Det planetariske grenselaget

Naturens «naturlige» tilstand kan godt tenkes til å være kaos og kaos er vanskelig å gripe fatt i – med eller uten matematikk. Og kaos er overalt.

Vi snakket om vær forrige gang. Jeg vil en gang til fokusere på luften som omgir oss men tilnærme meg saken på en litt annen måte.

Bilde 1: Jordas atmosfære som sett fra verdensrommet. Dette er et meget tynt lag av gass som vi burde være glad for at er her. Kilde: NASA (for eksempel http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2003/05/Space_Shuttle_Discovery_sees_Earth_s_Moon)
Bilde 1: Jordas atmosfære som sett fra verdensrommet. Dette er et meget tynt lag av gass som vi burde være glad for at er her. Kilde: NASA (for eksempel http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2003/05/Space_Shuttle_Discovery_sees_Earth_s_Moon)

Atmosfæren vår er et underlig sted. Den er sammensatt av litt under 80 % nitrogen og litt over 20 % oksygen. Det er edelgasser i den som argon og neon, og mange andre stoffer.

Det meste av luften finnes i de nederste områdene naturlig nok, opptil 80 % av atmosfærens masse. Der bor også vi, i et atmosfærelag vi kan kalle for grenselag.

I utgangspunktet er det litt merkelig å bruke akkurat dette begrepet siden det benyttes i all hovedsak i aerodynamikken, der det bygger seg opp et såkalt grenselag når for eksempel luft strømmer over vingen av et fly. Laget er da definert som det området over en overflate der kontakten som luften har med overflaten spiller en rolle.

Bilde 2: Oppbygging og separasjon av et grenselag på en flyving. Kilde: Dole, Charles E., Flight Theory and Aerodynamics, 1981, John Wiley & Sons, Inc, New York, NY, 1981.
Bilde 2: Oppbygging og separasjon av et grenselag på en flyving. Kilde: Dole, Charles E., Flight Theory and Aerodynamics, 1981, John Wiley & Sons, Inc, New York, NY, 1981.

Se på bilde over. Dette er tverrsnittet av en flyving. Luften beveger seg fort rundt det. Situasjonen er den samme som om det hadde vært vingen som beveget seg gjennom luften. Men det hjelper å tenke på en faststående ving når man snakker aerodynamikk.

Det er meget tydelig at det skjer noe på toppen av vingen. Det er et lag der som er kjennetegnet av at strømlinjene ikke lenger kan følges meget godt. Det bygger seg opp en slags hale som sitter fast i vingen der et eller annet skjer. Dette er grenselaget.

På overflaten gjelder det som ingeniører kaller for no-slip condition som tilsier at gassens hastighet på overflaten skal være lik null, mens temperaturen av luften skal være den samme som temperaturen til overflaten.

Bilde 3: Hastighetsprofil av en gass som strømmer over en overflate. Kilde: Wikimedia Commons (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0e/Laminar_boundary_layer_scheme.svg)
Bilde 3: Hastighetsprofil av en gass som strømmer over en overflate. Kilde: Wikimedia Commons (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0e/Laminar_boundary_layer_scheme.svg)

Når man fjerner seg langt nok fra overflaten vil luften etter hvert strømme som om flyvingen ikke er der i det hele tatt. Overgangen finner sted i grenselaget. Hastigheten øker og temperaturen synker gradvis med distansen fra overflaten som vist på bildet over.

Hastighetsforandringer til tvers av flyten har en tendens til å føre til mange interessante ting. Se på bilde 2 igjen. Til venstre ser alt noenlunde regelmessig ut, men jo mer man kommer til høyre, jo mer er det bølgeaktige strukturer innebygget i grenselaget. I hvert fall ser det slik ut. Det som egentlig skjer her er at såkalte turbulente vortices bygger seg opp, dvs. vi har å gjøre med sirkelbevegelser som er meget raske.

Turbulens. Vi har alle en forestilling eller intuisjon som er knyttet til dette ordet. Minner intuisjonen din deg litt om det du forbinder med kaos?

Hva har dette med atmosfæren vår å gjøre?

Luft strømmer ikke bare over flyvinger, men også over jordskorpa. Der er det ikke mye friksjon i den forstand vi bruker ordet. Men energi er der. Infrarød stråling er der. Temperaturgradienten er der. Hastighetsgradienten er der. Turbulensen er der. Turbulensen oppfatter vi normalt sett kun som vind.

Atmosfærelaget der dette kan skje kaller vi for Planetarisk grenselag. En visualisering finnes her.

Det ser voldsomt ut, eller? Det skal være sagt at det er ikke like voldsomme luftbevegelser over Nord-Europa som det er over Sør-California, men det er verdt å tenke på at vi bor et sted som har visse likhetstrekk med turbulensen eller kaoset på overflaten av en flyving.

Jeg vet ikke hva dette betyr egentlig. Men det er noe fint med å legge merke til slike, merkelige sammenhenger, er det ikke det?

(Takk til Ørjan Hoyd Vøllestad)


_tUzmqJUAlexander er fysiker, lærer og vitenskapsformidler som for tiden er ansatt ved det Nasjonale senteret for romrelatert opplæring ved Andøya Space Center. Han jobber også i Nordic ESERO. I hans tilfelle overlapper jobb og fritidsinteresser, mildt sagt, en god del, og det er han ganske så glad for. Men det betyr også at man burde poengtere at innholdet på denne bloggen er privat. Du kan følge Alexander på Twitter, Facebook og Google +.

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s