Wie können sich zwei Meere nicht vermischen?

Es gibt zwei Mechanismen zum Mischen an einer Flüssig-Flüssig-Grenzfläche, erstens Diffusion und zweitens physikalische Bewegung.

Die Diffusion ist in Flüssigkeiten vernachlässigbar langsam, es dauert Tage, bis gelöste Stoffe einige Zentimeter zurückgelegt haben, daher wird das Mischen durch physikalische Bewegung dominiert, z. B. Wellenbewegung, Konventionsströmungen, Windmischung usw.

In diesem speziellen Fall ist es schwer zu beurteilen, welche Wirkung Wellen und Wind haben. Das Meer sieht sehr ruhig aus, daher würde ich vermuten, dass Wellen und Wind wenig Einfluss haben und es nicht verwunderlich ist, dass das Mischen langsam ist. Ich wette, diese Linie wäre am Morgen nach einem Sturm nicht so gut definiert.

Diese Art der Aufteilung ist gar nicht so ungewöhnlich. Ich bin in Khartum aufgewachsen, wo sich der Weiße Nil und der Blaue Nil treffen und die Trennung zwischen ihnen meilenweit scharf bleibt. Obwohl ich keine Schnappschüsse aus dieser Zeit habe (ich war fünf :-) zeigt das folgende Bild, das mit Google Images gefunden wurde, die Teilung gut.

Dies kann auch aus dem Weltraum gesehen werden, wie in diesem NASA Earth Observatory Image of the Day:

Ich habe den Ozeanologen ( Nikolai Koldunov ) nach diesem Foto gefragt. Hier ist seine Antwort:

Im Ozean, selbst wenn der Dichteunterschied gering ist (z. B. in der Größenordnung$0.1\,kg/m^3$) ist der Vermischungsprozess zwischen zwei Wassermassen ziemlich langsam (ohne starke Turbulenzen). Das Bild wurde wahrscheinlich in der Nähe der Mündung eines großen Flusses aufgenommen. In diesem Fall sollte der Dichteunterschied zwischen frischem Flusswasser und salzigem Meerwasser in der Größenordnung von liegen$20\,kg/m^3$, deshalb ist die Grenze so klar sichtbar (unter Berücksichtigung ruhiger Windverhältnisse).

Ich (Grisha) habe den Standort auf Google Maps http://goo.gl/xY41z überprüft und ja – es gibt drei riesige Flüsse nicht weit vom Flickr-Geotag entfernt – Dangerous River, Ahrnkin River und Italio River. AKTUALISIEREN. Tatsächlich kann man diese scharfe Front auf Bing Maps deutlich sehen! — http://binged.it/VoGDhh

Die Front ist höchstwahrscheinlich nicht streng vertikal – das Süß- und Warmwasser läuft auf dem kalten und salzigen Meerwasser, das wiederum unter das Süßwasser taucht. Hier ist das Vortragsfragment mit der Erklärung, wie die vertikale Front gebildet werden kann, zB dieses Bild Ihr Bild ist ein Beispiel für sogenannte Salzkeilmündungen. Das klassische Beispiel für einen solchen Keil ist der Columbia River .

Im Internet findet man viele solcher Bilder von Satelliten, hier zwei Beispiele:

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

Niemand hat bisher die Wahrscheinlichkeit angesprochen, dass Süßwasser an einer Fluss/Ozean-Grenzfläche sehr wahrscheinlich schlammig ist . Was bedeutet das? Dies bedeutet, dass das Wasser wahrscheinlich eine stabile Suspension von Silikat-Mikro- oder -Nanopartikeln enthält, die aufgrund der elektrostatischen Abstoßung über kurze Distanzen nicht aggregieren können. Dies ist ein sogenanntes Kolloid.

Das Beispiel der Trübung von Süß- und Meerwasser kam vor ein paar Jahren in einem Physik-Chem-Kurs auf. Die Klärung von Wasser an einem Flussdelta ist etwas, das weltweit auf Satellitenbildern zu sehen ist und weniger mit der Verdünnung von schlammigem Wasser in einem Ozean zu tun hat, als vielmehr mit der destabilisierenden Wirkung gelöster Ionen auf schlammige Kolloide, die daraus resultieren eine radikale Verkürzung der Aggregationszeitskala.

