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4.5 : La structure verticale de la température de l'eau du bain - Géosciences

4.5 : La structure verticale de la température de l'eau du bain - Géosciences


La structure verticale de la température des lacs est une question étonnamment complexe et plus importante qu'il n'y paraît à première vue. N'oubliez pas que la densité de l'eau varie considérablement avec la température, donc s'il y a un échange de chaleur entre le lac et son environnement, donnant lieu à des différences de température, les forces de flottabilité provoqueront des mouvements de l'eau du lac jusqu'à ce qu'un arrangement gravitationnellement stable soit atteint, avec moins de densité l'eau recouvrant l'eau plus dense. Ce qui rend ces processus d'une complexité intéressante, c'est l'étrange densité maximale à 4°C, notée au chapitre 1.

Dans un sens, l'eau de votre baignoire est un bon modèle de petit lac. Pensez à la structure de température et de densité de votre bain. Tout d'abord, voici les deux scénarios évidents pour la façon dont vous dessinez votre bain :

  • D'abord, vous faites couler de l'eau trop froide, puis, pour la réchauffer, vous faites couler de l'eau trop chaude (ou vice versa). Ensuite, vous faites tourner le tout pendant quelques secondes pour aboutir à un joli bain homogène bien mélangé à la température souhaitée.
  • Vous le faites fonctionner à la même température, puis fermez simplement le robinet.

Dans ces deux scénarios, si vous mesuriez la température avec un petit thermomètre, vous trouveriez très proche de la même température en tous points. Si vous collez votre petit fouet à crème enduit d'un colorant lentement soluble et battez l'eau, vous générerez beaucoup de turbulences et créeriez également un schéma de circulation compliqué dans tout le bain, et le colorant se mélangerait rapidement uniformément tout au long du bain. .

Vous pourriez penser que la situation uniformément mélangée décrite ci-dessus est la situation normale dans les lacs, mais ce n'est pas le cas. Pour illustrer, voici un autre scénario de baignoire. D'abord, vous mettez de l'eau chaude, puis de l'eau froide, ou vice versa, puis le téléphone sonne et vous n'avez pas la possibilité de les mélanger. Lorsque vous revenez à la baignoire, vous mesurez le profil de température vertical. Vous constaterez que la température est un peu plus basse près du fond que près de la surface de l'eau (Figure 4-4). Cette différence de température de bas en haut dépend en partie de la différence de température d'origine entre l'eau froide et l'eau chaude que vous avez utilisée, mais tout aussi important de la vitesse à laquelle vous avez rempli la baignoire. Plus le jet d'eau frappe la surface de l'eau, plus le mélange entre l'eau froide et l'eau chaude est important.

Pourquoi la différence de température de bas en haut ? Parce que l'eau froide est plus dense que l'eau chaude (à condition que sa température soit supérieure à 4°C), il a donc tendance à rester au fond (si vous avez fait couler l'eau froide en premier) ou à trouver son chemin vers le bas (si vous avez fait couler l'eau chaude en premier). La seule raison pour laquelle vous ne vous retrouvez pas avec une situation parfaitement stratifiée, avec toute l'eau froide d'origine comme couche inférieure et toute l'eau chaude d'origine comme couche supérieure, est le mélange occasionné par le jet du robinet lorsque le jet frappe. à la surface de l'eau lors du remplissage.

Avec un petit effort supplémentaire, vous pouvez en effet mettre en place un bain stratifié en température presque parfaitement à deux couches. Vous obtenez les meilleurs résultats en remplissant d'abord d'eau froide puis d'eau chaude, et en laissant tomber le jet d'eau sur une plaque d'épandage qui flotte à la surface (Figure 4-5). Le but de la plaque d'épandage est de briser l'élan du jet descendant, de sorte que l'eau chaude s'écoule lentement de la plaque horizontalement et n'ait aucune chance de se mélanger avec la couche froide en dessous. Cela conduit à deux couches presque homogènes, froide en dessous et chaude en dessus, séparées par une zone mince de changement de température très brusque (en fait une discontinuité de température), appelée thermocline (Illustration 4-6). Dans les vrais lacs, la thermocline est aussi appelée le métalimnion; la zone ci-dessus est appelée la épilimnion, et la zone ci-dessous est appelée la hypolimnion.

