気液界面近傍の液側乱流拡散におよぼす密度成層の影響-大気微量気体の海洋へのフラックス-

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07459016
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 植田 洋匡 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (70026186)
• 研究分担者: 花崎 秀史 国立環境研究所, 大気圏環境部, 主任研究員 (60189579) ; 烏谷 隆 九州大学, 応用力学研究所, 助手 (30150527) ; 辰野 正和 九州大学, 応用力学研究所, 助教授 (70038553)
• キーワード: 乱流拡散 / オーシャンフラックス / 不安定成層 / 温度境界層 / 熱対流 / 気液界面

研究概要

最近、ガス吸収の問題は地球温暖化問題と関連して注目を集めている。特に、温室効果気体の大気海洋間の交換過程はオーシャンフラックス問題と呼ばれ、海洋への二酸化炭素の吸収量の評価の不確定性はミッシングシンク問題と呼ばれている。本研究ではガス吸収において気液界面近傍の密度成層(安定、不安定成層)が液側乱流拡散および乱流構造におよぼす影響を水槽実験により明らかにし、これに対する乱流輸送モデルを構築することを目的とする。また、これを用いて、二酸化炭素の全球的なオーシャンフラックスを高精度で見積ることを目的とする。
気液界面を通しての移動過程(交換過程)を詳細に調べるために、熱伝達実験を行った。これは、物質移動の場合に比べて温度分布の形成される層(温度境界層)の厚さが大きくなるためであり((Pr/Sc)^<1/2-1/3>倍)、これが本研究の特色であり、独創的な点もある。実験には、温水回流式の開水路(測定部:0.6mWx0.6mHx10mL、既設)とその上部を覆う風洞とからなる、いわゆる「風洞水槽」を用いた。
本年度は不安定成層実験を行った。一定流量、一定温度の温水をヘッドタンクから開水路に流し、気液界面からの蒸発冷却より大きな上向きの熱流束を得て気液界面直下に熱対流を発達させ、種々の成層状態に対して、乱流構造の変化、自由表面近傍での乱流から液状運動へのエネルギーの授受とそれらに及ぼす密度成層の影響を調べた。密度成層乱流理論については、これまでレ-ノルズ応力、乱流熱流束方程式を基にしたクロージャーモデルを構築してきた。本研究では、このモデルを発展させて、気液界面の効果(界面が存在することによる圧力変動場の変形と乱流から波状運動へのエネルギーの授受)を表現できるモデルを構築した。
また、二酸化炭素の全球的なオーシャンフラックスの見積りにあたって、その算定の基礎になっている大気-海洋間の二酸化炭素濃度の測定にかなりの不確定性のあることが判明した。これは、二酸化炭素の液中濃度が測定方式によって大きな差を生じていることに起因する。そこで、本研究では、液中濃度の測定システム(4槽バブリング方式気-液平衡器)とその校正方法を新たに開発した。これを基準に、他の測定方式のデータのドリフト、測定誤差範囲の推定とこれらによって得られてきた大気-海洋間二酸化炭素濃度差の全球分布の見直しに着手した。

研究成果

• [文献書誌] Ueda,H.: "Transient turbulence structure in the unstable boundary layer under the condition of step cooling from below" Atmospheric Environment. 30-16. 2811-2819 (1996)
• [文献書誌] Ueda,H.: "Numerical study on flow pass a three-deimensional obstacle under a strong stratification condition" J.of Applied Meteorology. ASAAQ Special Issue. in press (1997)
• [文献書誌] Tatsuno,M.: "A thermally stratified wind tunnel for environmental flow studies" Atmospheric Environment. 30-13. 2881-2887 (1996)
• [文献書誌] Karasudani,T.: "Turbulent heat transfer in the convective boundary layer developing beneath wate and surface" Proc.of 10th Symp.on Turbulent Shear Flows. 3. P3/67-P3/69 (1995)
• [文献書誌] Hanazaki,H.: "On the wave excitation and the formation of recirculation eddies in an axisymmetric flow of uniformly rotating fluids" Journal of Fluid Mechanics. 322. 165-200 (1996)
• [文献書誌] Hanazaki,H.: "Baroclinic instability of elliptic vortex in an imposed strain field" Journal of Fluid Mechanics. (in press). (1997)
• [文献書誌] 植田洋匡: "大気汚染物質長距離輸送時の光化学反応による有機物質の生成と消滅(I)-炭化水素の反応および低級アルデヒド、低級脂肪酸の生成-" 全国公害研会誌, 70 (1996)
• [文献書誌] 植田洋匡: "大気汚染物質長距離輸送時の光化学反応による有機物質の生成と消滅(II)-粒子状有機物質の生成およびテルペンの光化学反応-" 全国公害研会誌, 79 (1996)