Das bedeutet, dass beim Mischen von schlammigem Süß- und klarem Salzwasser die kolloidalen Schlammpartikel schnell aggregieren und buchstäblich aus dem Wasser herausfallen. Ich würde postulieren, dass das, was hier dargestellt wird, tatsächlich eine Art Phasenübergang zwischen „stabilem Kolloid“ auf der linken Seite und „instabilem Kolloid“ auf der rechten Seite ist, mit einer damit verbundenen scharfen Unterscheidung in der Lichtstreuung an suspendierten Partikeln. Der Salzgehaltsgradient kann daher etwas glatter sein, als die Grenze vermuten lässt, da eine ziemlich kleine Änderung des Salzgehalts den Unterschied zwischen schlammigem Wasser, das auf unbestimmte Zeit stabil ist, und schlammigem Wasser sein kann, das sich in Sekunden klären wird.

Es lohnt sich, darauf hinzuweisen, dass die Trennung zweier ähnlicher Flüssigkeiten ein gängiges Experiment ist. Die Diffusion der Flüssigkeiten ineinander wird durch das Ficksche Gesetz geregelt , kann aber auch im Sinne der Mischungsentropie verstanden werden .

Der Schlüssel zu diesem Puzzle liegt darin, es wirklich in Bezug auf die Entropie zu verstehen. Obwohl sich das auf dem Bild gezeigte Schwarz und Hellbraun im Laufe der Zeit vermischen wird, könnten wir, wenn wir einen Mechanismus finden würden, mit dem wir einen dynamischen Zyklus ähnlich einem vollständigen thermodynamischen Zyklus aufbauen könnten, das Material getrennt halten, solange unsere Energiequelle standhält.

Es ist zu beachten, dass sowohl der Temperaturgradient als auch die Materialdichte (sowie die Eigenschaften gelöster Feststoffe) die Mischung zwischen den Materialien bestimmen. Wenn Materialien mit unterschiedlichen Dichten wesentlich unterschiedliche Temperaturen haben, neigen sie dazu, länger getrennt zu bleiben, als wenn sie die gleiche Temperatur hätten.

Da es im Fall von zwei Meeren eine konstante Energiequelle (die Sonne usw.) sowie eine offensichtliche Materialquelle gibt, die unterschiedliche Dichten verursacht, müssen diese dynamischen Quellen auch in unserem Verständnis des Gleichgewichts berücksichtigt werden. Es ist die Dynamik des zu analysierenden Gesamtsystems, die dazu führen wird, dass es Sätze von Konfigurationen bevorzugt, die bei einem "statischeren" Diffusionsproblem möglicherweise nicht stabil sind.

Das Problem der Ozeanvermischung lässt sich wahrscheinlich am besten in der Untersuchung von Ozeanzirkulationsmodellen verallgemeinern .

Ich vermutete zunächst, dass das Bild hier eines einer Sandbank neben tieferem Wasser ist, nicht von zwei "Meeren", die sich nicht vermischen, wo das helle Wasser hell ist, weil es flach ist, und wir den Sand darunter sehen, und das Die dichte Region ist dunkel, weil sie zu tief ist, um den Grund zu sehen, und das Licht wird eher absorbiert als reflektiert. Der Schaum, den wir an der Grenze sehen, stammt von Wellen, die hochgedrückt werden, wenn die Tiefwasserwellen plötzlich auf flacheres Wasser treffen. Ich denke, nachdem ich eine andere Antwort gelesen habe (siehe Kommentar unten; ich kann mich nicht an den Namen des Autors ATM erinnern und der Bearbeitungsabschnitt erlaubt es mir nicht, ihn zu sehen), dass er Recht hat: Es ist eine Flüssigkeit (sagen wir ein großer Fluss von Süßwasser) in ein anderes fließt (wahrscheinlich der Ozean oder etwas, das damit verbunden ist).

Sie haben Recht, dass sich Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte schließlich mischen, wenn sie sich gegenseitig auflösen, aber wenn Sie einen Fall mit zwei sich gegenseitig löslichen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten haben, sind sie im Allgemeinen oben und unten und nicht nebeneinander.

Sie können diesen Effekt zu Hause mit Wasser, Zucker und Lebensmittelfarbe erzielen. Mischen Sie zuerst 2 Teile Zucker mit einem Teil Wasser. Erhitzen, bis sich der gesamte Zucker aufgelöst hat, und etwas blaue Lebensmittelfarbe hinzufügen. Legen Sie es in einen durchsichtigen Behälter. Auf Raumtemperatur abkühlen lassen.

