Det hydrodynamiske grænselag

A. Den 0,01 mm tynde spids af en iltmikrosensor umiddelbart over et marint sediment med en ca. 2 mm tynd lysebrun, oxideret zone og talrige ormegange, som strækker sig ned i det underliggende sorte, reducerede sediment. Mikrosensorer kan måle iltfordelingen i grænsefladen med en meget høj rumlig og tidslig opløsning, og det er et unikt værktøj til at forstå iltens fordeling og omsætning i sedimenter. Siden iltmikrosensorer blev introduceret, er der udviklet en lang række andre mikrosensorer til at måle forskellige fysiske og kemiske størrelser af relevans for havbundens stofomsætning.

.
Licens: Begrænset anvendelse

B. Til venstre: Kurve over iltkoncentrationen ned gennem det diffusive grænselag og sedimentets øverste millimeter. Det diffusive grænselag er ca. 0,5 mm tykt. Ilten trænger kun én mm ned i sedimentet. Herunder foregår stofomsætningen uden ilt. Til højre: Iltfordelingen i det diffusive grænselag og de øvre sedimentlag målt ved stigende strømhastighed (angivet på kurverne i cm per sekund). Tykkelsen af det diffusive grænselag aftager med øget strømhastighed, hvilket fører til en højere iltkoncentration på sedimentoverfladen og en stejlere iltgradient i grænselaget. Sidstnævnte fører til en større ilttransport gennem det diffusive grænselag. At iltoptagelsen stimuleres, når det diffusive grænselags tykkelse mindskes, viser, at det kan være en begrænsende faktor for havbundens iltoptagelse.

.
Licens: Begrænset anvendelse

B. Til venstre: Kurve over iltkoncentrationen ned gennem det diffusive grænselag og sedimentets øverste millimeter. Det diffusive grænselag er ca. 0,5 mm tykt. Ilten trænger kun én mm ned i sedimentet. Herunder foregår stofomsætningen uden ilt. Til højre: Iltfordelingen i det diffusive grænselag og de øvre sedimentlag målt ved stigende strømhastighed (angivet på kurverne i cm per sekund). Tykkelsen af det diffusive grænselag aftager med øget strømhastighed, hvilket fører til en højere iltkoncentration på sedimentoverfladen og en stejlere iltgradient i grænselaget. Sidstnævnte fører til en større ilttransport gennem det diffusive grænselag. At iltoptagelsen stimuleres, når det diffusive grænselags tykkelse mindskes, viser, at det kan være en begrænsende faktor for havbundens iltoptagelse.

.
Licens: Begrænset anvendelse

En havbund kan ideelt set betragtes som en fast flade, og vandets viskositet og gnidningsmodstand mod bunden medfører, at vandstrømmens hastighed gradvist aftager, jo tættere man kommer på sedimentet. I et 0,1-1 m tykt lag lige over bunden, det såkaldte hydrodynamiske grænselag, falder strømhastigheden eksponentielt. I den nederste tiendedel af det hydrodynamiske grænselag falder hastigheden dog mere jævnt, indtil den helt nede ved sedimentet når ned på 0; dette lag kaldes det viskøse dellag. Strengt taget gælder dette forløb dog kun for helt kompakte sedimenter.

Normalt er det bundnære vand opblandet på grund af turbulens, og dermed bliver opløste stoffer også fordelt ensartet i det meste af grænselaget. Men turbulensens betydning aftager ned igennem det viskøse dellag. Umiddelbart over havbunden findes det såkaldte diffusive grænselag. Det er en 0,1-1 mm tyk zone, hvor turbulens er af minimal betydning, og hvor vertikal transport af opløst stof udelukkende foregår ved diffusion.

Alle opløste stoffer, der transporteres mellem havbunden og den ovenliggende vandfase, skal passere det diffusive grænselag via diffusion, hvilket kan hæmme stofudvekslingen. Eksempelvis kan transporten af ilt gennem det diffusive grænselag have svært ved at følge med det potentielle iltforbrug i sedimenter beriget med organisk stof. Som en konsekvens heraf optræder der stejle iltkoncentrationsgradienter gennem det diffusive grænselag.

Afsnittet fortsætter efter boksen.

Boks

FIGUR 16-1. Til venstre ses et snit gennem den nederste meter af vandet og lidt af havbunden. En idealiseret kurve over bundvandets faldende strømhastighed ned mod havbunden er indtegnet. Til højre ses et forstørret udsnit af det viskøse dellag, hvor vandets viskositet dæmper turbulenser. I denne forstørrelse ses det, at havbunden ikke er et fladt plan, men fremstår som et komplekst bjerglandskab. Det diffusive grænselag dækker havbundens topografi som et tæppe, hvor tykkelsen af grænselaget øges på læsiden af „bjergene“ og i „dalene“.

.
Licens: Begrænset anvendelse
Figur 16-1.

Figur 16-1. Til venstre ses et snit gennem den nederste meter af vandet og lidt af havbunden. En idealiseret kurve over bundvandets faldende strømhastighed ned mod havbunden er indtegnet. Til højre ses et forstørret udsnit af det viskøse dellag, hvor vandets viskositet dæmper turbulenser. I denne forstørrelse ses det, at havbunden ikke er et fladt plan, men fremstår som et komplekst bjerglandskab. Det diffusive grænselag dækker havbundens topografi som et tæppe, hvor tykkelsen af grænselaget øges på læsiden af „bjergene“ og i „dalene“. Ill.: Jørgen Strunge.

Afsnit fortsætter her.

Boks 2

Boks 16-1. Det diffusive grænselag og mikrosensorer

Det diffusive grænselag er en tynd vandhinde umiddelbart over sedimentet, hvor vertikal transport af opløst stof udelukkende foregår ved diffusion. Diffusion er en effektiv transportform over korte afstande, mens den over længere afstande bliver meget langsom, idet transporttiden ved diffusion stiger med kvadratet på den afstand, der tilbagelægges.

Dette kan anskueliggøres ved følgende ligning

t = z2/2D0,

hvor t er den tid, det tager f.eks. et iltmolekyle at diffundere en given afstand (z), og D0 er diffusionskoefficienten for ilt (D0 = 1,26 x 10-5 cm2 per sekund ved 5 °C og 30 ‰ saltholdighed).

Indsætter man konkrete afstande i ligningen, kan man beregne, at det i gennemsnit tager 46 døgn for et iltmolekyle at tilbagelægge 10 cm ved diffusion, mens det tager 11 timer at tilbagelægge den første cm og kun ca. 7 min at tilbagelægge den første millimeter.

Da tykkelsen af det diffusive grænselag typisk er 0,1-1 mm, tager det altså mellem 4 og 400 sekunder for et iltmolekyle at passere det diffusive grænselag ved samme temperatur (5 °C) og salinitet (30 %) som ovenfor.

Hvis ilten forbruges hurtigere end dette i sedimentet, kan transporten igennem grænselaget påvirke iltfordelingen og måske hæmme det potentielle iltforbrug i sedimentet.

Tilstedeværelsen af et diffusivt grænselag har længe været erkendt rent teoretisk, men det var først i begyndelsen af 1980'erne, da iltmikrosensorer blev introduceret i marinbiologien, at diffusive grænselag blev påvist eksperimentelt (figur A).

Iltkoncentrationen falder jævnt gennem det diffusive grænselag over et ilt forbrugende sediment. Men placeres en iltfølsom mikrosensor i en givet horisont i grænselaget, vil man opleve, at koncentrationen svinger. Dette skyldes, at små turbulenser højere oppe i det viskøse dellag forplanter sig ned i det diffusive grænselag. I sedimentet bliver koncentrationen i en given dybde mere stabil, men den aftager ned gennem sedimentet (figur B).

Tykkelsen af det diffusive grænselag afhænger afvandets strømhastighed over sedimentet. Ved en øget strømhastighed bliver grænselaget gradvist tyndere, hvilket medfører en mere effektiv ilttransport til havbunden. Derved øges iltkoncentrationen på sedimentoverfladen, og ilten trænger længere ned i sedimentet. Sedimentets ujævnheder kan også have betydning for tykkelsen af det diffusive grænselag, idet det bliver tyndere over „bjerge“ og tykkere på læsider og i „dale“ (figur 16-1).

B. Til venstre: Kurve over iltkoncentrationen ned gennem det diffusive grænselag og sedimentets øverste millimeter. Det diffusive grænselag er ca. 0,5 mm tykt. Ilten trænger kun én mm ned i sedimentet. Herunder foregår stofomsætningen uden ilt. Til højre: Iltfordelingen i det diffusive grænselag og de øvre sedimentlag målt ved stigende strømhastighed (angivet på kurverne i cm per sekund). Tykkelsen af det diffusive grænselag aftager med øget strømhastighed, hvilket fører til en højere iltkoncentration på sedimentoverfladen og en stejlere iltgradient i grænselaget. Sidstnævnte fører til en større ilttransport gennem det diffusive grænselag. At iltoptagelsen stimuleres, når det diffusive grænselags tykkelse mindskes, viser, at det kan være en begrænsende faktor for havbundens iltoptagelse. Ill.: Jørgen Strunge.

B. Til venstre: Kurve over iltkoncentrationen ned gennem det diffusive grænselag og sedimentets øverste millimeter. Det diffusive grænselag er ca. 0,5 mm tykt. Ilten trænger kun én mm ned i sedimentet. Herunder foregår stofomsætningen uden ilt. Til højre: Iltfordelingen i det diffusive grænselag og de øvre sedimentlag målt ved stigende strømhastighed (angivet på kurverne i cm per sekund). Tykkelsen af det diffusive grænselag aftager med øget strømhastighed, hvilket fører til en højere iltkoncentration på sedimentoverfladen og en stejlere iltgradient i grænselaget. Sidstnævnte fører til en større ilttransport gennem det diffusive grænselag. At iltoptagelsen stimuleres, når det diffusive grænselags tykkelse mindskes, viser, at det kan være en begrænsende faktor for havbundens iltoptagelse. Ill.: Jørgen Strunge.

Vejviser

Værket Naturen i Danmark i fem bind udkom i årene 2006-2013. Teksten ovenfor er kapitlet Det hydrodynamiske grænselag.

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig