¿Cómo es posible que dos mares no se mezclen?

Hay dos mecanismos para mezclar en una interfase líquido-líquido, en primer lugar la difusión y en segundo lugar la agitación física.

La difusión es insignificantemente lenta en líquidos, los solutos tardan días en viajar unos pocos centímetros, por lo que la mezcla está dominada por la agitación física, por ejemplo, la acción de las olas, las corrientes convencionales, la mezcla del viento, etc.

En este caso particular, es difícil juzgar qué efecto tienen las olas y el viento. El mar se ve muy tranquilo, así que supongo que las olas y el viento tienen poco efecto y no es tan sorprendente que la mezcla sea lenta. Apuesto a que esa línea no estaría tan bien definida la mañana después de una tormenta.

Este tipo de división no es tan inusual. Crecí en Jartum, donde se unen el Nilo Blanco y el Nilo Azul, y la división entre ellos permanece marcada por millas. Aunque no tengo ninguna instantánea de esa época (tenía cinco años :-), la siguiente imagen encontrada en Google Images muestra muy bien la división.

Esto también se puede ver desde el espacio, como en esta imagen del día del Observatorio de la Tierra de la NASA:

Le pregunté al oceanólogo ( Nikolai Koldunov ) sobre esta foto. Aquí está su respuesta:

En el océano, incluso si la diferencia de densidad es pequeña (por ejemplo, del orden$0.1\,kg/m^3$) el proceso de mezcla entre dos masas de agua es bastante lento (sin fuertes turbulencias). La foto probablemente fue tomada cerca del estuario de un gran río. En este caso, la diferencia de densidad entre el agua dulce del río y el agua salada del mar debe ser del orden de$20\,kg/m^3$, es por eso que el límite es visible tan claro (teniendo en cuenta las condiciones de viento en calma).

Yo (Grisha) verifiqué la ubicación en los mapas de Google http://goo.gl/xY41z y sí, hay tres ríos enormes no muy lejos de la etiqueta geográfica de Flickr: el río Dangerous, el río Ahrnkin y el río Italio. ACTUALIZAR. ¡En realidad, puedes ver claramente este frente afilado en Bing Maps! — http://binged.it/VoGDhh

Lo más probable es que el frente no sea estrictamente vertical: el agua dulce y tibia corre sobre el agua fría y salada del océano que, a su vez, se sumerge bajo el agua dulce. Aquí está el fragmento de la conferencia con la explicación de cómo se puede formar el frente vertical, por ejemplo, esta imagen. Su imagen es un ejemplo de los llamados estuarios de cuña de sal. El ejemplo clásico de tal cuña es el río Columbia .

En Internet, puede encontrar muchas de estas imágenes de satélites, aquí hay dos ejemplos:

http://www.ifish.net/board/showthread.php?t=293094

http://www.aslo.org/photopost/showphoto.php/photo/271/title/fraser-river-satellite-image/cat/504

Hasta ahora, nadie se ha referido a la probabilidad de que el agua dulce en la interfaz río/océano esté turbia . ¿Qué significa esto? Significa que es probable que el agua contenga una suspensión estable de micro o nanopartículas de silicato, que no pueden agregarse debido a la repulsión electrostática de corto alcance. Esto es lo que se llama un coloide.

El ejemplo de la turbidez del agua dulce frente al agua de mar surgió en un curso de física química que hice hace unos años. La clarificación del agua en el delta de un río es algo que se puede ver en las imágenes satelitales de todo el mundo y tiene menos que ver con la dilución del agua fangosa en un océano y más con el efecto desestabilizador de los iones disueltos en los coloides fangosos, lo que resulta en una reducción radical de la escala de tiempo de agregación.

Lo que esto significa es que al mezclar agua dulce fangosa y agua salada clara, las partículas de lodo coloidal se agregarán rápidamente y literalmente caerán fuera del agua. Yo diría que lo que se representa aquí es en realidad una especie de transición de fase entre 'coloide estable' a la izquierda y 'coloide inestable' a la derecha, con una marcada distinción concomitante en la luz que se dispersa por las partículas suspendidas. Por lo tanto, el gradiente de salinidad puede ser algo más suave de lo que sugeriría el límite, ya que un cambio bastante pequeño en la salinidad puede ser la diferencia entre el agua turbia que es indefinidamente estable y el agua turbia que se aclara en segundos.

Vale la pena señalar que la separación de dos líquidos similares es un experimento común. La difusión de los líquidos entre sí se rige por la ley de Fick, pero también se puede entender en términos de entropía de mezcla .

La clave de este rompecabezas es entenderlo realmente en términos de entropía. Aunque el negro y el fuego que se muestran en la imagen eventualmente se mezclarán con el tiempo, si encontramos algún mecanismo por el cual pudiéramos construir un ciclo dinámico similar a un ciclo termodinámico completo , podríamos mantener el material separado mientras nuestra fuente de energía se mantuviera.

Hay que tener en cuenta que tanto el gradiente de temperatura como la densidad del material (así como las propiedades de los sólidos disueltos) gobiernan la mezcla entre los materiales. Si los materiales de diferentes densidades tienen temperaturas sustancialmente diferentes, tenderán a permanecer separados por más tiempo que si estuvieran a la misma temperatura.