Als nächstes mischen Sie etwas rote Lebensmittelfarbe mit Wasser. Gießen Sie es langsam und vorsichtig über die Rückseite eines Löffels, um das Mischen zu minimieren.

Das Glas sollte unten blau, oben rot und in der Mitte minimal lila sein, wenn Sie es richtig machen können. Es sollte mindestens ein paar Stunden, möglicherweise ein paar Tage anhalten. Dies ähnelt dem, was im globalen Förderband passiert , wo sich kaltes, dichteres, salzhaltigeres Wasser unter warmem, relativ weniger salzhaltigem Wasser befindet. Es kann auch in kleinerem Maßstab mit Brinicles passieren, wie Alec Baldwin erklärt.

Der gemischte Zustand ist ein thermodynamischer Gleichgewichtszustand und unvermischt ein Nichtgleichgewichtszustand. Ein Nichtgleichgewichtszustand kann nur aufrechterhalten werden, wenn ein Energiefluss in das und aus dem System stattfindet. In diesem Fall könnte der offensichtliche Grund sein, dass der Zufluss von Süßwasser oder Wasser mit unterschiedlichem Salzgehalt (Energie in Materie) der Vermischung entgegenwirkt, sodass ein Ungleichgewicht aufrechterhalten wird, obwohl sowohl durch Diffusion als auch durch Konvektion (Stürme usw.) eine Vermischung stattfindet. Andere Systeme, die auf andere Energieformen angewiesen sind, um unvermischte Zustände hervorzurufen, dh Windmuster und Meeresströmungen, verlassen sich jedoch auf den solaren Energiefluss bzw. den geothermischen Energiefluss. Der genaue Grund hängt von der tatsächlichen Situation ab. Natürlich ist dies möglicherweise nicht die detaillierte Antwort, nach der Sie suchen, aber ich stelle nur das übergreifende Konzept vor.

Mechanismus des Mischens : Zunächst einmal (wie wir alle wissen) ist das Mischen kein atomares oder nukleares Phänomen. Es passiert, wenn die Moleküle einer Flüssigkeit ihren Platz an einer Zwischengitterposition zwischen Molekülen einer anderen Flüssigkeit einnehmen. Der Grund, warum ich „Flüssigkeit“ erwähnt habe, ist, dass sich die Atome (oder Moleküle oder was auch immer) in Flüssigkeiten frei bewegen können. Bei Feststoffen passiert das nicht. Denn die Moleküle halten sich so fest , dass sie nicht zulassen, dass andere Moleküle (auch ihre eigenen) kommen und die Position einnehmen, es sei denn , sie werden durch Druck, Temperatur usw. beeinflusst.

Was passiert eigentlich? Praktisch ist es für zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte unmöglich, eine natürliche Grenze zwischen sich zu bilden. Wie John sagte, kann eine äußere Kraft den Molekülen einer Flüssigkeit helfen, sehr leicht durch die andere zu diffundieren . Gase (kein Problem), sie erfordern überhaupt keine Kraft, weil sie sich überall verteilen. Der Unterschied liegt darin, dass die intermolekularen Kräfte zwischen den flüssigen Molekülen etwas höher sind als die in Gasen. Dadurch läuft der Diffusionsprozess in Flüssigkeiten sehr langsam ab als in Gasen. (eigentlich formuliert von @tpg und ich stimme dem zu)

Wenn Sie zwei Flüssigkeiten in einer Schüssel mischen, erhalten die Moleküle entweder durch Schütteln der Schüssel oder durch Rühren die nötige Kraft zur Diffusion. Eines muss beachtet werden, dass dieses Phänomen zwangsläufig von der Oberfläche abhängt. In einer Schüssel ist die von den Flüssigkeiten eingenommene Fläche also geringer. Und aus diesem Grund könnte die Kraft die Moleküle leicht gleichzeitig drücken.

Im Falle von Meeren (oder Ozeanen) kann die Kraft die Moleküle nicht ewig schieben und schieben und schieben ... Sie müssen irgendwann verschwinden. Außerdem war eine so gewaltige Kraft in den Ozeanen nicht zu erwarten. Deshalb erwähnte John "ruhig". Leider gibt es niemanden, der die Meere aufwühlt. Wenn wir Sci-Fi in unser Thema aufnehmen und davon ausgehen, dass ein 20-Richter-Erdbeben ( unmöglich ) unter dem Ozean unsere Arbeit erledigt, gäbe es genug Kraft, um Ihnen schlammiges Wasser zu bringen.