Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Bởi: PGS. TS. NGƯT Phạm Văn Huấn 4.1. Cân nhiệt đại dương Đại dương Thế giới “bình tích nhiệt khổng lồ” hành tinh chúng ta. Nhờ trình động lực nước khí quyển, lượng nhiệt phân bố lại mặt Trái Đất. Nguồn nhiệt mà đại dương nhận xạ Mặt Trời. Nước đại dương nhận nhiệt từ hấp thụ phát xạ sóng dài khí quyển, phần nhiệt nước sông mang vào giáng thủy. Ngoài nguồn nhiệt vào đại dương từ trình ngưng tụ nước tạo băng, trình hóa sinh địa nhiệt đáy đại dương đóng góp phần vào nguồn thu nhiệt đại dương. Phần nhiệt hấp thụ lượng xạ tia vào biển mặt đại dương: lớp nước mặt cm hấp thụ gần 25 % xạ Mặt Trời, lớp m – 65 %. Nếu xáo trộn rối, tầng sâu thực tế không nhận nhiệt. Trạng thái nhiệt đại dương bị quy định nguồn nhiệt mà nhận được, mà trình nhiệt. Những trình phát xạ nhiệt sóng dài, nhiệt bốc hơi, dẫn nhiệt tiếp xúc với khí chuyển động đối lưu. Khi nghiên cứu chế độ nhiệt biển, tính toán dự báo nhiệt độ nước biển người ta sử dụng rộng rãi phương pháp cân nhiệt. Phương trình cân nhiệt viết cho phận biển hay đại dương, lớp mặt biển, lớp hoạt động biển, vùng biển hay toàn biển nói chung. Phương trình cân nhiệt biểu thị cân bên cân nhiệt phận biển cần nghiên cứu bên tổng số hạng đặc trưng cho thu chi nhiệt. 1/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Sơ đồ cân nhiệt QC − lượng nhiệt biến đổi lớp nước; Qi − lượng nhiệt nội; A1,A2 − lượng nhiệt mang dòng chảy chuyển động rối ngang; Bo − dòng nhiệt bề mặt; Bh − dòng nhiệt độ sâu h; Fi − nhiệt bay hơi; Fa − trao đổi nhiệt rối đại dương khí quyển; FT − dòng nhiệt rối thẳng đứng Chẳng hạn, viết phương trình cân nhiệt mặt biển dạng: B = R ± LE ± P ± A, (29) B − cân nhiệt mặt biển; LE − lượng nhiệt bốc hay tỏa ngưng tụ ( L − nhiệt hóa hơi; E − tốc độ bay hay ngưng tụ); R − dòng nhiệt xạ (cân xạ); P − dòng nhiệt đối lưu mặt biển lớp sâu hơn. Phương pháp tính toán thành phần phương trình cân nhiệt đề cập nhiều chuyên khảo sách hướng dẫn. Phần lớn phương pháp dựa việc sử dụng tài liệu trắc xạ tài liệu quan trắc hải văn chuẩn tàu nghiên cứu biển. 4.2. Phân bố không gian nhiệt độ nước đại dương Phân bố địa lý nhiệt độ mặt Đại dương Thế giới kết cân nhiệt ảnh hưởng yếu tố khác phân bố không lục địa, hải lưu, khu vực gió ổn định . Để có khái niệm phân bố nhiệt độ mặt Đại dương Thế giới, người ta dựng đồ nhiệt độ mặt đại dương đồ dị thường nhiệt độ mặt đại dương. Dị thường nhiệt độ hiệu giá trị trung bình năm nhiệt độ giá trị chuẩn vĩ tuyến (giá trị chuẩn vĩ tuyến lấy trung bình vĩ tuyến nửa phía nam Đại dương Thế giới. 2/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Trên đồ bật lên ba đặc điểm sau phân bố địa lý nhiệt độ mặt đại dương, cho phép kết luận phân bố nhiệt độ mặt đại dương có tính chất đới – khu vực: a) Những khác phần tây đông đại dương vĩ độ thấp trung bình: phần phía tây đại dương thuộc vùng vĩ độ trung bình quan sát thấy dị thường dương, phần phía đông – dị thường âm. Ở vĩ độ thấp tình hình có xu hướng ngược lại. Nguyên nhân đặc điểm chuyển động xoáy nghịch chí tuyến (cận nhiệt đới) đại dương tạo nên; b) Khác phần Đại Tây Dương - Ấn Độ Dương phần Thái Bình Dương vòng nước Nam Cực: phần Thái Bình Dương dị thường nhiệt độ dương phần Đại Tây Dương Ấn Độ Dương dị thường âm. Điều giải thích vị trí lệch tâm lục địa Nam Cực; c) Những dị thường nhiệt độ cao khác thường phần bắc Đại Tây Dương có nguyên nhân vận chuyển nhiệt mạnh mẽ hệ hải lưu Gơnxtrim nhánh nó. Nhiệt độ trung bình năm toàn mặt Đại dương Thế giới 17,5o (lớn nhiệt độ trung bình khí hậu Trái Đất 3o). Ở Đại Tây Dương nhiệt độ trung bình năm mặt nước 16,5o, Ấn Độ Dương 17,3o, Thái Bình Dương 19,4o, Bắc Băng Dương 0,75o. Vành đai nhiệt xích đạo Trái Đất khoảng 5-10 oV.B. Những nơi nhiệt độ trung bình cao biển Đỏ, vịnh Pếch Xích 35,6o, nơi nhiệt độ trung bình thấp biển cực thuộc Bắc Băng Dương – không nhỏ − ° . Biên độ chênh lệch toàn Đại dương Thế giới 40o, chênh lệch nhiệt độ không khí lục địa tới 140o. Càng xuống sâu, khác nhiệt độ vùng giảm đi. Ở đáy đại dương nhiệt độ nước nhau, thay đổi từ 0o đến cực đến 2o vùng xích đạo. Trong phân bố thẳng đứng (phân bố theo độ sâu) nhiệt độ nước biển có nhận xét sau: tổng quát xuống sâu nhiệt độ giảm; tốc độ giảm khác vĩ độ khác cấp đoạn độ sâu khác nhau; giảm độ sâu khác nhân tố bình lưu quy định. 3/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Các đường đặc trưng biến đổi nhiệt độ theo chiều thẳng đứng Ở phần lớn vùng Đại dương Thế giới nằm 50 oV.B 45 oV.N nhiệt độ giảm theo độ sâu tới độ sâu 4000 m, đó: khoảng – 500 m giảm nhanh, tới 1500 m tốc độ giảm nhỏ nhiều, 1500 m giảm chậm, có không giảm, khoảng 3000 – 4000 m nhiệt độ xấp xỉ +2 − ° , 4000 m nhiệt độ thường tăng trình đoản nhiệt dòng nhiệt qua đáy. Ở vĩ độ trung bình vĩ độ cao biến đổi nhiệt độ theo độ sâu thân nhiệt độ mặt không cao mặt nung nóng mùa hè hơn. Đặc điểm biến đổi nhiệt độ theo độ sâu vùng giáp cực khoảng – 100 m nhiệt độ giảm, sau lại tăng lên nước ấm mặn vĩ độ trung bình vận chuyển lên đạt cực đại 200 – 500 m, sau lại giảm chậm sát đáy. Các tính toán cho thấy nhiệt độ trung bình năm khối nước đại dương 3,8o, chí xích đạo cột nước từ mặt tới đáy có nhiệt độ trung bình 4,9o. Trong tất dạng phân bố thẳng đứng vừa nêu trên, tùy thời gian năm, tồn lớp nhảy vọt nhiệt độ nhiệt độ giảm nhanh theo độ sâu (lớn 0,1 độ/m). Lớp nhảy vọt nhiệt độ thường bắt đầu xuất vào mùa xuân, lớp mặt nước bị nung nóng, xuất lớp đột biến nhiệt độ gần mặt biển (gọi nêm nhiệt mùa). Khi độ đốt nóng lớp nước mặt tăng lên cộng với xáo trộn sóng, nhiệt truyền xuống lớp dưới, lớp đột biến nhiệt độ chìm xuống sâu građien 4/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương thẳng đứng nhiệt độ lớp tăng lên, tới vài độ mét. Lớp nhảy vọt nhiệt độ có cường độ (građien nhiệt độ lớp) lớn vào mùa hè. Mùa thu mặt biển bắt đầu nguội lạnh dần, mật độ nước mặt tăng lên làm phát sinh trình đối lưu thẳng đứng gây nên xáo trộn đối lưu. Mặt biển nhiệt mạnh vào thời kỳ mùa đông làm cho xáo trộn đối lưu đạt đến độ sâu 200-300 m. Từ độ sâu trở xuống thực tế dao động nhiệt độ năm. Lớp nước gần mặt với biên khoảng độ sâu 200-300 m, nơi dao động nhiệt độ năm, gọi lớp hoạt động biển. 4.3. Biến động thời gian nhiệt độ nước biển Trong hải dương học dự báo biển người ta phân biệt dao động nhiệt độ nước biển theo ngày, theo năm nhiều năm. Dao động ngày nhiệt độ nước mặt đại dương vùng khơi thường không 1o, trừ dải ranh giới dòng chảy nóng lạnh, nhiệt độ biến đổi vài độ, có tới 10o vòng vài giờ. Dao động ngày tồn lớp nước mỏng sát mặt, lớp xáo trộn gió. Biên độ dao động năm nhiệt độ nước mặt (hiệu nhiệt độ tháng nóng tháng lạnh nhất) đạt giá trị lớn đáng kể, tới 10-18o vĩ độ 40 oV.B 30-40 oV.N đạt giá trị nhỏ vùng cực xích đạo 2o. Dao động năm đạt tới độ sâu lớn nhiều so với dao động ngày, tức đến biên lớp hoạt động biển. Mức độ giảm biên độ dao động dịch pha dao động (xê dịch thời gian cực đại nhiệt độ) tùy thuộc vào lượng nhiệt Mặt Trời mà lớp nước hấp thụ, cường độ truyền nhiệt rối theo phương thẳng đứng, vùng tiếp giáp hải lưu nóng lạnh – phụ thuộc vào xáo trộn ngang. Trường hợp đơn giản nhất, truyền dao động nhiệt độ xuống lớp sâu phụ thuộc vào hấp thụ nhiệt mặt, tức nhiệt độ t0 mặt dao động năm theo quy luật đơn giản: 2π t0 = A0cos τ τ (trong A0 − biên độ biến trình nhiệt độ năm mặt; τ0 − chu kỳ dao động 12 tháng; τ − thời gian) hệ số truyền nhiệt độ rối K không đổi toàn lớp hoạt động, tức trường hợp thỏa mãn phương trình truyền nhiệt: ∂t ∂τ =K ∂2 t ∂ z2 , (30) z − độ sâu, biến trình nhiệt độ năm tầng sâu thể nghiệm: t(z) = A0e − √ π z τ0K cos (√ π τ0K z− 2π τ0 τ ). (31) 5/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Như