Maintenant, si vous mettez votre petit batteur enduit de teinture, que verriez-vous ? Si vous placez le batteur soit dans la couche supérieure (chaude) soit dans la couche inférieure (froide), vous produisez beaucoup de turbulences dans cette couche, mais l'autre couche serait peu affectée : chaque couche agit en grande partie indépendamment de l'autre ( Figure 4-7). Si, cependant, vous mettez le batteur à l'interface, vous mélangeriez une partie du chaud et du froid pour produire de l'eau avec une densité et une température intermédiaires, et cette eau intermédiaire dériverait latéralement pour former une nouvelle couche intermédiaire facilement reconnaissable ( Figure 4-8).

Ce qui se passe ici, c'est qu'en disposant une couche froide en dessous et une couche chaude au-dessus, vous avez produit une stratification gravitationnellement stable, et il faut travailler (littéralement, au sens de la physique – force fois distance) pour mélanger les eaux des deux couches. Les mouvements produits lorsque le batteur était en une seule couche n'étaient pas suffisants pour perturber la stratification. Vous auriez besoin d'un mélangeur plus puissant pour briser la stratification de densité stable.

Voici quelques autres choses instructives que vous pourriez faire dans votre baignoire pour avoir un aperçu du régime thermique des lacs :

• Recouvrez votre baignoire du mieux possible d'un revêtement d'isolation thermique, incluant un couvercle isolant flottant. De cette façon, vous éliminez toute possibilité de changer la température et donc la densité de l'eau du bain par échange de chaleur avec l'environnement. Commencez par un bain stratifié thermiquement, comme ci-dessus, puis revenez quelques heures plus tard et remesurez le profil de température vertical. Tu trouverais ça la thermocline s'est épaissie (Illustration 4-9). Pourquoi? Par conduction de la chaleur de la couche chaude vers la couche froide par des mouvements moléculaires. Cet effet, appelé diffusion thermique, est lent mais inexorable. Dans cette situation d'isolement total, l'eau du bain viendrait à avoir une température uniformee.

CONTEXTE : DIFFUSION

La diffusion est un processus important dans de nombreux milieux naturels. La diffusion est un écoulement d'un matériau ou d'une propriété dans un milieu en conséquence de l'existence d'un gradient spatial dans la concentration de ce matériau ou de cette propriété en présence de mouvements aléatoires du matériau dont le milieu est composé.

C'est une définition assez longue et abstraite. Voici quelques exemples de diffusion :

  • Le réchauffement du manche d'une poêle à frire en métal lorsqu'elle est placée sur le brûleur.
  • La propagation d'une odeur de cuisine dans toute la maison, même s'il n'y a pas de circulation d'air organisée dans la maison.
  • l'élargissement d'un panache de fumée noire en s'élevant du haut de la cheminée.

Voici une expérience de pensée (une que vous ne pourriez pas réellement faire) pour rendre le concept de diffusion plus concret. Supposons que vous puissiez placer une cloison étanche verticale au milieu d'une pièce scellée, pour créer un côté «gauche» et un côté «droit», puis colorer toutes les molécules d'air du côté droit de la cloison en vert et toutes les les molécules d'air sur le côté gauche de la cloison rouge. Gardez à l'esprit que les molécules d'air se déplacent continuellement de-ci de-là, entrant en collision de temps en temps avec les murs de la pièce et les unes avec les autres, à cause de leur énergie thermique.

Supprimez maintenant comme par magie la partition, instantanément, et réfléchissez à ce qui se passe. Il y a un échange équilibré de molécules à travers le plan vertical où se trouvait la partition : à tout moment, un nombre à peu près égal de molécules traversent le plan dans les deux directions opposées. Mais au départ, toutes les molécules passant de droite à gauche sont des molécules rouges, et toutes les molécules passant de gauche à droite sont des molécules vertes. On dit qu'il y a un flux net de molécules rouges de gauche à droite et un flux net de molécules vertes de droite à gauche. C'est l'essence du transport diffusif. Finalement, bien sûr, les concentrations de molécules rouges et de molécules vertes s'égalisent partout dans la pièce. Après cela, même si les molécules circulent toujours, il n'y a plus de transport net, car il n'y a plus de gradient spatial dans les concentrations de molécules rouges ou vertes.

