案，并定量预测局部热通量，能量为漩涡提供动力，以及大规模的流量特性。他们的理论框架是可扩展的，这意味着它适用于漩涡，在海洋中较小，更密集，以及较大的气氛中的旋风。

在运动中设置过程

咖啡杯中涡旋背后的物理因自然界而异。像气氛和海洋这样的流体介质的特征在于温度和密度的变化。在旋转的地球上，这些变化加速了强烈的电流，而摩擦 - 在海洋和大气的底部 - 减慢它们。这场战争导致了大规模电流流动的不稳定，并产生了不规则的湍流流动，我们在大气中变得不断变化的天气。

漩涡 - 闭合空气或水的圆形流动 - 诞生于这种不稳定。在大气中，它们被称为旋风和反气旋（天气模式）;在海洋中，他们被称为eddies。在这两种情况下，它们都是瞬态，有序的地层，在某种程度上不规则地出现并随着时间的推移消散。当它们旋转出潜在的湍流时，它们也受到摩擦阻碍，导致它们的最终耗散，这完成了从赤道（热咖啡顶部）到杆（奶油底部）的热量转移。

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虽然地球系统比两层更复杂，但分析了菲利普斯的简化模型中的热量运输有助于科学家解决戏剧的基本物理。法拉利和Gallet发现由于涡流而导致的热量，但方向混乱，最终比MoresMooth流动的系统更快地向极度移动热量。根据法拉利的说法，“漩涡可以移动热量的狗工作，而不是混乱的运动（湍流）。”

数学上不可能对形成和消失的每一个涡流特征进行数学算法，因此研究人员基于纬度（温度梯度）和摩擦参数来确定涡旋行为的整体效果。另外，它们认为每个涡旋作为气体流体中的单个颗粒。当他们将它们的计算纳入现有模型时，所产生的模拟相当准确地预测了地球的实际温度制度，并透露了气候系统中涡流的形成和功能对摩擦阻力比预期更敏感。

法拉利强调所有建模努力都需要简化，并且不是自然系统的完美表示 - 如在这种情况下，大气和海洋代表为简单的双层系统，并且不会占地球的球形。即使在这些缺点，壁炉和法拉利的理论也有注意力的关注。

“自1956年以来，气象学家和海洋学家已经尝试过，失败，了解这一菲利普斯型号，”Scrippsocion Inoceoction的物理海洋学教授说，“海洋学机构”的票据，“诙谐和法拉利是第一个成功的演绎预测Phillips模型中的热量通量随温度梯度而变化。“

法拉利表示，回答了热传输功能如何让科学家更普遍地了解地球的气候系统的基本问题。例如，在地球的深度之后，有时候我们的星球在北极和棕榈树的鳄鱼游泳在加拿大延伸到加拿大时，并且在它更冷的时候，中外覆盖着冰覆盖。“明显的热转印可以改变不同的气候，所以你希望能够预测它，”他说。“很长一段时间都是人们思想的理论问题。”

随着全球平均温度在过去的100年里增加了1度以上的摄氏度，并且在下一个世纪的步伐上升到了远远超过下一个世纪，需要了解 - 和预测 - 地球的气候系统已成为社区，政府的至关重要，行业适应当前的变化环境。

“我发现将动荡流动的基本面施加到这种及时的问题非常有益，”诙谐，“从长远来看，这种基于物理的方法将成为降低气候建模的不确定性的关键。”

以下在诺曼菲利普斯，朱尔尼·奇利斯（Jule Charney和Peter Stone）等气象巨头的脚步之后，这项工作也遵守Albert Einstein的劝告：“杂乱无章，寻找简单。”

参考：“瓦斯特克斯气体轰炸”底座Gallet和Raffaele Ferrari，2月18日，2020年2月18日，国家科学院的诉讼程序.DOI：
10.1073 / PNAS.1916272117