biên độ dao động nhiệt độ độ sâu z giảm so với biên độ dao động nhiệt độ mặt theo quy luật hàm mũ: A(z) = A0e − √ π z τ0K (32) độ dịch pha dao động độ sâu z so với mặt bằng: ϕ= √ π τ0K z. (33) Những biểu thức sở phương pháp gián tiếp để tính hệ số truyền nhiệt độ rối K hải dương học, quan trắc biến đổi biên độ pha dao động nhiệt độ theo độ sâu biển, chẳng hạn phương pháp Phurie-Smit. Bằng phương pháp phân tích chuỗi quan trắc nhiều năm nhiệt độ nước, nhà khoa học phát dao động nhiệt độ nước vùng khác Đại dương Thế giới với chu kỳ nhiều năm nguyên nhân gây nên dao động đó. Chẳng hạn, Suleikin xây dựng hệ thống tự dao động thủy vực Bắc Băng Dương – Bắc Đại Tây Dương để giải thích dự báo biến động chu kỳ 3,5 năm hệ thống này. Còn Đuvanhin xác định chu kỳ dao động nhiệt độ mực nước 2,5 năm liên quan tới cường độ vận chuyển khí Bắc Đại Tây Dương. Ngoài biến động cỡ trung bình cỡ lớn đây, đại dương quan trắc biến động thời gian cỡ nhỏ vi mô nhiệt độ với biên độ lớn khoảng thời gian cỡ phút. Hiện việc quan trắc, nghiên cứu biến động loại có giá trị to lớn lý thưyết mà thực tiễn. 4.4. Phân bố độ muối đại dương Từ chương biết độ muối đại dương có tính chất nguyên thủy. Ngày nhờ kết hợp lượng chất khoáng dòng lục địa mang vào đại dương trình di chuyển biến hóa phức tạp hợp chất hóa học mà nước biển hình thành chế độ muối tương đối ổn định. Những nguyên nhân làm giảm độ muối phận dòng nước (sông) vào, tăng lượng giáng thủy mặt, tan băng vận chuyển lượng nước mặn từ vĩ độ cao xuống dòng chảy. Góp phần làm tăng độ muối có trình bốc từ mặt biển, nơi với nhiệt độ không khí cao cường độ gió lớn. Sự tạo băng kèm theo trôi băng nơi khác, vận chuyển nước mặn từ vùng nhiệt đới làm tăng độ muối. 6/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Về đại thể, đại dương độ muối lớp nước mặt phân bố tương đối đồng theo vĩ tuyến, tức có tính đới. Ở phần khơi đại dương, độ muối đạt cực tiểu vùng xích đạo cực đại gần 20 oV.B V.N. Càng lên phía cực độ muối giảm đạt giá trị nhỏ vùng cực. Quy luật phân bố có liên hệ chặt chẽ với hiệu bốc giáng thủy. Tính chất phân bố đới bị phá hủy số khu vực ảnh hưởng hải lưu, đặc biệt Bắc Đại Tây Dương, nơi Gơnxtrim dòng chảy Bắc Đại Tây Dương mang nước ấm, mặn từ nhiệt đới lên vĩ độ cao. Ở lớp sâu, độ muối khác với độ muối mặt đại dương biến đổi theo phương ngang không giống biến đổi mặt. Thí dụ, vùng xích đạo Đại Tây Dương Thái Bình Dương, lớp nước mặt, độ sâu khoảng 100-200 m quan sát thấy lớp nước có độ muối cao dòng chảy nghịch tầng sâu với nước từ vùng chí tuyến mang tới. Các đường đặc trưng biến đổi độ muối theo chiều thẳng đứng Sự phân bố độ muối theo phương thẳng đứng không giống vĩ độ khác nhau. Sự khác biệt chủ yếu thể khoảng độ sâu từ mặt tới 1500 m. Ở Sâu độ muối gần không biến đổi vĩ tuyến. Người ta phân biệt số dạng phân bố thẳng đứng độ muối như: dạng cực, dạng cận cực, dạng ôn – nhiệt đới, dạng xích đạo nhiệt đới v.v . Trong số phân bố đo có dạng phân bố cực cận cực đặc trưng lớp nhảy vọt độ muối gần mặt với građien thẳng đứng đạt tới 1-2 %o 100 m. Còn dạng khác tăng độ muối theo độ 7/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương sâu chậm tồn cực đại, cực tiểu khoảng độ sâu – 1500 m. Dao động năm độ muối (hiệu độ muối trung bình tháng tháng với độ muối lớn tháng với độ muối nhỏ nhất) không đáng kể, không vượt 0,2 %o mặt 0,04 %o 2000 m. Riêng vùng cực, nơi mùa hè tan băng, dao động năm đạt tới 0,7 %o. Tất đặc điểm nêu với vùng khơi đại dương. Đối với biển vùng ven bờ, sát bờ, độ muối có độ bất đồng không gian lớn nhiều độ biến động thời gian rõ rệt, điều đối tượng nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn hải dương học dự báo đánh bắt hải sản. 4.5. Khái niệm khối nước đại dương phương pháp phân tích khối nước Trong đại dương liên tục diễn trình