Les mouvements aléatoires du milieu peuvent impliquer les atomes ou molécules individuels, ou les mouvements aléatoires de tourbillons turbulents dans un fluide. L'exemple de la casserole sur la cuisinière implique les vibrations des atomes de la poignée en métal. La température de la casserole est plus élevée que celle du manche, ce qui signifie que la vitesse de vibration des atomes est plus grande. Le flux de chaleur le long de la poignée n'est qu'une manifestation de la tendance de la vitesse de vibration des molécules à s'égaliser, par l'interaction des atomes adjacents. Les deux autres exemples, cependant, impliquent les mouvements de tourbillons turbulents dans un fluide, bien que dans le cas de l'odeur de cuisine, la propagation puisse être entièrement par diffusion moléculaire, comme dans le cas des molécules rouges et vertes dans votre pièce cloisonnée, si l'air dans la maison est très calme. Dans un milieu fluide, la diffusion turbulente est beaucoup plus efficace que la diffusion moléculaire, si le milieu est turbulent.

Dans l'exemple du transport de chaleur par diffusion, ce qui est diffusé est une propriété, la température du métal. Dans le cas du transport diffusif de l'odeur de cuisson, c'est la concentration du gaz ou du colloïde que l'on perçoit comme l'odeur. Dans le cas de la fumée sortant de la cheminée, il s'agit de la concentration de particules de fumée.

Le taux d'écoulement diffusif de la propriété ou du matériau, appelé le flux diffusif, est proportionnel au gradient spatial de la concentration de cette propriété ou de ce matériau. La constante de proportionnalité est appelée la diffusivité, ou la coefficient de diffusion. Dans certains cas, il peut être dérivé de la théorie ; dans de nombreuses autres situations, cependant, en particulier lorsqu'il s'agit de turbulences fluides, il suffit qu'il s'agisse d'une valeur empirique mesurée.

  • Laissez l'isolant autour des parois de la baignoire en place sans le couvercle supérieur. Dessinez un bain chaud, puis suivez le profil de température vertical en fonction du temps. Vous constaterez que la température de l'eau reste verticalement uniforme lorsqu'elle se refroidit et que l'eau se refroidit de plus en plus lentement à mesure que la température se rapproche de la température ambiante (Figure 6-10).
  • Dessinez un bain froid et faites de même. Le résultat serait spectaculairement différent ! Au fur et à mesure que l'eau de surface se réchauffe, une couche froide est maintenue en dessous, et cette stratification persiste jusqu'à ce que tout le bain soit à la même température (Figure 6-11). Vous constaterez également que le temps nécessaire pour développer un bain uniforme est plus long que dans le cas précédent.

Température et eau

La température de l'eau joue un rôle important dans presque toutes les sciences de l'eau de l'USGS. La température de l'eau exerce une influence majeure sur l'activité biologique et la croissance, a un effet sur la chimie de l'eau, peut influencer les mesures de la quantité d'eau et régit les types d'organismes qui vivent dans les plans d'eau.

L'U.S. Geological Survey (USGS) mesure la quantité d'eau qui coule dans les rivières, détermine les niveaux d'eau des nappes phréatiques et collecte des échantillons d'eau pour décrire la qualité de ces eaux depuis plus d'un siècle. Des millions de mesures et d'analyses ont été effectuées qui ont été influencées par la température de l'eau.

Importance de la température de l'eau

La température exerce une influence majeure sur l'activité biologique et la croissance. La température régit les types d'organismes qui peuvent vivre dans les rivières et les lacs. Les poissons, les insectes, le zooplancton, le phytoplancton et d'autres espèces aquatiques ont tous une plage de température préférée. Comme les températures deviennent trop au-dessus ou en dessous de cette plage préférée, le nombre d'individus de l'espèce diminue jusqu'à ce qu'il n'y en ait plus.

La température est également importante en raison de son influence sur la chimie de l'eau. La vitesse des réactions chimiques augmente généralement à une température plus élevée. L'eau, en particulier eaux souterraines, avec des températures plus élevées peut dissoudre plus de minéraux de la roche environnante et aura donc une plus grande conductivité électrique. C'est l'inverse lorsqu'on considère un gaz, tel que l'oxygène, dissous dans l'eau. Pensez à combien de « bulles » un soda froid est comparé à un soda chaud. Le soda froid peut garder plus de bulles de dioxyde de carbone dissoutes dans le liquide que le soda chaud, ce qui le rend plus pétillant lorsque vous le buvez.

