安定層と不安定層

流体の安定した成層は、各層の密度がその下の層よりも低い場合に発生します。不安定な成層は、各層の密度がその下の層よりも高い場合に発生します。

浮力は安定した成層を維持する傾向があり、上層は下層の上に浮かびます。一方、不安定な成層では、浮力によって対流が発生します。密度の低い層は上の密度の高い層を通り抜けて上昇し、密度の高い層は下の密度の低い層を通り抜けて沈みます。層の密度が変化すると、成層はより安定したり、より不安定になったりします。関連するプロセスは、多くの科学および工学分野で重要です。

層の密度が変化すると、安定した成層が不安定になることがあります。これは、外部の影響によって発生することがあります (たとえば、淡水レンズから水が蒸発して塩分と密度が高くなる場合や、鍋や層状の飲み物が下から加熱されて最下層の密度が低くなる場合など)。ただし、内部の熱拡散 (温かい層が隣接する冷たい層をゆっくりと加熱する) やその他の物理的特性によって発生することもあります。これにより、多くの場合、界面で混合が発生し、新しい拡散層が作成されます (コーヒーとミルクの写真を参照)。

時には、 2 つの物理的特性(たとえば、塩分と温度) が同時に層間で拡散することがあります。これにより、拡散層が形成されたり、拡散層の表面が波打って上下に伸びる層の「指」ができると、 塩のフィンガーリングが形成されることがあります。

すべての混合が密度の変化によって引き起こされるわけではありません。他の物理的な力も安定成層層を混合することがあります。波しぶきと白波（波の上の泡立つ白波）は、それぞれ空気に水が混ざり合った例、空気に水が混ざり合った例です。激しい嵐のときには、空気と水の境界が不明瞭になることがあります。これらの風の波の一部はケルビン・ヘルムホルツ波です。^[1]

層間の速度差の大きさと密度のコントラストの大きさに応じて、ケルビン・ヘルムホルツ波は異なって見えることがあります。たとえば、2 つの空気層または 2 つの水層の間では、密度の差ははるかに小さく、層は混和します。白黒のモデル ビデオを参照してください。

成層は惑星科学ではよく見られます。

太陽エネルギーは可視光線として空気中を通過し、地面に吸収され、熱放射として再放射されます。そのため、下層大気は下から加熱されます（オゾン層での紫外線吸収により、オゾン層が内側から加熱されます）。そのため、屋外の空気は通常、不安定に成層化して対流し、風を生み出します。気温逆転現象は、下層大気の領域が安定して成層化し、動きが止まるときに発生する気象現象です。^{[2] [3]}

一方、海洋は上から熱せられ、通常は安定して成層しています。極付近でのみ、最も冷たく塩分濃度の高い水が沈みます。深層海水は内部混合（二重拡散^[4]の一種）によってゆっくりと温まり、淡水化し、その後再び表面に戻ります。

例:

• 成層（水）
  • 海洋成層、海洋の温度と塩分濃度に基づく水層の形成
  • 湖の成層化。季節的な気候の中で春と秋に混合し、温度に基づいて水層が形成される現象。
• 大気の不安定性
• 大気の成層、地球の大気の上層部が安定的に成層した層に分割されること
• 大気の不安定な成層によって生じる大気循環
• 熱塩循環、安定した成層にもかかわらず海洋で起こる循環。
• 成層流（ジブラルタル海峡の流れなど）

工学的応用においては、安定した成層や対流が望ましい場合とそうでない場合があります。いずれの場合も、意図的に操作することができます。成層は流体の混合に大きな影響を与える可能性があり、^[5]これは多くの製造プロセスで重要です。

• 床暖房は室内の空気の不安定な成層を意図的に作り出します。
• パッシブ冷却は、安定した成層を選択的に促進したり破壊したりすることで部屋を冷却します。