Daha çox

4.5: Hamam suyunun şaquli temperatur quruluşu - Geosciences

4.5: Hamam suyunun şaquli temperatur quruluşu - Geosciences


Göllərin şaquli temperatur quruluşu təəccüblü dərəcədə mürəkkəb bir məsələdir və əvvəlcə düşünüldüyündən daha vacib bir məsələdir. Unutmayın ki, suyun sıxlığı temperaturdan asılı olaraq əhəmiyyətli dərəcədə dəyişir, buna görə də göllə ətraf mühit arasında istilik fərqi yaranarsa, qalxma qüvvələri daha az sıx olan cazibə qüvvəsi ilə sabit bir quruluş əldə olunana qədər göl suyunun hərəkətinə səbəb olar. daha sıx suyun üstündəki su. Bu prosesləri maraqlı şəkildə mürəkkəb edən şey, 1 -ci fəsildə qeyd edildiyi kimi, maksimum 4 ° C -də qəribə sıxlığın olmasıdır.

Küvetinizdəki su bir mənada kiçik bir gölün yaxşı bir modelidir. Hamamınızın temperaturu və sıxlığı haqqında düşünün. Hər şeydən əvvəl, hamamınızı necə çəkəcəyinizə dair iki açıq ssenari:

  • Əvvəlcə çox soyuq su axırsınız, sonra isə daha isti etmək üçün çox isti su axırsınız (və ya əksinə). Sonra istədiyiniz temperaturda gözəl bir homojen yaxşı qarışdırılmış hamamla yuvarlanmaq üçün hər şeyi bir neçə saniyə yuyun.
  • Hamısını eyni temperaturda işlədin və sonra kranı bağlayın.

Bu ssenarilərin hər ikisində, temperaturu kiçik bir termometrlə ölçsəydiniz, bütün nöqtələrdə eyni temperatura çox yaxın olardı. Yavaş -yavaş həll olunan boya ilə örtülmüş kiçik krem ​​çırpıcıya yapışsanız və suyu çırparsanız, bir çox qarışıqlıq yaradar və bütün hamamda mürəkkəb bir dövriyyə qurarsınız və boya hamam boyunca sürətlə vahid şəkildə qarışdırılardı. .

Yuxarıda təsvir edilən vahid qarışıq vəziyyətin göllərdəki normal vəziyyət olduğunu düşünə bilərsiniz, amma bu belə deyil. Təsvir etmək üçün başqa bir küvet ssenarisi. Əvvəlcə isti su, sonra soyuq su və ya əksinə, sonra telefon zəng çalır və onları qarışdırmaq şansınız yoxdur. Hamama qayıdanda şaquli temperatur profilini ölçürsən. İstiliyin suyun səthindən aşağıya nisbətən bir qədər aşağı olduğunu görürsünüz (Şəkil 4-4). Aşağıdan yuxarıya doğru olan bu temperatur fərqi, qismən istifadə etdiyiniz soyuq su ilə isti su arasındakı orijinal temperatur fərqindən asılıdır, eyni zamanda çəlləyi nə qədər tez doldurduğunuzdan da asılıdır. Su jeti su səthinə nə qədər güclü vurursa, soyuq su ilə isti su arasında qarışıqlıq o qədər çox olur.

Niyə aşağıdan yuxarıya qədər temperatur fərqi var? Çünki soyuq su isti sudan daha sıxdır (temperaturu 4 ° C -dən yuxarı olması şərtilə), buna görə də dibində qalmağa (əvvəlcə soyuq suyu axıtmış olsanız) və ya dibinə yol tapmağa (əvvəlcə isti suyu axıtmış olsanız) meyllidir. Mükəmməl təbəqələşmiş bir vəziyyətə düşməməyinizin yeganə səbəbi, bütün orijinal soyuq suyun alt təbəqə və bütün orijinal isti suyun üst təbəqə olmasıdır. doldurma zamanı suyun səthində.

Bir az əlavə səylə, demək olar ki, mükəmməl iki qatlı bir təbəqəli hamam qura bilərsiniz. Əvvəlcə soyuq su ilə, sonra isti su ilə dolduraraq və su axınının səthdə üzən yayma boşqabına düşməsinə icazə verərək ən yaxşı nəticələr əldə edirsiniz (Şəkil 4-5). Yayma lövhəsinin məqsədi, aşağıya doğru gedən axının sürətini pozmaqdır ki, isti su boşqabdan yatay şəkildə yavaşca axsın və aşağıda soyuq təbəqə ilə qarışmaq şansı olmasın. Bu, aşağıda soyuq və yuxarıda isti olmaqla ayrılan təxminən iki homojen təbəqəyə gətirib çıxarır çox kəskin bir temperatur dəyişikliyi zonası (təsirli bir temperaturun kəsilməsi), a adlanır termoklin (Şəkil 4-6). Həqiqi göllərdə termoklinə də deyilir metalimnion; yuxarıdakı zonaya deyilir epilimnionvə aşağıdakı zonaya deyilir hipolimnion.

Kiçik boyalı çırpıcınızı qoysanız, nə görərdiniz? Çırpıcıyı yuxarı (isti) və ya alt (soyuq) təbəqəyə qoysanız, bu təbəqədə çoxlu bulanıqlıq yaranar, ancaq digər təbəqə çox az təsirlənərdi: hər təbəqə digərindən asılı olmayaraq hərəkət edər ( Şəkil 4-7). Ancaq çırpıcıyı interfeysə qoysanız, isti və soyuğun bir hissəsini qarışdıraraq aralıq sıxlıq və temperatura malik su əmələ gətirərdiniz və bu aralıq su yanal olaraq kənara çıxaraq yeni və asanlıqla tanınan bir ara qat meydana gətirərdi ( Şəkil 4-8).

Burada olan budur ki, aşağıda soyuq bir təbəqə və yuxarıda isti bir təbəqə təşkil edərkən cazibə qüvvəsi baxımından sabit bir təbəqələşmə meydana gətirdiniz və buna ehtiyac var. (sözün əsl mənasında, fizika mənasında - güc dəfə məsafəsi) iki qatın sularını qarışdırmaq. Çırpıcı yalnız bir təbəqədə olduğu zaman edilən hərəkətlər təbəqələşməni pozmaq üçün kifayət deyildi. Sabit sıxlıq təbəqələşməsini pozmaq üçün daha güclü bir qarışdırıcıya ehtiyacınız olacaq.

Göllərin istilik rejimi haqqında bəzi fikirlər əldə etmək üçün küvetinizdə edə biləcəyiniz bir neçə başqa ibrətamiz şey:

• Küvetinizi üzən izolyasiya qapağı da daxil olmaqla istilik izolyasiya örtüyü ilə ən yaxşı şəkildə düzün. Bu yolla ətraf mühitlə istilik mübadiləsi edərək, hamam suyunun sıxlığını və istiliyini dəyişdirmək ehtimalını ortadan qaldırırsınız. Yuxarıda göstərildiyi kimi termal təbəqələşmiş bir hamamla başlayın və sonra saatlar sonra qayıdın və şaquli temperatur profilini yenidən ölçün. Bunu tapardınız termoklin qalınlaşdı (Şəkil 4-9). Niyə? İsti təbəqədən soyuq təbəqəyə molekulyar hərəkətlərlə keçməklə. Termal diffuziya adlanan bu təsir yavaşdır, lakin sarsılmazdır. Tam izolyasiya vəziyyətində, hamamdakı su vahid bir temperatura sahib olacaqe.

ARKA PLAN: DİFÜZYON

Diffuziya bir çox təbii mühitdə əhəmiyyətli bir prosesdir. Diffuziya edir bir maddənin və ya əmlakın təsadüfi hərəkətləri olduqda, bu maddənin və ya xüsusiyyətin konsentrasiyasında bir məkan gradientinin olması nəticəsində bir mühitdə bir material və ya əmlak axını.