L'eau chaude du cours d'eau peut affecter la vie aquatique dans le cours d'eau. L'eau chaude retient moins oxygène dissous que l'eau froide, et peut ne pas contenir suffisamment d'oxygène dissous pour la survie de différentes espèces de la vie aquatique. Certains composés sont également plus toxiques pour la vie aquatique à des températures plus élevées.

Les surfaces imperméables fournissent de l'eau chaude aux ruisseaux

Un parking chaud peut entraîner l'écoulement des eaux de ruissellement chauffées dans les cours d'eau.

Vous ne pensez peut-être pas que la température de l'eau est considérée comme une mesure importante de la qualité de l'eau. Après tout, la température n'est pas un produit chimique et elle n'a pas de propriétés physiques visibles. Mais, si vous demandez à un poisson si la température de l'eau dans laquelle il vit est importante, il criera oui (s'il pouvait parler) ! Dans les environnements naturels, la température n'est pas trop préoccupante pour la vie aquatique, car les animaux et les plantes dans l'eau ont évolué pour mieux survivre dans cet environnement. C'est lorsque la température d'un plan d'eau change, soit par un événement naturel, soit par un événement induit par l'homme, que le poisson transpire et commence à s'inquiéter.

Cette photo montre un parking typique après une forte tempête de pluie estivale. Les parkings et les routes, qui sont des exemples de surfaces imperméables, où l'eau s'écoule dans les cours d'eau locaux au lieu de s'enfoncer dans le sol, comme dans les milieux naturels, agissent comme des "voies rapides" pour que les précipitations se frayent un chemin dans les cours d'eau. La pluie qui tombe sur un parking qui a été exposé au soleil toute la journée en été devient super chauffé puis s'enfuit dans les ruisseaux. Cette eau chauffée peut être un choc pour la vie aquatique dans le cours d'eau et peut donc nuire à la qualité de l'eau du cours d'eau.

Avec la chaleur, ruissellement de places de parking peut contenir des polluants, tels que des fuites d'huile à moteur, des hydrocarbures provenant des gaz d'échappement, des restes d'engrais et des déchets normaux. Certaines communautés expérimentent l'utilisation d'une chaussée perméable dans le parking et des jardins d'eau et des plantes absorbantes le long du terrain pour voir si cela réduit le ruissellement nocif des terrains dans les cours d'eau. Dans l'image de droite, les surfaces de stationnement sont inclinées de manière à s'écouler dans une zone naturelle qui permet aux eaux de ruissellement de s'infiltrer dans le sol. Des plantes aquatiques sont également cultivées dans la région. Une quantité importante des eaux de ruissellement devrait être captée par ces zones, et au moment où une partie des eaux de ruissellement atteint un cours d'eau, les températures de l'eau devraient être plus proches des températures normales des cours d'eau.

Changements saisonniers dans les lacs et les réservoirs

La température est également importante dans lacs et réservoirs. Il est lié au oxygène dissous concentration dans l'eau, ce qui est très important pour toute vie aquatique. De nombreux lacs subissent un « retournement » de leurs couches d'eau lorsque les saisons changent. En été, le haut du lac devient plus chaud que les couches inférieures. Vous l'avez probablement remarqué lorsque vous nagez dans un lac en été : vos épaules ont l'impression d'être dans un bain chaud tandis que vos pieds sont au frais. Étant donné que l'eau chaude est moins dense cette eau plus froide, elle reste au-dessus de la surface du lac. Mais, en hiver, certaines surfaces des lacs peuvent devenir très froides. Lorsque cela se produit, l'eau de surface devient plus dense que l'eau plus profonde avec une température plus constante toute l'année (qui est maintenant plus chaude que la surface), et le lac "tourne", lorsque l'eau de surface plus froide coule au fond du lac.

Caractéristiques saisonnières de la température à Ice Lake, Minnesota.