En el caso de dos mares, debido a que hay una fuente constante de energía (el sol, etc.), así como una fuente aparente de material que causa diferentes densidades, esas fuentes dinámicas también deben tenerse en cuenta en nuestra comprensión del equilibrio. Es la dinámica del sistema total que se analiza lo que hará que favorezca conjuntos de configuraciones que podrían no ser estables en un problema de difusión más "estático".

El problema de la mezcla oceánica probablemente se generalice mejor en el estudio de los modelos de circulación oceánica .

Inicialmente sospeché que la imagen aquí es la de un banco de arena junto a aguas más profundas, no de dos "mares" que no se mezclan, donde el agua de color claro es clara porque es poco profunda, y estamos viendo la arena debajo, y el la región densa es oscura porque es demasiado profunda para ver el fondo, y la luz se absorbe en lugar de reflejarse. La espuma que vemos en el borde proviene de las olas que son empujadas hacia arriba cuando las olas de aguas profundas se encuentran repentinamente con aguas menos profundas. Creo que, después de haber leído otra respuesta (ver el comentario a continuación; no recuerdo el nombre del autor Cajero automático y la sección de edición no me permite verlo) que tiene razón: es un líquido (digamos, un gran río de agua dulce) que fluye hacia otra (probablemente el océano o algo conectado a él).

Tiene razón en que los líquidos de diferentes densidades eventualmente se mezclarán si son mutuamente solubles, pero generalmente, cuando tiene un caso de dos líquidos mutuamente solubles con diferentes densidades, están arriba y abajo, en lugar de uno al lado del otro.

Puedes conseguir este efecto en casa con agua, azúcar y colorante alimentario. Primero, mezcle 2 partes de azúcar con una parte de agua. Caliente hasta que todo el azúcar se disuelva y agregue un poco de colorante azul para alimentos. Póngalo en un recipiente transparente. Deje que se enfríe a temperatura ambiente.

Luego, mezcle un poco de colorante alimentario rojo con agua. Viértalo sobre el dorso de una cuchara lenta y suavemente para minimizar la mezcla.

El vidrio debe mostrar azul en la parte inferior, rojo en la parte superior, con un mínimo de púrpura en el medio si puede hacerlo bien. Debería persistir durante al menos unas horas, posiblemente unos días. Esto es similar a lo que sucede en la cinta transportadora global , donde el agua fría, densa y salada se encuentra debajo del agua tibia y relativamente menos salina. También puede ocurrir a menor escala, con brinicles, como explica Alec Baldwin.

El estado mixto es un estado de equilibrio termodinámico y el no mezclado es un estado de no equilibrio. Un estado de no equilibrio solo se puede mantener si hay un flujo de energía dentro y fuera del sistema. En este caso, la razón obvia podría ser la afluencia de agua dulce o agua con diferente salinidad (energía en la materia) que contrarresta la mezcla de manera que se mantiene el desequilibrio, aunque haya mezcla tanto por difusión como por convección (tormentas, etc.). Sin embargo, otros sistemas que dependen de otras formas de energía para causar estados no mixtos, es decir, patrones de viento y corrientes oceánicas, dependen del flujo de energía solar y el flujo de energía geotérmica, respectivamente. La razón exacta dependería de la situación real. Por supuesto, esta puede no ser la respuesta detallada que está buscando, pero solo estoy exponiendo el concepto general.

Mecanismo de mezcla : en primer lugar (como todos sabemos), la mezcla no es un fenómeno atómico o nuclear. Ocurre cuando las moléculas de un fluido ocupan su lugar en alguna posición intersticial entre las moléculas de otro fluido. La razón por la que mencioné "fluido" es porque los átomos (o moléculas o lo que sea) son libres de moverse en los fluidos. En el caso de los sólidos, esto no sucede. Porque las moléculas se mantienen tan apretadas que no permitirán que ninguna otra molécula (ni siquiera la propia) venga y ocupe la posición a menos que se vea afectada por la presión, la temperatura, etc.

¿Qué sucede en realidad? Prácticamente, es imposible que dos líquidos de diferentes densidades hagan un límite natural entre ellos. Como dijo John, alguna fuerza externa puede ayudar a que las moléculas de un líquido se difundan a través del otro muy fácilmente . Gases (no hay problema), no requieren ninguna fuerza porque se esparcen por todas partes. La diferencia se debe a que las fuerzas intermoleculares que existen entre las moléculas líquidas son algo más altas que las de los gases. Esto hace que el proceso de difusión sea más lento en los líquidos que en los gases. (en realidad, expresado por @tpg y estoy de acuerdo con eso)

Cuando mezclas dos líquidos en un tazón, las moléculas obtienen la fuerza necesaria para difundirse, ya sea por agitar el tazón o si lo revuelves. Una cosa hay que señalar que este fenómeno depende necesariamente de la superficie. En un recipiente, el área ocupada por los líquidos es mucho menor. Y por esta razón, la fuerza podría empujar fácilmente las moléculas simultáneamente.

En el caso de los mares (u océanos), la fuerza no puede empujar y empujar y empujar las moléculas para siempre ... Tienen que desaparecer en algún momento. Además, no se podía esperar una fuerza tan tremenda en los océanos. Por eso John mencionó "calma". Lamentablemente, no hay nadie para agitar los mares. Si tomamos la ciencia ficción en nuestro tema y asumimos que un terremoto 20 Richter ( imposible ) bajo el océano para hacer nuestro trabajo, habría suficiente fuerza para conseguir agua turbia.