trao đổi lượng vật chất, di chuyển xáo trộn, làm biến đổi hướng tới san đặc trưng lý, hóa, sinh học điểm đại dương. Tuy nhiên tồn khối nước lớn chiếm khoảng không gian kích thước cỡ đại dương biển trì thời gian dài tính đồng tương đối đặc trưng hình thành vùng địa lý định. Những đặc trưng lý hóa thường sử dụng để phân biệt khối nước với nhiệt độ độ muối chúng. Những yếu tố khác oxy hòa tan, độ suốt tương đối, số thủy sinh dùng hơn. Một phương pháp phân tích khối nước sử dụng nhiều phương pháp đường cong T − S dựa biểu đồT − Scủa trạm quan trắc hải văn. Biểu đồ T − S hệ trục vuông góc có tọa độ nhiệt độ T độ muối S, ghi độ sâu quan trắc ứng với nhiệt độ độ muối quan trắc được. Nếu số điểm hay số tầng sâu gần có loại nước (một khối nước) ngự trị, điểm, tầng sâu quan trắc biểu thị điểm biểu đồ T − S. Còn điểm hay tầng sâu khác, nơi ngự trị khối nước khác, biểu thị biểu đồ T − S điểm khác. Trên thực tế, biển tồn đồng thời hai số khối nước chúng xáo trộn với nhau. Những giá trị nhiệt độ độ muối nguyên thủy đặc trưng cho khối nước riêng biệt quan trắc thấy nhân nó, nơi cách xa với nhân khối nước bên cạnh. Còn điểm nằm khoảng hai nhân (trong trường hợp có hai khối nước xáo trộn) có giá trị nhiệt độ độ muối tương ứng với nước xáo trộn, tức giá trị nhiệt độ độ muối điểm xác định theo công thức xáo trộn: T' − TB TA − T ' = S' − SB SA − S ' = mA mB , 8/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương T' S' nhiệt độ độ muối hỗn hợp xáo trộn từ thể tích (hay khối lượng) mA loại nước A có nhiệt độ TA độ muối SA với thể tích (hay khối lượng) mB loại nước B có nhiệt độ TB độ muối SB. Biểu đồ xáo trộn T−S xáo trộn hai khối nước đồng Như vậy, cặp hai khối nước kế cận xáo trộn biểu thị biểu đồ T − S đoạn thẳng mà điểm mút nhân hai khối nước, điểm khác với khoảng cách tới đầu mút xác định theo tỷ số mA / mB tầng quan trắc trung gian nằm hai nhân (hình 15). Nếu có ba khối nước chồng lên nhau: khối nước A với nhiệt độ TA, độ muối SA; khối nước B với nhiệt độ TB, độ muối SB; khối nước C với nhiệt độ TC, độ muối SC, khối nước B (trung gian) có bề dày nhỏ nhiều so với khối nước nằm bên phía (trường hợp hay gặp nhất), giai đoạn khởi đầu chưa xáo trộn chúng biểu thị băng ba điểm riêng biệt A,B,C biểu đồ T − S (hình 16). Đến giai đoạn xáo trộn đó, khối nước trung gian biến đổi đặc trưng khắp bề dày, kết tương quan T − S đường gấp khúc ABC, mà đường cong nét đứt, chỗ lượn tương ứng với đặc trưng khối nước trung gian. 9/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Hình 16. Biểu đồ T − S xáo trộn ba khối nước đồng Một cách tổng quát, biến đổi nhiệt độ độ muối khối nước trao đổi rối theo phương thẳng đứng mô tả phương trình truyền nhiệt tương tự với phương trình khuếch tán muối: ∂T ∂t =K ∂2 T ∂ S , ∂ z2 ∂ t =K ∂2 S ∂ z2 , t − thời gian; z − độ sâu; K − hệ số trao đổi rối. Stôcman giải hệ phương trình với điều kiện ban đầu điều kiện biên trường hợp ba khối nước vừa nói thu kết quan trọng làm sở cho việc phân tích đường cong T − S để xác định đặc trưng khối nước xáo trộn. Sau kết luận Stôcman: 1) Vào thời điểm đầu xáo trộn, đương cong T − S đoạn thẳng gấp khúcgồm đoạn nối nhân khối nước với nhau; 2) Trên đường cong T − S điểm cực trị tương ứng với nhân khối nước trung gian; 3) Tại điểm đương cong T − S đủ cách xa biên khối nước trung gian, tiếp tuyến đường cong T − S thực tế trùng với đoạn thẳng nối nhân ba khối nước vào thời điểm đầu; 4) Những điểm đặc trưng cho tâm khối nước trung gian thời điểm tiếp sau nằm đường trung tuyến tam giác xáo trộn vẽ từ đỉnh tương ứng với khối nước trung gian; 5) Những điểm tương ứng với biên khối nước trung gian thời điểm xáo trộn nằm đường thẳng nối từ điểm cạnh đối khối nước trung gian đến điểm hai cạnh kia. 10/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Thí dụ phân tích đường cong T−S trung