La façon dont les températures varient dans les lacs au fil des saisons dépend de l'endroit où ils se trouvent. Dans les climats chauds, la surface peut ne jamais devenir assez froide pour faire « tourner » le lac. Mais, dans les climats qui ont un hiver froid, des stratifications et des retournements de température se produisent. Ce graphique est une illustration des profils de températures d'un lac du Minnesota, aux États-Unis (où il fait très froid en hiver). Vous pouvez voir qu'en mai la surface commence à se réchauffer (couleur verte), mais le réchauffement ne descend que jusqu'à environ 5 mètres de profondeur. Même si la surface continue de se réchauffer tout l'été, l'eau moins dense reste toujours au-dessus du lac. Même en été, la moitié inférieure du lac reste presque aussi froide qu'en hiver. Pendant l'été, l'eau chaude moins dense reste au-dessus de l'eau plus froide, aucun mélange d'eau ne se produit. Remarquez qu'en octobre, alors que la température commence à descendre constamment près du point de congélation la nuit, l'eau de surface se refroidit, devient un peu plus froide et un peu plus dense que l'eau au fond du lac, et, ainsi, coule, provoquant mélange. Le lac « a tourné ». Après octobre, la température dans toute la colonne d'eau verticale est à peu près la même température froide, jusqu'à ce que la glace fonde et que le soleil puisse à nouveau réchauffer le haut du lac.

Le barrage Cougar sur la rivière McKenzie, Oregon

Crédit : Bob Heims, U.S. Army Corps of Engineers

Effets de la température des opérations de barrage

Je suis sûr que des poissons vivent dans la rivière McKenzie en Oregon depuis des milliers d'années, bien avant que de nombreuses personnes n'y habitent et certainement avant la construction du barrage Cougar. Pendant des éons, les poissons se sont adaptés pour vivre et se reproduire dans une rivière ayant certaines caractéristiques environnementales qui ne changeraient pas rapidement. Mais, après la construction du barrage Cougar, une chose qui a changé pour les poissons était les modèles de température de l'eau sous le barrage à certaines périodes de l'année. La rivière McKenzie abrite la plus grande population sauvage restante de saumon quinnat dans le bassin supérieur de la rivière Willamette, et la rivière South Fork McKenzie offre un bon habitat de frai. Il a été constaté que le modèle de température modifié en aval du barrage Cougar créait des problèmes en ce qui concerne le moment de la migration, du frai et de l'éclosion des œufs pour le poisson. (Source : Caissie, D., 2006, Le régime thermique des rivières – Une revue : Freshwater Biology, v. 51, p. 1389-1406)

Cette conséquence environnementale préjudiciable a été réalisée au milieu des années 2000 et pour rétablir l'aptitude de ce tronçon pour le frai du saumon, le U.S. Army Corps of Engineers a ajouté un ensemble de vannes coulissantes à la structure de prise d'eau du barrage Cougar. Les modèles de température de l'eau en dessous du barrage sont devenus plus proches des modèles naturels récemment, avec pour résultat beaucoup de saumons souriants. Le graphique ci-dessous montre les différences dans les modèles de température pour les sites au-dessus et au-dessous du barrage avant que des ajustements ne soient apportés pour corriger la situation.

Les retenues peuvent modifier les modèles de température naturelle d'une rivière

Ce graphique compare le modèle de température d'une année pour les sites de surveillance sur la rivière South Fork McKenzie en amont et en aval du barrage Cougar. L'intention est de montrer comment, en raison de certains aspects de la construction du barrage, les modèles de température saisonnière en dessous du barrage ont été gravement modifiés après que le barrage est devenu opérationnel. Les changements de température ont eu des effets néfastes sur les populations de poissons en aval du barrage.

La ligne gris clair montre, pour le site en amont, un modèle comme on peut s'y attendre : les températures se réchauffent à la fin du printemps et augmentent pendant l'été avec l'automne apportant des températures plus basses. Il montre un type normal de courbe en cloche qui suit de près les tendances saisonnières de la température de l'air. Les poissons vivant dans ce tronçon de la rivière seraient adaptés à ces températures normales.

Le barrage Cougar contrôle le débit et influence grandement la température de la rivière South Fork McKenzie en aval du barrage. Le réservoir Cougar devient thermiquement stratifié en été, avec de l'eau plus chaude et moins dense près de la surface et une eau plus froide et plus dense au fond. Le temps chaud et ensoleillé de l'été de l'ouest de l'Oregon ajoute de la chaleur supplémentaire à la surface du réservoir, stabilisant sa stratification tout au long de l'été. Étant donné que le barrage a été construit avec son principal point de rejet à une altitude relativement basse, le barrage a historiquement rejeté de l'eau relativement froide près du fond du réservoir au milieu de l'été. Comme le réservoir a été tiré en automne pour faire place au stockage de contrôle des crues, la chaleur qui était captée dans la couche supérieure du réservoir pendant l'été a été libérée vers l'aval. Par conséquent, le modèle de température saisonnière (ligne plus foncée sur la carte) en aval du barrage Cougar jusqu'en 2001 était assez différent du modèle en amont du réservoir Cougar.

Photo aérienne de la centrale électrique de Beaver Valley en Pennsylvanie, montrant l'évaporation des grandes tours de refroidissement.

Les centrales électriques doivent refroidir leurs eaux usées

Certaines industries doivent être très soucieuses de la température de l'eau. Le meilleur exemple en est le industrie thermoélectrique qui produit la plupart de l'électricité que la Nation utilise. L'une des principales utilisations de l'eau dans l'industrie électrique est de refroidir l'équipement de production d'électricité. L'eau utilisée à cette fin refroidit l'équipement, mais en même temps, l'équipement chaud réchauffe l'eau de refroidissement. L'eau trop chaude ne peut pas être rejetée dans l'environnement - les poissons en aval d'une centrale électrique libérant l'eau chaude protesteraient. Ainsi, l'eau utilisée doit d'abord être refroidie. Une façon d'y parvenir est de construire de très grandes tours de refroidissement et de pulvériser l'eau à l'intérieur des tours. Évaporation se produit et l'eau est refroidie. C'est pourquoi les grandes installations de production d'électricité sont souvent situées à proximité des rivières.

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2 Description du modèle

2.1 Modèles atmosphériques

Nous utilisons la nouvelle version du modèle climatique du Goddard Institute for Space Studies (GISS) de la NASA, ModelE2 (noté GISS-E2 dans les archives CMIP5) avec une résolution horizontale de 2° × 2,5° et 40 couches verticales, avec le haut du modèle près de la stratopause à 0,1 hPa. La physique de base du modèle est similaire à la version CMIP3 du GISS ModelE [Schmidt et al., 2006 ] mais comprend de nombreuses améliorations de la physique comme indiqué dans Schmidt et al. [ 2014a, 2014b ]. Nous utilisons trois traitements différents de la composition atmosphérique. La plus simple est une version avec une composition NonINTeractive (NINT), c'est-à-dire utilisant des distributions tridimensionnelles prescrites d'ozone et d'aérosols interpolées à partir des concentrations décennales. Ces distributions décennales de l'ozone et des aérosols pour les simulations historiques de 1850 à 2005 sont obtenues à partir des calculs hors ligne d'une version précédente du modèle atmosphérique autonome avec chimie interactive [Koch et al., 2011]. L'effet indirect des aérosols sur les nuages ​​est inclus en tant que paramétrisation simple pour augmenter la couverture nuageuse basse en réponse à l'augmentation des aérosols [Hansen et al., 2005a]. Cette paramétrisation est basée sur une relation supposée entre les concentrations en nombre d'aérosols et les nuages ​​et ajustée pour produire un déséquilibre radiatif d'environ -0,7 W m 2 TOA en 2000 par rapport à 1850 (voir Miller et al. [ 2014 ] pour une discussion).

La deuxième version (TCAD) comprend des traceurs d'aérosols et de chimie entièrement interactifs (y compris les effets directs TCAD) dans la troposphère et la stratosphère. Toutes les espèces chimiques sont simulées d'un point de vue pronostique cohérent avec la physique atmosphérique dans le modèle et les émissions de précurseurs à courte durée de vie [Shindell et al., 2006]. L'effet indirect des aérosols est paramétré de la même manière que dans la version NINT. La troisième version comprend en outre une paramétrisation du premier effet indirect d'aérosol sur les nuages ​​(TCADI) d'après Menon et al. [2010]. L'augmentation de la concentration d'aérosols entraîne une diminution de la taille des gouttelettes des nuages, ce qui rend les nuages ​​plus brillants et plus réfléchissants [Twomey, 1977]. Dans l'archive CMIP5, les exécutions NINT, TCAD et TCADI sont notées à l'aide des versions physiques 1, 2 et 3, respectivement.