Bu olduqca uzun və mücərrəd bir tərifdir. İşdə bəzi yayılma nümunələri:

  • Ocağa qoyulduqda metal bir qızartma qabının sapının istiləşməsi.
  • Evdə mütəşəkkil hava dövranı olmasa da, yemək qoxusunun evin hər tərəfinə yayılması.
  • bacadan yuxarı qalxdıqca qara tüstünün genişlənməsi.

Diffuziya anlayışını daha konkret etmək üçün düşüncə təcrübəsi (əslində edə bilməyəcəyiniz). Fərz edin ki, möhürlənmiş bir otağın ortasına "sol" və "sağ" bir tərəf etmək üçün şaquli hava keçirməyən bir bölmə yerləşdirə bilərsiniz və sonra hissənin sağ tərəfindəki bütün hava molekullarını yaşıl rəngə və hamısını rəngləndirə bilərsiniz. bölmənin sol tərəfindəki hava molekulları qırmızıdır. Nəzərə alın ki, hava molekulları istilik enerjisinə görə arada -burda sıxılır və bəzən otaq divarları ilə və bir -biri ilə toqquşur.

İndi sehirli bir şəkildə hissəni çıxarın və nə olacağını düşünün. Bölmənin yerləşdiyi şaquli müstəvidə balanslı bir molekul mübadiləsi var: istənilən vaxt, təxminən bərabər sayda molekul düzəldən iki əks istiqamətdə keçir. Ancaq əvvəlcə sağdan sola keçən molekulların hamısı qırmızı molekuldur və soldan sağa keçən molekulların hamısı yaşıl molekullardır. Soldan sağa qırmızı molekulların və sağdan sola yaşıl molekulların xalis axını olduğunu söyləyirik. Diffüziv nəqliyyatın mahiyyəti budur. Nəhayət, əlbəttə ki, həm qırmızı molekulların, həm də yaşıl molekulların konsentrasiyaları otaq boyunca hər yerdə bərabərləşir. Bundan sonra, molekullar hələ də sıxışsa da, xalis nəqliyyat yoxdur, çünki artıq qırmızı və ya yaşıl molekulların konsentrasiyalarında heç bir məkan qradiyenti yoxdur.

Ortamın təsadüfi hərəkətləri, ayrı -ayrı atomları və ya molekulları və ya mayedəki turbulent girdilərin təsadüfi hərəkətlərini əhatə edə bilər. Soba üzərindəki tava nümunəsi metal sapın atomlarının titrəmələrini əhatə edir. Tava temperaturu sapdan daha yüksəkdir, yəni atomların titrəmə sürəti daha böyükdür. Tutacaqdan aşağı istilik axını, bitişik atomların qarşılıqlı təsiri nəticəsində molekulların titrəmə sürətinin bərabərləşmə meylinin təzahürüdür. Digər iki nümunə, maye içərisindəki turbulent girdapların hərəkətlərini əhatə edir - baxmayaraq ki, yemək qoxusu halında, bölünmüş otağınızdakı qırmızı və yaşıl molekullarda olduğu kimi, molekulyar diffuziya ilə də yayıla bilər. evin havasi cox sakitdir. Bir maye mühitində, turbulent diffuziya, mühit turbulentdirsə, molekulyar diffuziyadan daha təsirli olur.

Diffuziya yolu ilə istilik daşınması nümunəsində, yayılan şey bir xüsusiyyətdir, metalın istiliyidir. Pişirmə qoxusunun yayılması halında, qoxu kimi hiss etdiyimiz qazın və ya koloidin konsentrasiyasıdır. Tüstü bacasından tüstünün çıxması halında, tüstü hissəciklərinin konsentrasiyasıdır.

Mülkiyyətin və ya materialın yayılma axını sürəti yayılma axını, bu xassənin və ya materialın konsentrasiyasının məkan qradiyenti ilə mütənasibdir. Mütənasiblik sabitinə deyilir yayılmavə ya yayılma əmsalı. Bəzi hallarda nəzəriyyədən götürülə bilər; bir çox digər vəziyyətlərdə, xüsusən də maye turbulentliyi ilə əlaqəli olduqda, yalnız ölçülmüş bir empirik dəyər olmalıdır.

  • Vannanın divarlarının ətrafındakı izolyasiyanı yerində qoyun, üst qapağı qapalı qoyun. İsti bir hamam çəkin və sonra zamanın funksiyası olaraq şaquli temperatur profilini izləyin. Su istiliyinin soyuduqca şaquli olaraq qaldığını və ətraf mühitin istiliyinə yaxınlaşdıqca suyun getdikcə daha yavaş soyuduğunu görürsünüz (Şəkil 6-10).
  • Soyuq bir hamam çəkin və eyni şeyi edin. Nəticə möhtəşəm şəkildə fərqli olardı! Səth suyu istiləndikcə aşağıda soyuq bir təbəqə saxlanılır və hamam eyni temperaturda olana qədər bu təbəqələşmə davam edir (Şəkil 6-11). Vahid bir hamam hazırlamaq üçün lazım olan vaxtın əvvəlki vəziyyətdən daha uzun olduğunu da tapa bilərsiniz.

Temperatur və Su

Su istiliyi demək olar ki, bütün USGS su elmlərində mühüm rol oynayır. Su istiliyi bioloji aktivliyə və böyüməyə böyük təsir göstərir, suyun kimyasına təsir edir, suyun miqdarını ölçə bilər və su obyektlərində yaşayan orqanizmlərin növlərini idarə edir.

ABŞ Geoloji Xidməti (USGS) bir əsrdən çoxdur ki, çaylarda nə qədər su axdığını ölçür, yeraltı suların səviyyəsini təyin edir və bu suların keyfiyyətini təsvir etmək üçün su nümunələri toplayır. Suyun istiliyindən təsirlənən milyonlarla ölçü və analiz aparılmışdır.

Su istiliyinin əhəmiyyəti

Temperatur bioloji aktivliyə və böyüməyə böyük təsir göstərir. Temperatur çaylarda və göllərdə yaşaya biləcək orqanizm növlərini idarə edir. Balıqlar, böcəklər, zooplankton, fitoplankton və digər su növlərinin hamısı üstünlük verilən bir temperatur aralığına malikdir. İstiliklər bu üstünlük verilən həddən çox aşağı və ya çox aşağı düşdükcə, növlərin fərdlərinin sayı nəhayət heç biri olmayana qədər azalır.

Su kimyasına təsir etdiyi üçün temperatur da vacibdir. Kimyəvi reaksiyaların sürəti ümumiyyətlə yüksək temperaturda artır. Xüsusilə su yeraltı sular, yüksək temperaturla ətrafdakı qayadan daha çox mineral həll edə bilər və buna görə də daha yüksək olacaq elektrik keçiriciliyi. Suda həll olan oksigen kimi bir qazı nəzərdən keçirərkən əksinədir. Soyuq bir soda ilə nə qədər "köpüklü" olduğunu düşünün. Soyuq soda, maye içərisində həll olunandan daha çox karbon dioksid baloncuqlarını saxlaya bilər, bu da içdiyiniz zaman daha dumanlı görünür.

İsti su axınındakı su həyatına təsir göstərə bilər. İsti su daha az tutur həll edilmiş oksigen sərin sudan daha çoxdur və müxtəlif su həyat növlərinin yaşaması üçün kifayət qədər həll edilmiş oksigen ehtiva edə bilməz. Bəzi birləşmələr daha yüksək temperaturda su həyatı üçün daha zəhərlidir.

Su keçirməyən səthlər axınlara isti su qatır

İsti bir dayanacaq, qızdırılan axının axınlara girməsinə səbəb ola bilər.