tâm Bắc Băng Dương Căn vào kết luận lý thuyết sử dụng quan trắc hải văn chuẩn trạm nước sâu để phân tích cấu trúc tầng nước xác định nhiều đặc trưng quan trọng khối nước có mặt trạm quan trắc cách tương đối đơn giản. Dưới thí dụ áp dụng kết luận phương pháp đường cong T − S để phân tích khối nước số trạm vùng trung tâm Bắc Băng Dương (hình 17). Sử dụng kết luận 2, dễ thấy đường cong T − S cho biểu diễn bốn khối nước, hai khối nước tương ứng với đoạn uốn cong đương cong (những điểm cực trị), hai khối nước khác tương ứng với điểm đầu điểm cuối đường cong. Các đặc trưng ban đầu khối nước xác định theo kết luận 3. Muốn cần vẽ đường tiếp tuyến với đoạn tương đối thẳng đường cong. Tọa độ giao điểm tiếp tuyến cho nhiệt độ T độ muối S khối nước trung gian trước xáo trộn. Dùng kết luận 4, vẽ tam giác xáo trộn trung tuyến chúng, ta xác định độ sâu đặc trưng khối nước trung gian. Những giao điểm trung tuyến với phần uốn cong đường cong tương ứng với tâm khối nước trung gian. Từ biết trị số T S độ sâu nội suy tầng sâu kế cận. Các độ sâu biên khối nước xác định theo kết luận 5. Muốn ta vẽ trung tuyến bên tam giác xáo trộn. Những giao điểm chúng với đường cong tương ứng với biên khối nước. 11/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Kết ta có đặc trưng bốn khối nước có mặt trạm sau: khối nước lạnh mặt bị nhạt nhiều băng tan vào mùa hè với nhiệt độ -1,70 độ muối 31,0 thời điểm quan trắc, dày 40 m. Dưới lớp nước gần mặt lạnh mặn đối lưu mùa đông, có nhân 84 m, biên 40 m, biên 170 m, trước xáo trộn có nhiệt độ -1,80, độ muối 34,15, vào thời điểm quan trắc nhiệt độ -1,65 độ muối 34,08. Lớp nước ấm Đại Tây Dương có nhân 275 m, nằm độ sâu từ 170 đến 690 m với nhiệt độ độ muối ban đầu tương ứng la 2,90 34,95, vào thời điểm quan trắc 2,12 34,85. Loại nước sâu Bắc Băng Dương với nhiệt độ -0,67 độ muối 34,85 vào thời điểm quan trắc chiếm độ sâu từ 690 m đáy. 4.6. Sự xáo trộn nước biển Ở mục trước thấy biển đại dương luôn diễn trình hấp thụ xạ nhiệt, giáng thủy bốc hơi, biến động dòng lục địa v.v . trình lại không đồng phận độ sâu khác đại dương làm cho đặc trưng vật lý phân bố không đồng đều, gây nên tính bất đồng trường đặc trưng vật lý, xuất građien đặc trưng theo phương ngang lẫn phương thẳng đứng. Ngược lại, biển luôn tồn dạng chuyển động làm xáo trộn nước biển, làm cho đặc trưng vật lý phân bố lại. Tồn xáo trộn phân tử, xáo trộn đối lưu xáo trộn rối. 4.6.1. Xáo trộn phân tử Như trước nói, xáo trộn phân tử chuyển động hỗn loạn phân tử nước, làm đồng tính chất theo phương. Được biết xáo trộn phân tử có cường độ yếu, đóng vai trò đáng kể trình phân bố lại đặc trưng hải dương học biển. 4.6.2. Xáo trộn đối lưu Trong nước biển xáo trộn đối lưu có quy mô lớn nhiều so với xáo trộn phân tử. Quá trình xảy mật độ nước biển lớp nước mặt lớn so với lớp dưới, nước lớp mặt chìm xuống, nước lớp lên để bù lại, kết nước bị hòa trộn tính chất vật lý san bằng. Để xuất xáo trộn đối lưu, đòi hỏi nhiệt độ độ muối lớp mặt phải biến đổi cho mật độ trở nên lớn mật độ lớp dưới. Trong tính toán đối lưu cần ý tượng “cô đặc” xáo trộn tính phi tuyến mối phụ thuộc mật độ nước biển với nhiệt độ độ muối. 12/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Những vùng có tượng đối lưu mạnh mẽ thủy vực Bắc Băng Dương, biển nằm vĩ độ cao, nơi mật độ nước mặt tăng mạnh vào mùa thu đông độ muối tăng tạo băng lúc giảm nhiệt độ tăng độ muối làm tăng mật độ nước đáng kể. Ở biển nằm vĩ độ cao vĩ độ trung bình, dù không tạo băng mạnh mẽ, nhiệt độ mùa lạnh giảm mạnh phổ biến tượng đối lưu. Ở vùng nhiệt đới cận nhiệt đới trình đối lưu xảy tăng mạnh độ muối bốc hơi. Như tượng xáo trộn đối lưu phổ biến đại đa số vùng Đại dương Thế giới chủ yếu vào nưa lạnh năm, tạo thành chế độ đặc biệt gọi hoàn lưu thẳng đứng mùa đông. Kết đối lưu tạo đặc điểm quan trọng chế độ thủy văn biển đại dương tồn lớp đẳng nhiệt bề mặt dày cỡ vài chục đến vài trăm mét với nhiệt độ đồng toàn bề dày nhiệt độ mặt biển. Cường độ xáo trộn đối lưu, thể qua độ sâu lớp đẳng nhiệt bề mặt, lớn lớp nước mặt bị nhiệt nhiều vào thời kỳ thu đông. Lớp nước lớp đẳng nhiệt không tham gia vào hoàn lưu thẳng đứng mùa đông, độ muối thường lớn, bất chấp nhiệt độ lớn hay nhỏ lớp trên. Đến mùa nóng tiếp theo, lớp nước lạnh bề mặt bị nung nóng dần. Nhưng tùy thuộc vào lượng nhiệt truyền xuống sâu, có khả lớp nước lạnh mặt không hẳn vào cuối mùa nung nóng , trì tới mùa đông tiếp sau. Đó nguyên nhân tồn lớp nước lạnh trung gian, đặc điểm thủy văn nhiều biển vùng vĩ độ trung bình vĩ độ cao Đại dương Thế giới. Trong tính toán đối lưu người ta sử dụng rộng rãi sơ đồ Zubôp dựa vào phân bố nhiệt độ độ muối tầng sâu lớp hoạt động biển vào thời kỳ đầu thu lượng nhiệt mà biển bị vào khí thời kỳ thu đông. 4.6.3. Xáo trộn rối Trong chuyển động kiểu không tồn đường dòng rõ nét, trường vận tốc rối loạn không gian thời gian, xuất cuộn xoáy lôi tham gia lượng nước nhiều cỡ khác nhau, dòng lamina trở nên xáo trộn với nhau. Kết chế độ chuyển động làm cho tính chất nước biển trở nên rối loạn không gian thời gian. Khi nói đến tính xác định trường đặc trưng nước biển. Thành thử nghiên cứu xáo trộn nước biển trường hợp nghiên cứu diễn biến trường trung bình ổn định đặc trưng nước biển ảnh hưởng rối. Theo Reinôn, thành phân vận tốc thực theo hướng trục tọa độ x,y,z u,v,w xem tổng thành phần trung bình (với dấu gạch ngang đầu) thăng giáng rối (với dấu phảy) 13/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương ˉ ˉ ˉ u = u + u',v = v + v',w = w + w', T T T ˉ ˉ ˉ 1 u = T ∫ udt, v = T ∫ vdt, w = T ∫ wdt, với T khoảng thời gian lấy trung bình lấy lớn nhiều so với chu kỳ thăng giáng ˉ ˉ ˉ ˉ ˉ ˉ ˉ ˉ ˉ ˉ' ˉ' ˉ' u = u , v = v , w = w , u = v = w = 0. Muốn nhận phương trình chuyển động trung bình, người ta thay đại lượng thực phương trình chuyển động Navier-Stocks tổng thành phần trung bình thành phần thăng giáng lấy trung bình phương trình đó. Trong trường hợp này, người ta nhận phương trình chuyển động Reinôn sau: ρ ( ˉ ∂u ∂t ˉ ∂ uˉ ˉ + u ∂x + v ˉ ∂u ∂y ) ˉ ∂ uˉ + w ∂z = − ˉ ∂P ∂x ˉ + μ∇ u + ¯ u −ρ ( ) ( ¯ ∂ + ∂ y − ρu'v' + ∂ ∂z ) ¯ − ρu'w' ; ∂ + ∂x 14/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương ρ ( ˉ ∂v ∂t ˉ ∂ vˉ ˉ + u ∂x + v ˉ ∂v ∂y ) ˉ ∂ vˉ + w ∂z = − ˉ ∂P ∂y ˉ + μ∇ v + ˉ ∂P ∂z ˉ + μ∇ w + ¯ v −ρ ( ) ¯ ∂ + ∂ z − ρv ' w ' ; ( ) ¯ ∂ + ∂ x − ρv'u' + ρ ( ˉ ∂w ∂t ˉ ∂ wˉ ˉ + u ∂x + v ˉ ∂w ∂y ∂ ∂y ) ˉ ∂ wˉ + w ∂z = − ¯ w −ρ ; ( ) ( ¯ ∂ + ∂ x − ρu'w' + ˉ ∂u ∂x + ˉ ∂v ∂y + ˉ ∂w ∂z ∂ ∂y ) ¯ − ρv ' w ' + ∂ ∂z = 0, ˉ ρ − mật độ nước biển trung bình; P − áp suất trung bình; μ − hệ số nhớt phân tử. So với phương trình Navier-Stocks, phương trình Reinôn có thêm ¯ thành phần dạng − ρu'v' biểu thị ảnh hưởng thăng giáng rối lên trường trung bình. Chúng gọi ứng suất rối thường ký hiệu sau: ¯ ¯ , − ρu'v' = τxy, − ρu'w' = τxz ¯ − ρu = τxx 15/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương v.v . để ứng suất tác động lên đơn vị diện tích mặt vuông góc với trục có tên trùng với số thứ hướng theo trục có tên trùng với số thứ hai ký hiệu đó. Hệ bốn phương trình chứa mười ba ẩn: áp suất, ba thành phần vận tốc trung bình chín ứng suất rối. Để loại trừ ẩn nảy sinh này, lý thuyết rối bán thực nghiệm người ta thường thiết lập mối liên hệ ứng suất rối với đặc trưng dòng trung bình. Chẳng hạn, Buxinet giả thiết tương tự ứng suất nhớt phân tử ứng suất rối pháp tuyến biểu diễn: ˉ ¯ ∂u − ρu'v' = A ∂ n , n − phương pháp tuyến mặt phẳng đơn vị truyền ứng suất theo phương tiếp tuyến. Công thức này, ta thấy, hoàn toàn giống công thức lực ma sát Newton mục 3.3 chương 3. Hệ số A có thứ nguyên hệ số nhớt phân tử η công thức gọi hệ số nhớt rối. Tuy nhiên, hệ số nhớt rối A số vật lý phụ thuộc vào chất nước biển η, mà phụ thuộc vào chủ yếu vào trạng thái chuyển động nước biển. Vì lại nảy sinh vấn đề xác định nó, liên hệ với trường vận tốc trung bình. Để làm việc đó, Prantơlơ giả thiết rằng, điểm dòng có thăng giáng vận tốc chuyển động rối dòng có khối chất lỏng tới điểm từ khoảng cách hướng ngang dòng (gọi khoảng cách xáo trộn – khoảng cách mà khối chất lỏng qua không thay đổi vận tốc trước va chạm vào khối chất lỏng điểm xét) mang theo độ chênh lệch vận tốc (được đặc trưng građien vận tốc trung bình). Tức viết: ˉ du ˉ du u' ≈ l1 dz , v' ≈ l2 dz , ˉ l1,l2 − khoảng cách xáo trộn; d u / dz − građien vận tốc trung bình theo hướng ngang dòng. Khi đó: ¯ ∣u'v'∣ = l2 ˉ du dz ( ) với l2 = 1ρ l1l2. ˉ Để nhấn mạnh đại lượng u'v' d u / dz có dấu, người ta viết dạng: ˉ ˉ ¯ du du u'v' = l2∣ dz ∣ dz . 16/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương Như vậy, so sánh với công thức Buxinet, người ta nhận được: ˉ du A = l2∣ dz ∣. Chúng ta thấy khoảng cách xáo trộn đại lượng xác định khó đo. Song khác với A, không phụ thuộc vào vận tốc trung bình, mà hàm vị trí điểm nghiên cứu. Thí dụ, nghiên cứu rối gần biên cứng, cho l tỷ lệ với khoảng cách từ điểm nghiên cứu tới biên. Carman lại đưa liên hệ khác A với đặc trưng dòng trung bình sau: A = χ2 ˉ du dz ( ), ˉ d2 u dz χ2 = 0,38 − số Carman. 4.7. Độ ổn định lớp nước biển theo phương thẳng đứng Nếu ngoại lực tác động, nước đại dương luôn trạng thái phân tầng cân bằng: lớp nước mật độ nhỏ nằm phía trên, lớp nước mật độ lớn nằm phía dưới, nói cách khác, mật độ nước biển tăng dần rừ mặt xuống đáy. Song có lực, trình làm xáo trộn lớp nước theo phương thẳng đứng, hạt nước bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng, từ tầng xuống tầng từ tầng lên tầng trên. Khi bị dịch chuyển cưỡng vậy, hạt nước biến đổi mật độ chúng biến đổi áp suất biến đổi nhiệt độ đoản nhiệt. Tùy thuộc vào mức độ phân tầng mật độ nước biển (do phân tầng nhiệt độ độ muối), mà xảy trường hợp sau đây: a) Nếu hạt nước từ tầng dịch chuyển lên xuống tầng mới, mà chênh lệch mật độ mật độ tầng cho phép tiếp tục dịch chuyển theo hướng cũ, người ta nói phân tầng nước biển cân bất ổn định. b) Nếu hạt nước từ tầng dịch chuyển tới tầng mới, mà chênh lệch mật độ nói không cho phép tiếp tục dịch chuyển theo hướng cũ, buộc phải quay vị trí cân tầng xuất phát, người ta nói phân tầng nước biển cân ổn định. 17/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương c) Nêus dịch chuyển tới tầng mới, mật độ không khác biệt với mật độ tầng mới, hạt nước dừng lại tầng tiếp tục chuyển động theo quán tính người ta nói phân tầng cân phiếm định. Như vậy, mức độ phân tầng có ảnh hưởng tới xáo trộn. Trong phân tầng ổn định, xáo trộn bị cản trở, ngược lại, phân tầng bất ổn định, xáo trộn xảy dễ dàng hơn. Để đánh giá định lượng điều kiện cân bằng, cần so sánh mật độ hạt nước xáo trộn với mật độ nước xung quanh. Giả sử độ sâu z áp suất p, nước có nhiệt độ T, độ muối S mật độ ρ, độ sâu z + dz áp suất p + dp, nước có nhiệt độ T + dT, độ muối S + dS mật độ ρ+ ∂ρ ∂ρ ∂ρ ∂ p dp+ ∂ T dT+ ∂ S dS. Nếu hạt nước từ độ sâu z dịch chuyển tới độ sâu z + dz mật độ biến đổi lượng ∂∂ pρ dp tác động trực tiếp áp suất lượng ∂∂ Tρ dξ biến đổi nhiệt độ đoản nhiệt lượng dξ, đó, bằng: ρ+ ∂ρ ∂ρ ∂ p dp+ ∂ T dξ. Hiệu mật độ nước xung quanh mật độ hạt nước xáo trộn δρ = ∂ρ ∂ T (dT − dξ) + ∂ρ ∂ S dS, cho thấy mức độ cân phân tầng nước. Nếu δρ > cân ổn định, δρ < − cân bất ổn định δρ = − cân phiếm định. Đại lượng E giá trị δρ đơn vị độ sâu, tức: E= δρ dz = ( ∂ ρ dT ∂ T dz − dξ dz ) + ∂∂ Sρ dSdz (34) hải dương học gọi độ ổn định nước biển theo phương thẳng đứng. Tính độ ổn định, phân tích biến đổi theo độ sâu trạm hải văn nước sâu có ý nghĩa to lớn nghiên cứu khối nước, phát biên giới khối nước có nguồn gốc khác nhau. Thông thường độ ổn định đạt giá trị lớn lớp nhảy vọt mật độ vào mùa nóng. Với độ sâu tăng lên, độ ổn định giảm giảm tới giá trị nhỏ độ sâu lớn. Những cực đại phụ độ ổn định thấy nơi tiếp giáp khối nước với đặc trưng nhiệt độ độ muối khác nhau. Các câu hỏi để tự kiểm tra 18/19 Chế độ nhiệt muối trình xáo trộn đại dương 1) Viết phương trình cân nhiệt mặt biển. 2) Những đặc điểm tổng quát phân bố địa lý nhiệt độ độ muối. 3) Thế lớp đồng nhiệt độ, lớp nhảy vọt nhiệt độ, lớp hoạt động nêm nhiệt? 