2.2 Modèles océaniques

Nous couplons deux modèles différents de circulation générale océanique à chacune des trois versions atmosphériques. Dans les deux cas, nous n'utilisons aucune correction de flux dans l'échange de chaleur entre l'atmosphère et l'océan. Le « modèle océanique Russell » a été initialement décrit par Russell et al. [ 1995 ]. Ce modèle océanique est un modèle de conservation de masse avec une résolution horizontale de 1,25° de longitude par 1° de latitude, et possède 32 niveaux verticaux avec une résolution plus fine dans les 100 premiers mètres. Le modèle utilise la grille C pour les équations de quantité de mouvement, qui inclut la paramétrisation KPP pour le mélange vertical [Large et al., 1994 ] et la paramétrisation Gent-McWilliams pour l'effet de mélange associé aux tourbillons à mésoéchelle [Gent et McWilliams, 1990 ]. Dans l'archive CMIP5, le modèle climatique avec le modèle océanique Russell est appelé GISS E2-R (ci-après E2-R dans ce texte).

L'autre modèle océanique utilisé pour les simulations climatiques est HYCOM [Bleck, 2006 Sun et Bleck, 2006 ], la version coordonnée HYbrid du Miami Isopycnal Coordinate Ocean Model. Le modèle maintient une représentation des coordonnées isopycnales à l'intérieur de l'océan, mais permet aux couches de coordonnées de devenir constantes en profondeur vers les pôles de l'emplacement où leurs isopycnales « cibles » affleurent. La présence d'un nombre fixe de couches verticales (26 dans ce cas) permet de simuler le mélange vertical dans HYCOM comme un processus de diffusion cross-isopycnal. La résolution horizontale est de 1° à la fois en latitude et en longitude, la résolution méridienne augmentant progressivement jusqu'à 1/3° vers l'équateur de ±30° de latitude. Le mélange vertical est basé sur une fermeture à énergie cinétique turbulente de type Kraus-Turner. Dans l'archive CMIP5, les simulations climatiques avec le modèle océanique HYCOM sont référencées à l'aide du GISS E2-H (désormais E2-H).

Les deux modèles océaniques incluent le même modèle de glace de mer dans l'Arctique et l'Antarctique [Zhang et Rothrock, 2000 Russell et al., 2000 ].

2.3 Biais, dérives et sensibilité du modèle

Les simulations GISS-E2 présentent certains biais pour le climat actuel. Bien que la climatologie et la saisonnalité de la banquise soient améliorées dans toutes les versions actuelles du modèle climatique GISS-E2 par rapport aux résultats CMIP3 [Hansen et al., 2007], les modèles surestiment le cycle saisonnier de la banquise arctique avec un mois de septembre trop bas. minimum [Schmidt et al., 2014a ]. Cela conduit à des conditions de glace de mer initiales plus petites que celles observées dans l'Arctique pour toutes les expériences RCP, et cela est particulièrement évident pour toutes les versions du GISS E2-H en raison de leurs températures de surface beaucoup plus chaudes dans les hautes latitudes nord. Les expériences RCP avec le GISS E2-H ont par conséquent commencé avec une trop petite couverture de glace de mer en septembre dans l'océan Arctique, ce qui entraîne une fonte rapide de la glace de mer et un été de l'Arctique sans glace vers 2040-2050 dans toutes ces expériences RCP (voir la section 4.2 pour plus de détails). Dans les océans Austral, tous les modèles GISS sont trop chauds et ont une glace marine antarctique déficiente.

Les expériences de contrôle pour la composition atmosphérique de 1850 ont une dérive de 0,001, 0,05 et 0,02 °C par siècle pour les modèles climatiques NINT, TCAD et TCADI E2-R, respectivement, et de 0,01, 0,05 et 0,05 °C par siècle pour le NINT , TCAD et modèles couplés TCADI E2-H, respectivement. Les anomalies pour chaque expérience de perturbation sont calculées en supprimant un ajustement de loess lissé construit à partir du contrôle [Miller et al., 2014, Figure 1] pour tenir compte de la dérive non climatique due au petit déséquilibre dans les conditions initiales. Cependant, nous notons que cette dérive est faible par rapport aux tendances climatiques du 21e siècle discutées dans cet article. Les températures moyennes mondiales de l'air en surface sont de 14,3, 14,5 et 14,7 °C à l'année modélisée 1000 des modèles climatiques de contrôle NINT, TCAD et TCADI E2-R, respectivement, 15, 15,2 et 15,2 °C dans le NINT, TCAD, et les modèles climatiques de contrôle TCADI E2-H.