Su istiliyinin əhəmiyyətli bir su keyfiyyəti ölçüsü olduğunu düşünə bilməzsiniz. Axı, temperatur kimyəvi deyil və görə biləcəyiniz fiziki xüsusiyyətlərə malik deyil. Ancaq bir balığın içində yaşadığı suyun istiliyinin vacib olub olmadığını soruşsanız, bəli (danışa bilsəydi) qışqırardı! Təbii mühitdə su, su həyatı üçün çox narahatlıq yaratmır, çünki suda olan heyvanlar və bitkilər bu mühitdə ən yaxşı şəkildə yaşamaq üçün təkamül etmişlər. Su hövzəsinin istiliyi ya təbii hadisə, ya da insan tərəfindən törədilən bir hadisə ilə dəyişdikdə, balıqlar tərdən çıxır və narahat olmağa başlayır.

Bu şəkil, güclü bir yaz yağışından sonra tipik bir dayanacaq yerini göstərir. Avtomobil parkları və yollar buna nümunədir su keçirməyən səthlərburada suyun yerli axınlara axdığı yer yerə batırmaqtəbii mühitlərdə olduğu kimi yağışların axınlara girməsi üçün "sürətli zolaqlar" rolunu oynayır. Yaz aylarında gün boyu günəşdə bişirilən bir dayanacağın üzərinə yağan yağış yağır super qızdırılıb və sonra axınlara axır. Bu qızdırılan su, dərədəki su həyatına bir zərbə ola bilər və beləliklə, suyun suyun keyfiyyətinə zərər verə bilər.

İstiliklə bərabər, axın dan dayanacaqlar sızan motor yağı, işlənmiş karbohidrogenlər, qalıq gübrə və normal zibil kimi çirkləndiricilər ola bilər. Bəzi icmalar, parkdan və su bağlarından su keçirən səki örtüyünün istifadə edilməsini sınaqdan keçirir ki, bu da partiyadan axınlara zərərli axını azaldır. Sağ tərəfdəki şəkildə, dayanacaq səthləri əyilmiş vəziyyətdədir ki, axıntılar yerə hopsun. Ərazidə su sevən bitkilər də yetişdirilir. Su axınının əhəmiyyətli bir hissəsi bu sahələr tərəfindən tutulmalı və axının bir hissəsi bir axına çatanda suyun temperaturu normal axın istiliyinə yaxın olmalıdır.

Göllərdə və su anbarlarında mövsümi dəyişikliklər

İçərisində temperatur da vacibdir göllər və su anbarları. İlə əlaqədardır həll olunmuş oksigen bütün su həyatı üçün çox vacib olan suyun konsentrasiyası. Mövsümlər dəyişdikdə bir çox göl su qatlarının "dönüşü" ilə qarşılaşır. Yaz aylarında gölün yuxarı hissəsi aşağı təbəqələrdən daha isti olur. Yəqin ki, yayda bir göldə üzərkən bunu hiss etdiniz - çiyinləriniz ayaqlarınız soyuduqca isti bir hamamda olduqlarını hiss edir. İsti su daha az olduğundan sıx daha soyuq su, göl səthinin üstündə qalır. Ancaq qışda bəzi göl səthləri çox soyuq ola bilər. Bu baş verdikdə, səthi su il boyu daha sabit olan (indi səthdən daha isti olan) dərin sudan daha sıx olur və soyuq səth suyu gölün dibinə batanda göl "çevrilir".

Ice Lake, Minnesota mövsümi temperatur xüsusiyyətləri.

Göllərdə mövsümlər boyu temperaturun dəyişmə yolu, yerləşdiklərindən asılıdır. İsti iqlimlərdə səth heç vaxt gölün "dönməsinə" səbəb olacaq qədər soyuq ola bilməz. Ancaq soyuq qışı olan iqlimlərdə temperatur təbəqələşməsi və dönmə baş verir. Bu cədvəl ABŞ -ın Minnesota ştatında (qışda həqiqətən soyuq olduğu) bir göl üçün temperatur profillərinin təsviridir. May ayında səthin istiləşməyə başladığını görürsən (yaşıl rəng), ancaq istiləşmə yalnız təxminən 5 metrə qədər enir. Səth bütün yay istiləşməyə davam etsə də, daha az sıx su hələ də gölün üstündə qalır. Hətta yayda gölün alt yarısı hələ də qışda olduğu kimi soyuq qalır. Yaz aylarında daha az sıx olan isti su soyuq suyun üstündə qalır və suyun qarışması baş vermir. Oktyabr ayında, temperatur gecə donmağa yaxınlaşmağa başlayanda səth suyu soyuyur, temperaturda bir qədər soyuqlaşır və gölün dibindəki sudan bir qədər daha sıx olur və buna görə batır. qarışdırmaq. Göl "döndü". Oktyabr ayından sonra, suyun şaquli sütunundakı temperatur, buz əriyənə qədər və günəş yenidən gölün zirvəsini istilənə qədər təxminən eyni soyuq temperaturdur.

Oregon ştatının McKenzie çayındakı Cougar Barajı

Kredit: Bob Heims, ABŞ Ordusu Mühəndislər Birliyi

Baraj əməliyyatlarının temperatur təsirləri

Əminəm ki, balıqlar Oregon ştatındakı McKenzie çayında minlərlə ildir - bir çox insanın orada yaşamasından xeyli əvvəl və Cougar Barajı tikilməzdən əvvəl yaşayır. İllərdir, müəyyən mühit xüsusiyyətlərinə malik olan bir çayda yaşamaq və çoxalmaq üçün uyğunlaşdırılmış balıqlar tez dəyişməyəcək. Cougar Barajının inşasından sonra, balıqlar üçün dəyişən bir şey, ilin müəyyən vaxtlarında bəndin altındakı suyun temperaturu idi. McKenzie çayı, Willamette çayının yuxarı hövzəsindəki Chinook somonunun ən böyük qalan vəhşi populyasiyasını dəstəkləyir və South Fork McKenzie çayı yaxşı yumurtlama mühitini təmin edir. Cougar Barajının aşağı axınında dəyişən temperatur modelinin, balıqların köçü, yumurtlaması və yumurtadan çıxması ilə əlaqədar problemlər yaratdığı təsbit edildi. (Mənbə: Caissie, D., 2006, Çayların istilik rejimi — Baxış: Freshwater Biology, c. 51, s. 1389-1406)

Bu zərərli ekoloji nəticə 2000 -ci illərin ortalarında həyata keçirildi və somon yumurtlama qabiliyyətini bərpa etmək üçün ABŞ Ordusu Mühəndislər Korpusu Cougar Barajındakı su alma quruluşuna sürüşmə qapı qurğusu əlavə etdi. Barajın altındakı su istiliyi nümunələri son zamanlarda təbii güllərə bənzəyir, nəticədə çox gülümsəyən somon olur. Aşağıdakı cədvəl, vəziyyəti düzəltmək üçün hər hansı bir düzəliş edilməzdən əvvəl, bəndin üstündəki və altındakı sahələr üçün temperatur nümunələrindəki fərqləri göstərir.

Barajlar bir çayın təbii temperaturunu dəyişə bilər

Bu cədvəl, Cougar Barajının yuxarı və aşağı axınlarında South Fork McKenzie Çayında müşahidə sahələri üçün bir illik temperatur modelini müqayisə edir. Məqsəd, bəndin müəyyən tikinti aspektləri səbəbindən, bəndin istismara verilməsindən sonra bəndin altındakı mövsümi temperatur modellərinin necə ciddi şəkildə dəyişdirildiyini göstərməkdir. Dəyişən temperatur nümunələri bəndin altındakı balıq populyasiyalarına mənfi təsir göstərdi.

Açıq boz xətt, yuxarı sahə üçün gözlədiyiniz kimi bir nümunə göstərir - temperatur yazın sonunda istiləşir və payızda aşağı temperatur gətirərək yazda yüksəlir. Mövsümi hava istiliyi nümunələrini yaxından təqib edən normal bir zəng əyrisi tipini göstərir. Çayın bu nöqtəsində yaşayan balıqlar bu normal temperatur nümunələrinə uyğunlaşdırılmış olardı.

Cougar Barajı axını idarə edir və bəndin aşağı hissəsindəki South Fork McKenzie çayının istiliyinə böyük təsir göstərir. Cougar Su Anbarı, yayda termal təbəqələşir, səthinə yaxın isti, daha az sıx su və dibində daha soyuq, daha sıx su olur. Western Oregon'un isti və günəşli yay havası, yaz boyunca təbəqələşməni sabitləşdirərək su anbarının səthinə əlavə istilik əlavə edir. Baraj əsas buraxılış nöqtəsi ilə nisbətən aşağı yüksəklikdə inşa edildiyindən, bənd tarixən yazın ortalarında su anbarının dibindən nisbətən soyuq su buraxmışdır. Su anbarı payızda daşqınlara qarşı mübarizə aparmaq üçün yer açmaq üçün çəkildiyindən, yayda su anbarının üst qatında tutulan istilik aşağı axınına buraxıldı. Nəticədə, 2001 -ci ilə qədər Cougar Barajının aşağı axınında mövsümi temperatur tərzi (cədvəldə daha qaranlıq xətt) Cougar Su Anbarının yuxarı axınındakı nümunədən xeyli fərqlənirdi.

Böyük soyutma qüllələrindən buxarlanmanı göstərən Pensilvaniyadakı Beaver Valley Elektrik Stansiyasının hava fotoşəkili.

Elektrik stansiyaları istifadə olunan suyu soyudmalıdır

Bəzi sənaye sahələri suyun temperaturu ilə çox maraqlanmalıdır. Bunun ən yaxşı nümunəsi termoelektrik sənayesi Millətin istifadə etdiyi elektrik enerjisinin böyük hissəsini istehsal edir. Enerji sənayesində suyun əsas istifadələrindən biri enerji istehsal edən avadanlıqların soyudulmasıdır. Bu məqsədlə istifadə olunan su cihazı soyutur, eyni zamanda isti avadanlıq soyutma suyunu qızdırır. Həddindən artıq isti su yenidən ətraf mühitə buraxıla bilməz - isti suyu buraxan elektrik stansiyasından aşağı axan balıqlar etiraz edəcək. Buna görə istifadə olunan su əvvəlcə soyudulmalıdır. Bunun bir yolu çox böyük soyutma qüllələri tikmək və qüllələrin içindəki suyu püskürtməkdir. Buxarlanma baş verir və su soyudulur. Buna görə də böyük enerji istehsal edən obyektlər tez-tez çayların yaxınlığında yerləşir.

Yerli suyun keyfiyyətini yoxlamaq istəyirsinizmi?

Su test dəstləri, dünyada su ehtiyatlarının qorunması ilə bağlı ictimaiyyətin məlumatlılığını və iştirakını formalaşdıran beynəlxalq təhsil və yardım proqramı olan World Water Monitoring Challenge (WWMC) -dən əldə edilə bilər. Müəllimlər və su elmləri həvəskarları: Yerli sularda əsas su keyfiyyəti testlərini aparmaq istəyirsinizmi? WWMC ucuz test dəstləri təklif edir ki, öz testlərinizi həyata keçirəsiniz temperatur, pH, bulanıklıqhəll edilmiş oksigen.


Giriş seçimləri

1 il ərzində tam jurnal girişi əldə edin

Bütün qiymətlər NET qiymətləridir.
ƏDV sonradan hesaba əlavə olunacaq.
Vergi hesablanması ödəniş zamanı yekunlaşacaq.

ReadCube -də vaxt məhdud və ya tam məqalə əldə edin.

Bütün qiymətlər NET qiymətləridir.


2 Model Təsviri

2.1 Atmosfer modelləri

NASA Goddard Kosmos Araşdırmaları İnstitutunun (GISS) yeni iqlim modeli ModelE2 (CMIP5 arxivində GISS-E2 ilə ifadə olunur) 2 ° × 2.5 ° üfüqi qətnamə və 40 şaquli təbəqə ilə, model üstü stratopozun yaxınlığında 0.1 hPa. Modelin əsas fizikası, GISS ModelE -nin CMIP3 versiyasına bənzəyir [Schmidt et al., 2006], lakin Schmidt et al. [2014a, 2014b]. Atmosfer tərkibinin üç fərqli müalicəsindən istifadə edirik. Ən sadə olan, NonINTeractive (NINT) tərkibli bir versiyadır, yəni onillik konsentrasiyalardan interpolasiya edilmiş ozonun və aerozolların təyin olunmuş üçölçülü paylanmalarından istifadə etməklə. Tarixi 1850–2005-ci illər simulyasiyaları üçün ozon və aerozolların bu onillik paylanmaları, interaktiv kimya ilə müstəqil bir atmosfer modelinin əvvəlki bir versiyasının off-line hesablamaları nəticəsində əldə edilmişdir [Koch et al., 2011]. Aerozolların buludlara dolayı təsiri, artan aerozollara cavab olaraq aşağı bulud örtüyünün artırılması üçün sadə bir parametr kimi daxil edilmişdir [Hansen və digərləri, 2005a]. Bu parametr, aerozol sayı konsentrasiyaları ilə buludlar arasındakı ehtimal olunan bir əlaqəyə əsaslanır və 1850 -ci ilə nisbətən 2000 -ci ildə təxminən -0.7 W m 2 TOA radiasiya balanssızlığı yaratmaq üçün tənzimlənir. Miller və s. [2014] müzakirə üçün).

İkinci versiya (TCAD), həm troposferdə, həm də stratosferdə tam interaktiv Aerosollar və Kimya İzləyicilərinə (TCAD Birbaşa təsirləri də daxil olmaqla) malikdir. Bütün kimyəvi növlər, modeldəki atmosfer fizikası və qısamüddətli prekursorların emissiyası ilə proqnostik olaraq uyğunlaşdırılmışdır [Shindell və digərləri, 2006]. Aerosolların dolayı təsiri NINT versiyasındakı kimi eyni şəkildə parametrləşdirilir. Üçüncü versiyaya əlavə olaraq Menon və digərlərindən sonra buludlara ilk dolayı aerozol təsirinin (TCADI) parametrləşdirilməsi daxildir. [2010]. Aerosol konsentrasiyasının artması bulud damlalarının ölçüsünün azalmasına gətirib çıxarır ki, bu da buludları daha parlaq və əks etdirən edir [Twomey, 1977]. CMIP5 arxivində, NINT, TCAD və TCADI qaçışları sırasıyla fizika versiyası 1, 2 və 3-dən istifadə edərək qeyd olunur.

2.2 Okean Modelləri

Üç atmosfer versiyasının hər birinə iki fərqli okean ümumi dövriyyə modelini qoşuruq. Heç bir halda atmosfer və okean arasındakı istilik mübadiləsində heç bir axın düzəlişlərindən istifadə etmirik. "Russell okean modeli" ilk olaraq Russell et al. [1995]. Bu okean modeli, 1.25 ° uzunluqdakı üfüqi qətnamə ilə 1 ° enlikdə və ən yüksək 100 m-də daha yüksək qətnamə ilə 32 şaquli səviyyəyə malikdir. Model, şaquli qarışdırma üçün KPP parametrizasiyasını [Böyük və digərləri, 1994] və mezozal girdilərlə əlaqəli qarışdırma effekti üçün Gent-McWilliams parametrləşdirməsini [Gent və McWilliams, 1990] ehtiva edən momentum tənlikləri üçün C şəbəkəsini istifadə edir. CMIP5 arxivində, Russell okean modeli olan iqlim modeli GISS E2-R olaraq adlandırılır (bundan sonra bu mətndə E2-R).

