چرا در طبیعت شاهد دریاهایی هستیم که مخلوط نمی‌شوند؟
از جمله آیات قرآن کریم که با بیان شگفتی های آفرینش درصدد نمایش قدرت خداوند است، می‌توان به آیات ۱۹ تا ۲۲ سوره الرحمن، آیه ۵۲ سوره فرقان و آیه ۱۲ سوره فاطر اشاره نمود. این آیات به وجود دریاهایی اشاره می‌کنند که با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند.
این شگفتی در سال ۲۰۰۷ با انتشار عکس های سواحل آلاسکا توسط پروفسور Kenneth Bruland مورد توجه گسترده قرار گرفت. ذهن های بسیاری را به یافتن علت این واقعه واداشت. در این پست قصد داریم دلایل فیزیکی این پدیده را بیان کنیم.
در خلیج آلاسکا در منطقه‌ای که اقیانوس آرام و دریای برینگ به هم می‌رسند اما با یکدیگر مخلوط نمی‌شوند و شرایط جوی آرام یک مرز میان این دو دریا مشاهده می‌شود. این پدیده به این دلیل رخ می‌دهد که اختلاف چگالی محسوسی میان این دو جریان وجود دارد. این اختلاف چگالی عمدتا از دو خاستگاه است. اول اینکه جریان آب گلف استریم از سواخل آمریکای مرکزی تا اروپای شمالی جاری شده و نسبت به جریان های آبی اطرافش حدود ۱۰ تا ۱۵ درجه سلیسیوس دمای کمتری دارد که این اختلاف دما موجب اختلاف چگالی می‌شود. از طرفی آب دریا دارای غلظت زیادی از نمک های محلول است و چگالی بسیار بیشتری دارد. در حالی که بخش عمده آب اقیانوس از ذوب شدن یخ های قطبی حاصل شده و املاح بسیار کمتری دارد. به بیان دیگر، این دو جریان اقیانوسی دارای مقادیر دما، غلظت حل شونده و نوع حل شونده‌های متفاوتی هستند در نتیجه چگالی و کشش سطحی متفاوتی دارند.
در محل تلاقی انتقال جرم با مکانیزم دیفیوژن (نفوذ) رخ می‌دهد. بر اساس رابطه ای که برای دیفیوژن توسط Fick ارائه شد: شار مولکولی بصورت خطی با گرادیان غلظت متناسب است. ضریب تناسب ضریب نفوذ نام دارد و تابعی مستقیم از دما و غلظت گونه ها است و با ویسکوزیته رابطه عکس دارد. از این رابطه می‌توان نتیجه گرفت که سرعت نفوذ بین گونه ها بی نهایت نیست و مقدار محدودی را اختیار می کند. از طرفی سرعت نفوذ یون ها بسیار کمتر از سایر گونه های مولکولی است زیرا یون‌ها (برخلاف مولکول‌ها) به دلیل ایجاد اختلاف الکترواستاتیکی بصورت توده ای و همراه با هم منتقل می‌شوند. به همین دلیل هنگامی که دو جریان به هم می رسند یون‌های نمک بلافاصله تبادل نمی‌شوند و برای اختلاط به زمان و طی کردن فاصله طولی نیاز دارند در نتیجه دو جریان با اختلاف چگالی چشمگیر ناشی از اختلاف در میزان نمک های حل شده به سرعت با هم مخلوط نمی شوند و به چگالی مساوی رسند. این گرادیان غلظتی هالوکلین در راستای افق نامیده می‌شود. در نتیجه این دو جریان آب مانند دو فاز مختلف عمل کرده، میان آن ها مرز مشترک تشکیل شده و نیروی کشش سطحی وجود دارد. این کشش سطحی مانند یک دیوار عمل کرده و مانع اختلاط آب‌ها می‌شود
نویسنده:
مهندس مهسا بابایی
دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک (گرایش تبدیل انرژی) دانشگاه اصفهان
(برای مطالعه بیشتر روی نام یا تصویر ایشان کلیک کنید)