Forçages climatiques mondiaux instantanés de GES diagnostiqués pour les simulations climatiques mondiales futures par rapport à leurs valeurs en 1950 dans les modèles GISS-E2. Ligne verte : RCP2.6 [van Vuuren et al., 2011b ], ligne bleu clair : RCP4.5 [Thomson et al., 2011 ], ligne orange : RCP6.0 [Masui et al., 2011 ], et ligne rose : RCP8.5 [Riahi et al., 2011 ].

Les sensibilités climatiques d'équilibre du modèle couplé pour le CO doublé2 sont de 2,7, 2,7 et 2,9 °C pour les trois modèles atmosphériques NINT, TCAD et TCADI [Schmidt et al., 2014a ], ce qui correspond à l'extrémité inférieure de la sensibilité climatique des modèles CMIP5 entre 2,1 et 4,7 K [Andrews et al., 2012 ]. La réponse climatique transitoire (TCR) est la température moyenne de l'air en surface sur 20 ans résultant d'une augmentation de 1% par an du CO2, centrée sur le temps de doublement, et par rapport à la température moyenne sur 20 ans correspondante de la simulation de contrôle. Le TCR dépend de la sensibilité climatique à l'équilibre, mais aussi du taux d'absorption de chaleur par l'océan profond. Les réponses climatiques transitoires sont respectivement de 1,4, 1,4 et 1,6 °C pour les modèles climatiques NINT, TCAD et TCADI E2-R, et de 1,7, 1,7 et 1,8 °C pour les modèles couplés NINT, TCAD et TCADI E2-H. des modèles. Ces valeurs se situent dans la plage de 1,1 à 2,3 °C obtenue à partir des estimations limitées de la réponse climatique transitoire basées sur la température mondiale observée et l'absorption de chaleur par les océans [Lewis et Curry, 2014 Otto et al., 2013 Knutti et Tomassini, 2008 Stott et Forest, 2007 ].


4.5 : La structure verticale de la température de l'eau du bain - Géosciences


toutes les sources thermales de Virginie sont situées dans la province physiographique de Valley and Ridge
Source : Centre national de données géophysiques de la NOAA, sources thermales

La terre devient plus chaude en profondeur. Dans le noyau et le manteau entourant le noyau, il y a de la chaleur résiduelle provenant de la formation terrestre il y a 4,5 milliards d'années, et les fortes pressions jusqu'à présent sous terre génèrent également de la chaleur.

Une grande partie de la chaleur près de la surface est causée par la désintégration continue des matières radioactives qui sont concentrées dans la croûte terrestre, comme l'uranium. Les chambres magmatiques montent par intermittence à la surface et alimentent les éruptions volcaniques. La roche en fusion se refroidit lorsqu'elle s'échappe des hautes pressions souterraines et rencontre l'atmosphère. D'autres roches ignées se forment lorsque le magma se refroidit juste sous la surface, sans entrer en éruption.

Il y a eu des éruptions volcaniques il y a 48 à 35 millions d'années à Virginia Mole Hill à l'ouest de Harrisonburg est un ancien vestige volcanique. En Islande, dans le parc national de Yellowstone et dans le nord de la Californie, les chambres magmatiques près de la surface chauffent encore l'eau souterraine et créent des geysers.


les geysers du parc national de Yellowstone sont générés par de l'eau chauffée en profondeur, atteignant le point d'ébullition, puis remontant à la surface

La Virginie ne possède aucun gisement localisé de minéraux radioactifs ou de chambres magmatiques peu profondes provenant d'un ancien pluton volcanique, et aucun geyser à présent. La Virginie a des sources chaudes, dont certaines vont et viennent à mesure que les pics de pression atteignent la surface. L'eau des sources thermales de Virginie est chauffée par le gradient géothermique, la température croissante de toutes les roches à plus grande profondeur.

Ce gradient varie à travers la croûte terrestre, mais est en moyenne de 1,5 ° F pour 100 pieds de profondeur dans la partie de la Virginie avec des sources thermales. 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

NomTemperature
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
La source: 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
La source: 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

Liens


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)

Les références


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)


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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. Introduction

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

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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.

Déclaration de conflit d'intérêts

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Les figures

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…


Voir la vidéo: Où était la tour de Babel? - Le Dr Douglas Petrovitch