İqlim simulyasiyaları üçün istifadə olunan digər okean modeli, Miami İzopiknal Koordinat Okean Modelinin HYbrid koordinat versiyası olan HYCOM [Bleck, 2006 Sun and Bleck, 2006]. Model, okeanın daxili hissəsində izopiknal koordinat təsvirini saxlayır, lakin koordinat təbəqələrinin "hədəf" izopiknallarının çıxdığı yerin qütbündə sabit qalmasına imkan verir. Sabit sayda şaquli təbəqənin olması (bu halda 26), HYCOM-da şaquli qarışmanın çarpaz izopiknal diffuziya prosesi kimi simulyasiyasına imkan verir. Üfüqi qətnamə həm enlikdə, həm də uzunluqda 1 ° -dir, meridional qətnamə tədricən ± 30 ° enlikdən 1/3 ° ekvatora qədər artır. Şaquli qarışdırma, Kraus-Turner tipli turbulent kinetik enerjinin bağlanmasına əsaslanır. CMIP5 arxivində, HYCOM okean modeli ilə iqlim simulyasiyalarına GISS E2-H (bundan sonra E2-H) istifadə olunur.

Hər iki okean modeli Arktikada və Antarktidada eyni dəniz buz modelini ehtiva edir [Zhang and Rothrock, 2000 Russell et al., 2000].

2.3 Model qərəzləri, sürüşmələr və həssaslıq

GISS-E2 simulyasiyalarının mövcud iqlim üçün bəzi qərəzləri var. GISS-E2 iqlim modelinin bütün mövcud versiyalarında CMIP3 nəticələri ilə müqayisədə dəniz buz iqlimi və mövsümi xüsusiyyətlər təkmilləşdirilsə də [Hansen və digərləri, 2007], modellər çox aşağı sentyabr ayı ilə Arktik dəniz buzunun mövsümi dövrünü çox yüksək qiymətləndirirlər. minimum [Schmidt və digərləri, 2014a]. Bu, bütün RCP təcrübələri üçün Arktikada müşahidə olunan ilkin dəniz buz şərtlərinə gətirib çıxarır və bu, yüksək şimal enliklərində səth istiliyinin çox isti olması səbəbindən GISS E2-H-nin bütün versiyaları üçün xüsusilə aydındır. GISS E2-H ilə RCP təcrübələri, nəticədə, bütün bu RCP təcrübələrində 2040–2050-ci illərdə dəniz buzunun sürətli əriməsinə və yayda buzsuz Arktikaya səbəb olan Arktik Okeanında çox kiçik bir sentyabr dəniz buz örtüyü ilə başladı (bax. daha ətraflı). Cənub okeanlarında bütün GISS modelləri çox istidir və Antarktida dənizinin qüsuru var.

1850 atmosfer tərkibi üçün nəzarət təcrübələri, NINT, TCAD və TCADI E2-R iqlim modelləri üçün əslində 0,001, 0,05 və 0,02 ° C, NINT üçün isə hər əsrdə 0,01, 0,05 və 0,05 ° C sürüşmə dərəcəsinə malikdir. Sırasıyla, TCAD və TCADI E2-H birləşdirilmiş modellər. Hər bir perturbasiya təcrübəsi üçün anomaliyalar, başlanğıc şərtlərdəki kiçik dengesizlik səbəbiylə qeyri -iqlim sürüşməsini nəzərə almaq üçün nəzarətdən [Miller və digərləri, 2014, Şəkil 1] düzəldilmiş hamar bir yuva çıxarılması ilə hesablanır. Ancaq bu yazıda müzakirə edilən 21 -ci əsrin iqlim meylləri ilə müqayisədə bu sürüşmənin kiçik olduğunu qeyd edirik. NINT, TCAD və TCADI E2-R nəzarət iqlim modellərinin modelləşdirilmiş 1000-ci ilində qlobal orta səthi hava istiliyi NINT, TCAD-da sırasıyla 15, 15.2 və 15.2 ° C, 14.3, 14.5 və 14.7 ° C-dir. və TCADI E2-H nəzarət iqlim modelləri.

1950-ci ildə GISS-E2 modellərində dəyərlərinə nisbətən qlobal gələcək iqlim simulyasiyalarının diaqnozu qoyulan ani qlobal istixana qazı iqlim məcburiyyətləri. Yaşıl xətt: RCP2.6 [van Vuuren və digərləri, 2011b], açıq mavi xətt: RCP4.5 [Thomson və digərləri, 2011], narıncı xətt: RCP6.0 [Masui və digərləri, 2011] və çəhrayı xətt : RCP8.5 [Riahi et al., 2011].

Birləşdirilmiş model ikiqat CO üçün tarazlıq iqlim həssaslıqları2 CMIP5 modellərinin 2.1 və 4.7 K arasındakı iqlim həssaslığının aşağı ucunda olan üç atmosfer modeli NINT, TCAD və TCADI üçün 2.7, 2.7 və 2.9 ° C -dir [Schmidt et al., 2014a].Andrews və s., 2012]. Keçici iqlim reaksiyası (TCR), illik 1% CO artması nəticəsində meydana gələn 20 illik ortalama səthi hava istiliyidir.2, ikiqat artım vaxtına və nəzarət simulyasiyasının müvafiq 20 illik orta istiliyinə nisbətlə. TCR, tarazlıqdakı iqlim həssaslığından, həm də dərin okeanın istiliyindən asılıdır. NINT, TCAD və TCADI E2-R iqlim modelləri üçün keçici iqlim reaksiyaları sırasıyla 1.4, 1.4 və 1.6 ° C, NINT, TCAD və TCADI E2-H əlaqəli 1.7, 1.7 və 1.8 ° C-dir. modellər. Bu dəyərlər müşahidə olunan qlobal temperatur və okean istiliyinə əsaslanan keçici iqlim reaksiyasının məhdud hesablamaları nəticəsində əldə edilən 1.1-2.3 ° C aralığındadır [Lewis və Curry, 2014 Otto və başqaları., 2013 Knutti və Tomassini, 2008 Stott və Forest, 2007].


4.5: Hamam suyunun şaquli temperatur quruluşu - Geosciences


Virciniyadakı bütün termal qaynaqlar Valley və Ridge fizioqrafik əyalətində yerləşir
Mənbə: NOAA Milli Geofiziki Məlumat Mərkəzi, Termal Bulaqlar

Yerin dərinliyi daha da qızışır. Nüvəni əhatə edən nüvədə və mantiyada, 4,5 milyard il əvvəl yerin meydana gəlməsindən qaynaqlanan istilik var və bu günə qədər yer altında olan böyük təzyiqlər də istilik əmələ gətirir.

Səthin yaxınlığındakı istiliyin çoxu, uran kimi Yer qabığında konsentrasiya olan radioaktiv maddələrin çürüməsinin davam etməsindən qaynaqlanır. Magma kameraları fasilələrlə səthə qalxır və vulkan püskürmələrinə səbəb olur. Eriyən qaya, yüksək təzyiq altında yeraltı atmosferdən qaçarkən soyuyur. Magma püskürmədən səthin dərhal altında soyuduqda digər magmatik qaya əmələ gəlir.

48-35 milyon il əvvəl Harrisonburqun qərbindəki Virginia Mole Hill-də vulkan püskürmələri meydana gəldi. Köhnə bir vulkan qalığıdır. İslandiyada, Yellowstone Milli Parkında və Şimali Kaliforniyada səthə yaxın olan magma otaqları hələ də yeraltı suyu qızdırır və geyserlər yaradır.


Yellowstone Milli Parkındakı geyzerlər, dərinlikdə qızdırılan, qaynama nöqtəsinə çatan və sonra səthə çıxan su ilə əmələ gəlir.

