Published July 1982 | Version v1
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Effect of the bubbles created by breaking waves on the mass transfer at the air-sea interface

  • 1. Centre d'Etudes Nucleaires de Saclay, Division d'Etudes de Separation Isotopique et de Chimie Physique, Departement de Physico-Chimie, Service de Photophysique et de Photochimie (France)

Description

In this report, a study of the effect of the bubbles created by breaking waves at high wind speeds in the mass transfer mechanisms is attempted. A first part presents the results of experiments run with N2O and Argon in the I.M.S.T. facility in Marseilles. A significant increase of the transfer velocity is observed as soon as the breaking waves appear. Thus, in the second part, the dynamics of a bubble and the diffusion of a trace gas through a bubble is undertaken and the role of some parameters (solubility, radius, frequency of the dominant wave) is shown. In the last part, a modelling of the mass transfer taking into account the bubbles is developed and applied to the experimental results presented in the first part. The main conclusions of this report are the following: - Far from the equilibrium, the transfer velocity is independent of the gradient of concentrations and increase when the solubility becomes low. - In the natural conditions, the transfer velocity varies a lot with the gradient of concentrations and can be negative. - The actual equilibrium is reached for an over saturation of the water as the flux bubbles → water must be balanced by the flux water → air. This over saturation is more important when the gas is less soluble. (author)

Abstract (French)

Le sujet du rapport consiste en une etude des mecanismes de transfert de masse a l'interface air-eau, plus particulierement dans le domaine des fortes vitesses de vent, lorsqu'apparait le deferlement, responsable de la creation de bulles au sein du milieu liquide. Une premiere partie presente et discute les resultats experimentaux obtenus avec le protoxyde d'azote et l'argon, gaz neutres dans l'eau, dans la soufflerie de l'IMST de Marseille. Le phenomene important resultant de ces experimentations est l'augmentation brutale de la vitesse de transfert a hautes vitesses du vent, qui semble etre concomitante avec le developpement du deferlement. Par la suite, une etude de l'influence du milieu diphasique est donc entreprise. Ainsi, la deuxieme partie etudie la dynamique d'une bulle et la diffusion d'un gaz traceur a travers celle-ci, lorsqu'elle se trouve dans un liquide au repos ou soumis a un champ de vagues. On montre ainsi que: - une bulle s'appauvrit en gaz dont le produit S√D (S = solubilite, D = diffusion moleculaire) est le plus eleve - les bulles de rayon important sont d'autant plus efficaces pour le transfert que le gaz est soluble - la presence d'un champ de vagues augmente le transfert, ceci d'autant plus que la frequence de l'onde dominante est faible. Enfin, une troisieme partie developpe un modele de transfert qui tienne compte de l'existence de bulles au sein du liquide et l'applique aux experiences presentees en premiere partie. Les trois idees fondamentales qui ressortent de cette etude sont les suivantes: - loin de l'equilibre, la vitesse de transfert est independante du gradient de concentration et est d'autant plus grande que le gaz est moins soluble, - dans les conditions naturelles (pres de l'equilibre), la vitesse de transfert peut etre faible et se trouve dans une zone de grande variabilite en fonction du gradient de concentration: il n'existe donc pas de relation simple et univoque entre kL et la vitesse du vent u, - la situation d'equilibre s'observe lorsque le flux bulle → liquide est compense par le flux liquide → air. Par suite, elle necessite une sursaturation de l'ocean. On montre que celle-ci est d'autant plus importante que le gaz considere est peu soluble. (auteur)

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Original title (French)
Influence de la formation de bulles creees par le deferlement sur le transfert de masse a l'interface air-eau

Publishing Information

Imprint Pagination
172 p.
Report number
CEA-N--2306

Optional Information

Notes
31 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses