涡流扩散

涡流扩散（Eddy diffusion）也称为紊流扩散（turbulent diffusion）是流体力学中流体物质因为涡流运动（英语：eddy motion）而混合的过程。涡流是紊流下的结果，可以小到科莫微尺度（英语：Kolmogorov microscales），也可以大到像海洋环流。涡流扩散的理论最早是由杰弗里·泰勒所提出的。

涡流扩散的模拟，将黑色的流体元素在白色流体中的扩散^[1]

在层流中的材料性质（盐度、热、湿度、气溶胶）是因为分子的随机运动所混合的。依照纯乱数的观点，高浓度区到低浓度区的分子通量会比反方向（低浓度区到高浓度区）的要多。随着时间，这种下降梯度的流量会平衡流体中的浓度分布。此现象称为分子扩散，可以用扩散方程说明其数学概念。

紊流中混合流体的作用，除了分子扩散外，也包括涡流的搅拌（stirring）。这会使得不同位置，有不同浓度的流体质点，穿透到不同浓度的流体区域中。流体性质均一化的程度会比单纯涡流搅拌的范围大很多，此方法要比因个别分子运动而造成的混合要有效率。在大部分自然界的巨观流场中，涡流扩散的强度要比分子扩散大几个数量级。因此在研究紊流时常会省略分子扩散。

有关大气或是更大尺度的涡流扩散，主要的问题是没有从基础物理产生的单一模型可以解释所有重要的性质。依用途的不同，有二种研究的方式。依照梯度运输理论，流体中一固定点的扩散通量会和局部浓度梯度成正比。此理论在本质上是欧拉（Eulerian）描述，描述在空气中固定座标系统的流体性质。相对的，统计扩散理论会跟着流体粒子的运动，属于拉格兰日（Lagrangian）描述。此外，计算流体力学的分析也会依假设的粒子运动方式，分成连续运动理论以及不连续运动理论。

大气建模者一般都会将大气的混合视为“涡流”的扩散程序。依此研究方式，各压力等级的扩散速度会用一个称为涡流扩散系数（eddy diffusion coefficient）K^[2]来建模，涡流扩散系数有时也称为涡流扩散率（eddy diffusivity），单位${\displaystyle m^{2}s^{-1}}$。

发展史

涡流扩散的理论最早是发展于1910年代末期，由英国科学家杰弗里·泰勒^[3]、路易斯·弗莱·理查德森^[4]和奥地利的W. Schmidt所发展，是直接扩展分子扩散的经典理论。他们认为涡流的质量效果完全类似分子扩散的效果，唯一的差异只是数量级的差异。这个称为是“梯度模型”，此一名称是因为扩散通量和浓度的梯度成正比，就像分子扩散的情形。

后来1930年代时，由Graham Sutton为主的科学家进行研究，指出原始研究法的一些问题，也发现紊流流体的涡流结构和静止流体的分子结构之间的差异超过一个数量级^[5]。

后续的数十年间，许多的研究都在实验数据上证实了涡流扩散，包括大气以及海洋/湖泊水体的研究，大部分的结果都和原始理论一致。特别是在紊流水体中异物扩散的实验^[6]、湖泊中水的垂直结构^[7]以及大气层的最底层结构^[8]都在实验上证实 涡流扩散比分子扩散要强很多，大致上符合杰弗里·泰勒一开始提出的理论，不过仍存在原始梯度理论的反例。

目前的研究着重在涡流扩散对大气以及海洋已知过程的影响。为了完整叙述这些过程，已经在原有理论的基础上发展新的模型及理论。其中，这些研究包括了用涡流扩散机制解释已知的过程，例如气溶胶沉积^[9]、大气层上层的内部重力波^[10]、南极绕极流^[11]中的深海涡流扩散及浮力^[12]，浮力是提供混合层表面的营养补给的动力来源^[11]。