Virciniya, köhnə vulkan plutonundan qalan radioaktiv mineralların və ya dayaz magma kameralarının heç bir lokallaşdırılmış yatağına və indi heç bir geyzerə malik deyil. Virciniyada isti sular var, bəziləri təzyiq dalğaları səthə çatdıqca azalır və axır. Virciniyadakı termal bulaqlardakı su, geotermal qradiyentlə qızdırılır, bütün süxurların temperaturu daha böyük dərinlikdə artır.

Bu gradiant Yer qabığında dəyişir, lakin termal bulaqları olan Virciniya hissəsində hər 100 fut dərinlik üçün ortalama 1.5 °F təşkil edir. Virginia has many springs fed by groundwater that has traveled deep underground, but only a few are "warm/hot springs" where the water is warmer than the average temperature at that location.

At the elevation of most thermal springs in Virginia's mountains, groundwater would have to travel almost two miles deep in order for the geothermal gradient alone to heat it about 150 F from the average temperature below the frost line (about 48-54°F) to boiling temperature (about 207 F). 1

Generating water that hot without a nearby magma chamber is known to occur at one location on earth. In the Amazon Basin of Peru, groundwater apparently percolates deep enough to create a "boiling river." Water emerging at the surface reaches temperatures up to 196 F, solely from the increasing heat of the earth at greater depth. The closest known volcanic magma chamber to that Peruvian river is 400 miles away. 2


the 48-million year old magma chamber that created Mole Hill has cooled, and the spring that feeds Silver Lake provides 52°F water

In Virginia, there are 100 or so springs with water temperatures exceeding mean annual air temperature (48-54°F) the annual average temperature at the frost line is cooler at higher elevations. All thermal springs in Virginia are located in the Valley and Ridge province.


thermal springs in Virginia are concentrated in valleys between Pulaski and Bath counties
Source: Library of Congress, The Virginia Springs, and the Springs of the South and West by Moorman

The water travels deep underground through sandstone and limestone formations, with fractures and solution channels. The 20 thermal springs that are most clearly recognized include some where seepages next to each other are combined to form one named spring: 3

The group at Warm Springs is made up of three springs within about 30 meters of each other and a fourth about 250 meters to the southwest. At Hot Springs, eight warm springs occur over an area of about 4,000m 2 . Healing Springs consists of three separate springs less than three meters apart.

Falling Springs are made up of a number of flows and seepages at a much lower temperature the other warm springs in the Warm Springs anticline, and with a greater discharge than any other warm springs in the region.

Major Thermal Springs in Virginia

AdıTemperature
Alum Springs72°F
Blue Ridge Springs (Buford's Gap)66-75°F
Bolar Springs73°F
Bragg Spring75°F
Dice's Spring65°F
Falling Spring77°F
Fitzgerald Spring61°F
Healing Springs (Rubino Healing, Sweet Alum)86°F
Hot Springs106°F
Hunter's Pulaski Alum Springs72°F
Layton Springs (Keyser's)63°F, 72°F
Limestone Springs61-6°F
Lithia Spring (Wilson Thermal)65°F
McHenry Spring68°F, 65°F, 66°F
Mill Mountain Springs60°F, 65°F, 66°F
New River White Sulphur Springs85°F
Rockbridge Baths (Rockbridge Alum, Strickler's)72°F
Sweet Chalybeate Springs63-76°F
Warm Spring (Rockingham County)64°F
Warm Springs (Bath County)95°F

Source: National Oceanographic and Atmospheric Service (NOAA), National Geophysical Data Center, Thermal Springs in the United States
US Geological Survey (UGS), Thermal Springs Of The United States And Other Countries Of The World

The Ordivicial limestone and Cambrian sandstone bedrock formations through which the thermal spring water travels were deposited 450-550 million years ago, but the water in the springs is recent rainfall. It seeps underground, is heated by the warmer rock 2,000-5,000 feet underground, then returns to the surface quickly enough to retain that geothermal heat. The Warm Springs resort advertised that it had 98° water in its public baths. 4



the Ladies Bath at Warm Springs advertised 98° water
Source: "The Chesapeake & Ohio Railway Directory, Containing an Illustrated History and Description of the Road," Ladies' Bath, Warm Springs, Bath County, Virginia (p.331)

At Hot Springs and Warm Springs, the water has been underground at least 20 years before re-emerging at the surface. At the many, many other springs in Virginia, groundwater moves to the surface slowly enough that the water temperature adjusts to match the average temperature at that location.

As a result, in the summertime most springs offer cool water. Springhouses were built by early settlers and used until electricity reached rural areas, so the cool spring water could be used to chill milk/butter as frontier refrigerators.


possible movement of ground water through a multilayered folded/faulted/fractured aquifer, or a faulted/fractured anticlinal ridgeh
Source: US Geological Survey (USGS), Hydrology and Geochemistry of Thermal Springs of the Appalachians (Professional Paper 1044-E, Figure 9 and Figure 11)

At Warm Springs, the surface water percolates one mile below the surface. It flows down through the sedimentary rock layers until it reaches a resistant layer and is pushed upwards, emerging in a valley quickly enough to retain some of its geothermal heat aquired at depth.


Warm Springs was a gathering spot for the Virginia wealthy, prior to the Civil War
Mənbə: Harper's New Monthly Magazine, Virginia Illustrated (February 1855)

Cool groundwater closer to the surface may mix with warmer water from greater depth. The temperature of Bolar Spring drops as the flow increases, suggesting that warm water from greater depth dominates during dry periods but cooler water from near the surface is mixed in after rains. 5


the temperature at Bolar Spring drops when flow increases, as cooler water from nearer the surface mixes with warmer water from greater depth
Source: US Geological Survey (USGS), Hydrology and Geochemistry of Thermal Springs of the Appalachians (Professional Paper 1044-E, Figure 18)


thermal and cool springs are intermixed in western Virginia in most cases, groundwater does not circulate deep enough or return to the surface fast enough to retain geothermal heat
Mənbə: Virginia Minerals, Ancient warm springs deposits in Bath and Rockingham Counties, Virginia (May 1997)

The hot springs at the modern Homestead Resort have been used for 9,000 years. On a cold winter day, Native Americans must have luxuriated in the 106°F natural hot tub - and when no humans were hunting in the area, wildlife would have used the thermal springs as well.

The Gentleman's Pool House there was constructed in 1761, and the separate structure for women was built in 1836. They are named the Jefferson Pools because former president Thomas Jefferson visited there in 1818. George Washington beat him to a thermal spring by 40 years, enjoying the Berkeley Springs (now in West Virginia) while surveying that area in 1748. 6

Prior to the Civil War, mountain springs were developed as entertainment resorts for the wealthy, especially those living in Tidewater who desired to escape the heat and humidity in the days before air conditioning. The chemicals in the water, including alum and sulfur, were thought to help invalids recover their health. David Hunter Strother, under the pen name Porte Crayon, described the Hot Springs in 1855: 7

The Hot Springs, about twenty in number, issue from the base of a hill or spur of Warm Spring Mountain, and range in temperaure from 98° to 106°, but owing to the proximity of fountains of cold water at 53°, baths of any intermediate temperature may be had.

The bathing-houses are numerous and well-arranged to suit the purposes of invalids. These waters are chiefly celebrated for their efficacy in rheumatism, dyspepsia, and affections of the liver.


nationally, most thermal springs are located in the western United States
Source: NOAA National Geophysical Data Center Thermal Springs

Today, the water from the Hot Springs is piped to The Homestead spa, where it fills bathtubs (for single-person use) and indoor/outdoor swimming pools. 8

Springs enriched with alum would purge the bowels, while sulfur-enriched and iron-enriched (chalybeate) springs were thought to offer a cure for various illnesses. Even without claims of chemical impacts, thermal springs provided comfort and distraction from aching bones and itching skin. The healing power of springs was once expected to trigger a population increase and economic boom in western Virginia: 9

Many years will not have elapsed before England and France will annually send multitudes of invalids to those unrivalled fountains, and we shall see those beautiful valleys teeming with living beings from every quarter of the globe.

As medical knowledge expanded, the public lost faith in the capacity of mineral springs to cure rheumatism and other ailments. The invention of air conditioning also lowered demand for summer vacations in the mountains. Except for The Homestead in Hot Springs, none of the resorts in Virginia have survived as an overnight tourist destination. The Greenbrier Resort in nearby White Sulfur Springs, West Virginia went through bankruptcy in 2009 and is still operating today. (Both resorts hosted interned Japanese diplomates at the start of World War II.)


Homestead Resort in Bath County, sometime between 1890-1910
Source: Library of Congress, Virginia Hot Springs, Va., the Homestead

Links


in the Eastern United States, warm springs extend from Saratoga Springs in New York to Warm Springs in Georgia
Source: US Geological Survey (USGS), Thermal Springs of the United States and Other Countries of the World - A Summary (Professional Paper 492)

İstinadlar


Bath County's economy relies upon tourists visting resorts with warmer-than-average water
Source: "The Chesapeake & Ohio Railway Directory, Containing an Illustrated History and Description of the Road," Healing Springs (p.332)


Giriş seçimləri

1 il ərzində tam jurnal girişi əldə edin

Bütün qiymətlər NET qiymətləridir.
ƏDV sonradan hesaba əlavə olunacaq.
Vergi hesablanması ödəniş zamanı yekunlaşacaq.

ReadCube -də vaxt məhdud və ya tam məqalə əldə edin.

Bütün qiymətlər NET qiymətləridir.


Giriş seçimləri

1 il ərzində tam jurnal girişi əldə edin

Bütün qiymətlər NET qiymətləridir.
ƏDV sonradan hesaba əlavə olunacaq.
Vergi hesablanması ödəniş zamanı yekunlaşacaq.

ReadCube -də vaxt məhdud və ya tam məqalə əldə edin.

Bütün qiymətlər NET qiymətləridir.


The Vertical-Tube Solar Collector: A Low-Cost Design Suitable for Temperate High-Latitude Locations

A new low-cost solar collector based on thick (4.5′′) vertical tubes related to the previous design based on long 1.5′′ plastic hoses connected directly between water-grid supply and consumption is presented. This novel design could noticeably improve its performance for temperate locations mid and high latitudes, as was demonstrated by dynamic thermal modeling. This tool has been useful for understanding the particular characteristics of this kind of water-pond collector and besides, for noticeably improving its performance by optimizing its parameters, like tube diameter and number of glazing layers. By this way, the optimized design could fully satisfy the household demand up to midnight along the whole year for Buenos Aires (35°S) and during summers (remaining as a useful preheater for the whole year) for Ushuaia (55°S). Besides, its high simplicity makes it available for user’s own construction, costing down 50 dollars for a single-family unit.

1. Giriş

The demand of sanitary hot water in tropical developing countries can be supplied by locally manufactured cheap solar collectors, considering the low difference of temperature involved. Following this idea, many solar enthusiasts have often proposed hose-based solar collectors (e.g., by using a plastic hose coiled within a glazing box), but mostly they have achieved poor results [1, 2]. However, the hose collector has been recently studied by dynamic thermal and hydraulic modeling, showing the huge potential of this concept. Their particular behaviors were discussed and therefore its performance was noticeably improved for tropical low-latitude locations [3] and for temperate mid-latitude locations [4]. Although these studies have demonstrated that this collector is not suitable for cold high-latitude locations, they give us a good background for understanding their special characteristics, which is convenient to summarize here.

The simplest hose-based design consists in one long LDPE hose wrapped with several transparent layers of a low-cost plastic material (preferably bubble wrap made by LDPE transparent film) simply resting onto the roof, as is illustrated in Figure 1. Here, the hose is connected directly between water-grid supply and consumption, using the district-grid pressure as driven force for pumping hot water through the whole hose. The thermal-hydraulic modeling has shown that, by choosing a diameter between 1′′ and 2′′ of a 100 m in length hose, this system can provide the desired consumption flow together with a reasonable storage capacity (50 liters to 200 liters) and enough surface (2.5 m 2 to 5 m 2 ) so that it obtains a good diurnal performance. This single unit provides simultaneously (1) the heating coil and absorbing plate (2) the storage tank (3) the glazing cover (4) the back-side insulation.


Besides, this concept eliminates many subsystems commonly used in solar collectors, such as (1) the pressurizer (since the LDPE hose is able to absorb the water thermal expansion) (2) the supporting mechanical structure (3) the feed and bled circuit of tank (4) the air-water interface into the tank and hence the risk of bacterial disease is minimized.

Although the construction of this collector is quite simple and cheap, its right design is a challenging task that must balance the opposite behaviors, being these the diurnal and nocturnal ones as much as the summer and winter ones. For example, a too thin hose could provide fast heating during the morning but also it would be quickly cooled during the night on the other hand, a too thick transparent insulation not only would improve the winter performance but also would lead to dangerous overheating during summers and would reduce the solar radiation received and so forth. Therefore, these coupled behaviors must be considered altogether by using a thermal-hydraulic modeling in which these linked factors are considered, so that they can be optimized by means of sensitivity analysis. Recently, this study was performed by numerical simulations supported by tests. By this way, the performance of the hose collector has been optimized for tropical locations [3] and temperate locations [4]. However, it has also been observed that this collector is not suitable for cold high-latitude locations, since its large surface causes too fast a nocturnal cooling and due to the low angle projected by sun on roofs. Instead, we are proposing now to use a hose system built by means of thick vertical tubes in order to improve both issues.

The thermal behavior along the day of the hose collector is described by its dynamic modeling, which was detailed in a previous work [3]. In sum, we calculate its normal surface projected by sun in every moment of a given day and then the solar power received is estimated by approximating the solar flux

as constant, which in turn is calculated from daily irradiation energy received on a horizontal surface,

, provided usually from solar charts. From here, the power absorbed and the heat losses terms are both considered by the efficiency equation:

The dynamic energy balance is numerically solved (by using a one-step explicit scheme) and hence the mean temperature ( ) along the day is calculated by using the ambient temperature ( ) at sunrise as initial condition [3]. Figure 2 shows the temperature evolution of a 1.5′′-diameter black hose which is double-wrapped with an air-bubble film (

, = 14 W/m 2° C) [6–8] mounted over a 30°-inclined roof in the temperate location of Buenos Aires (35°S) during the equinox-spring day ( = 22 ± 5°C = 4.5 kWh/m 2 ). Here, three different behaviors can be observed. (a) Temperature increases sharply from sunrise to noon. (b) Temperature remains almost stationary from afternoon till sunset. (c) Temperature decreases sharply during the night.


These three behaviors can be understood better by considering the efficiency curve that is shown in Figure 3. According to (1) the collector starts at morning with an impressive efficiency (80%) and reaches the useful temperature (35°C) at early morning (7:50 a.m.) keeping still an excellent average value (60%) along this first period. After that and according to the temperature increase, the efficiency decreases steadily up to zero during some moment in the afternoon when the collector reaches its peak of temperature. Next, the negative efficiencies observed explain the cooling up to sunset, which is stronger overnight. A negative efficiency means that heat losses exceed the solar gain collected at that moment, as it was observed during the afternoon. This behavior is common within all designs of cheap solar collectors, but their consequences are completely different. In this case a standard collector just stops free-convection flow so it works similarly as a “zero-efficiency” (without gains or losses) condition, since the heated water is stored into the insulated tank. On the other hand, a water-pond collector working on negative efficiencies would suffer a cooling effect, which is determined by the same energy balance used with positive efficiencies [3].


The high efficiency observed during the morning is a key advantage that must be recognized. According to its water-pond design, which is shared with many other previous solar roofs [9–14], the mean temperature ( ) of the collecting system remains always equal to the temperature of the storage tank. On the other hand, a standard free-convection collector is driven by the buoyancy force caused by the temperature difference between both legs (cold and hot) of the cooling circuit,

. Thus, a standard free-convection collector always works on a high ( ) difference (typically around 40°C, [15–18]) that in turn implies that this collector works on a markedly higher than the storage tank or conversely having a lower efficiency than the previous design. For illustrating this key characteristic, let us consider a hose collector heated up to 30°C ( = 30°C) working on ambient temperature, = 20°C, so that

°C. On the other hand the equivalent standard collector should work on = 30°C, = 70°C, and = 50°C and thus

°C that is a quadruple of the previous case. Thus, according to (1) a hose collector having the same quality (i.e., the same and values) could reach noticeably higher efficiencies than the standard collector. Although this figure cannot be quantified until the actual parameters ( , ) are set, it is clear that this trend will be stronger when low-cost collectors (i.e., having higher ) are involved, as they are considered here. According to this analysis, the hose collector starts the day with impressive efficiencies, which are steadily decreasing along the morning in relation to the increasing of water temperature. On the other hand this advantage is annulled after and during the afternoon and evening and deeply during the night, when negative efficiencies and cooling effect are observed.

2. The Vertical-Tube Collector

According to the previous assessment and regarding the application of the hose collector to cold high-latitude locations, in this new design we are proposing attacking this weakness by several ways. (1) By selecting a larger (around 4.5′′) diameter, the difference ( − ) is reduced along the day and thus its efficiency is increased. By this way, the solar energy collected (per unit of surface) is higher, but it is stored in a larger water mass having a lower temperature. (2) By selecting a vertical position and according to its cylindrical shape, the last evening rays of sun are well collected. Here we want to obtain the higher temperature at sunset rather than the maximum solar gain along the day. Since a standard collector integrates the energy gained along the day into the isolated tank, this is the suitable merit figure. But, on the other hand, the hose collector can gain or lose energy in each moment of the day and hence it is desirable to get a continuous gain along the day and to delay losses up to the night. (3) Regarding the nocturnal losses, our present strategy adds several efforts. (a) The heat losses are minimized by selecting a thick tube by this way the cooling surface (per unit of mass) is minimized. (b) Temperature decrease is minimized by selecting a thick tube by this way the thermal inertia is enlarged since the mass stored (per unit of cooling surface) is enlarged. (c) The heat losses are minimized by adding several insulation layers on the half-pipe back side. This technique becomes feasible here regarding the use of short straight tubes instead of long thin coiled hoses this point will be considered in the next section.

Figures 4 and 5 illustrate better these behaviors considering the previous condition. Figure 4 shows the evolution of the previous system mounted onto horizontal and vertical roofs. Here, it is observed that the vertical hose gets a secondary peak during the evening and thus the temperature reached at sunset is noticeably higher than the horizontal hose (60°C and 41°C, resp.). Figure 5 compares the evolution of both 1.5′′ 30°-inclined and 4.5′′ vertical hoses. According to our previous analysis, we can observe here that the 1.5′′ hose is heated very fast during the morning as much as it is fast cooled during the night besides, it loses almost all the solar energy received after the noon, since its temperature at noon is around the same compared to that at sunset. On the other hand, the thick vertical tube gains energy continuously up to sunset and after that it suffers a slower cooling effect. Both trends explain why the 4.5′′ tube is a better system for satisfying a nocturnal demand instead of the previous (1.5′′) hose. This behavior was observed in our previous work [4], but since the maximum temperature reached by the 4.5′′ tube at sunset during a cold winter day was too low, this option was previously not considered as a good choice for colder climates [4]. However, this previous conclusion is going to be changed now by considering the improved design proposed here.


4.5: The Vertical Temperature Structure of Bath Water - Geosciences

MDPI tərəfindən nəşr olunan bütün məqalələr dərhal açıq giriş lisenziyası altında bütün dünyada mövcuddur. Rəqəmlər və cədvəllər daxil olmaqla MDPI tərəfindən nəşr olunan məqalənin hamısını və ya bir hissəsini yenidən istifadə etmək üçün xüsusi icazə tələb olunmur. Açıq giriş Creative Common CC BY lisenziyası altında nəşr olunan məqalələr üçün, məqalənin hər hansı bir hissəsi orijinal məqalənin açıq şəkildə göstərildiyi təqdirdə icazəsiz təkrar istifadə edilə bilər.

Xüsusiyyət Sənədləri, bu sahədə yüksək təsir potensialı olan ən qabaqcıl tədqiqatları təmsil edir. Xüsusi məqalələr elmi redaktorların fərdi dəvəti və ya tövsiyəsi ilə təqdim edilir və nəşrdən əvvəl ekspertlər tərəfindən nəzərdən keçirilir.

Xüsusi Sənəd ya orijinal bir araşdırma məqaləsi, ya da tez -tez bir neçə texnika və ya yanaşmanı özündə cəmləşdirən əsaslı yeni bir araşdırma və ya elmi sahədə ən həyəcanverici uğurları sistematik şəkildə nəzərdən keçirən sahədəki son tərəqqi haqqında qısa və dəqiq yeniləmələri olan hərtərəfli bir araşdırma kağızı ola bilər. ədəbiyyat Bu cür sənəd gələcək tədqiqat istiqamətləri və ya mümkün tətbiqlər haqqında bir fikir verir.

Redaktor seçimi məqalələri dünyanın hər yerindən MDPI jurnallarının elmi redaktorlarının tövsiyələrinə əsaslanır. Redaktorlar, bu yaxınlarda jurnalda nəşr olunan, müəlliflər üçün xüsusilə maraqlı olacağını və ya bu sahədə əhəmiyyətli olacağını düşündükləri az sayda məqalə seçirlər. Məqsəd, jurnalın müxtəlif tədqiqat sahələrində nəşr olunan ən maraqlı əsərlərin bir hissəsini təqdim etməkdir.


Deeper waters are changing less consistently than surface waters in a global analysis of 102 lakes

Globally, lake surface water temperatures have warmed rapidly relative to air temperatures, but changes in deepwater temperatures and vertical thermal structure are still largely unknown. We have compiled the most comprehensive data set to date of long-term (1970-2009) summertime vertical temperature profiles in lakes across the world to examine trends and drivers of whole-lake vertical thermal structure. We found significant increases in surface water temperatures across lakes at an average rate of + 0.37 °C decade -1 , comparable to changes reported previously for other lakes, and similarly consistent trends of increasing water column stability (+ 0.08 kg m -3 decade -1 ). In contrast, however, deepwater temperature trends showed little change on average (+ 0.06 °C decade -1 ), but had high variability across lakes, with trends in individual lakes ranging from - 0.68 °C decade -1 to + 0.65 °C decade -1 . The variability in deepwater temperature trends was not explained by trends in either surface water temperatures or thermal stability within lakes, and only 8.4% was explained by lake thermal region or local lake characteristics in a random forest analysis. These findings suggest that external drivers beyond our tested lake characteristics are important in explaining long-term trends in thermal structure, such as local to regional climate patterns or additional external anthropogenic influences.

Conflict of interest statement

Müəlliflər heç bir rəqabət aparan mənfəət bildirmirlər.

Rəqəmlər

Map of the 102 lakes included in this analysis. Panels indicate ( a…

Distribution of trends in thermal…

Distribution of trends in thermal metrics across lakes. Paired violin plots of temporal…

Relationships between deepwater temperature trends…

Relationships between deepwater temperature trends vs. surface water temperature trends and density difference…

Relative variable importance plots from…

Relative variable importance plots from random forest analysis for thermal metric trends. Relative…

Partial dependency plots of the…

Partial dependency plots of the most important variables from random forest analysis for…


Videoya baxın: TƏCİLİ: Aralıq dənizi ölkələrini meşə yanğınları bürüyüb