4) Biến trình năm nhiệt độ độ muối nước biển. 5) Khối nước đại dương gì? 6) Biểu đồ T − S gì? 7) Các dạng xáo trộn nước biển. 8) Thực chất lý thuyết rối bán thực nghiệm. 9) Thế phân tầng ổn định, bất ổn định phiếm định. 19/19 [...]... độ ổn định đạt giá trị lớn nhất ở lớp nhảy vọt mật độ vào mùa nóng Với độ sâu tăng lên, độ ổn định giảm và giảm tới những giá trị rất nhỏ ở các độ sâu lớn Những cực đại phụ của độ ổn định có thể thấy ở những nơi tiếp giáp của các khối nước với những đặc trưng nhiệt độ và độ muối khác nhau Các câu hỏi để tự kiểm tra 18/19 Chế độ nhiệt muối và những quá trình xáo trộn trong đại dương 1) Viết phương trình. .. sao cho mật độ của nó trở nên lớn hơn mật độ các lớp dưới Trong khi tính toán đối lưu cần chú ý hiện tượng “cô đặc” khi xáo trộn do tính phi tuyến của mối phụ thuộc giữa mật độ nước biển với nhiệt độ và độ muối 12/19 Chế độ nhiệt muối và những quá trình xáo trộn trong đại dương Những vùng có hiện tượng đối lưu mạnh mẽ là thủy vực Bắc Băng Dương, các biển nằm ở những vĩ độ cao, nơi đây mật độ nước mặt... với nhiệt độ và độ muối ban đầu tương ứng la 2,90 và 34,95, còn vào thời điểm quan trắc 2,12 và 34,85 Loại nước sâu của Bắc Băng Dương với nhiệt độ -0,67 và độ muối 34,85 vào thời điểm quan trắc chiếm các độ sâu từ 690 m cho tới đáy 4.6 Sự xáo trộn của nước biển Ở các mục trước chúng ta đã thấy rằng trong biển và đại dương luôn luôn diễn ra những quá trình như hấp thụ và bức xạ nhiệt, giáng thủy và. .. biến ở đại đa số các vùng của Đại dương Thế giới và chủ yếu vào nưa lạnh trong năm, tạo thành một chế độ đặc biệt gọi là hoàn lưu thẳng đứng mùa đông Kết quả của đối lưu tạo ra một đặc điểm quan trọng trong chế độ thủy văn của các biển và đại dương là tồn tại lớp đẳng nhiệt bề mặt dày cỡ vài chục đến vài trăm mét với nhiệt độ đồng nhất trong toàn bề dày và bằng nhiệt độ trên mặt biển Cường độ xáo trộn. .. 17/19 Chế độ nhiệt muối và những quá trình xáo trộn trong đại dương c) Nêus khi dịch chuyển tới tầng mới, mật độ của nó không khác biệt với mật độ của tầng mới, thì hạt nước sẽ dừng lại ở tầng mới hoặc tiếp tục chuyển động theo quán tính và người ta nói rằng phân tầng cân bằng phiếm định Như vậy, mức độ phân tầng có ảnh hưởng tới sự xáo trộn Trong phân tầng ổn định, sự xáo trộn bị cản trở, ngược lại, trong. .. tại xáo trộn phân tử, xáo trộn đối lưu và xáo trộn rối 4.6.1 Xáo trộn phân tử Như trước đây đã nói, xáo trộn phân tử do các chuyển động hỗn loạn của các phân tử trong nước, làm đồng đều các tính chất của nó theo mọi phương Được biết rằng xáo trộn phân tử có cường độ yếu, ít đóng vai trò đáng kể trong quá trình phân bố lại các đặc trưng hải dương học trong biển 4.6.2 Xáo trộn đối lưu Trong nước biển xáo. .. trộn trong đại dương 1) Viết phương trình cân bằng nhiệt của mặt biển 2) Những đặc điểm tổng quát của sự phân bố địa lý của nhiệt độ và độ muối 3) Thế nào là lớp đồng nhất nhiệt độ, lớp nhảy vọt nhiệt độ, lớp hoạt động và nêm nhiệt? 4) Biến trình năm của nhiệt độ và độ muối nước biển 5) Khối nước đại dương là gì? 6) Biểu đồ T − S là gì? 7) Các dạng xáo trộn của nước biển 8) Thực chất của lý thuyết rối... mạnh vào các mùa thu đông do độ muối tăng khi tạo băng hoặc do cùng một lúc giảm nhiệt độ và tăng độ muối làm tăng mật độ nước rất đáng kể Ở các biển nằm ở vĩ độ cao và vĩ độ trung bình, dù không tạo băng mạnh mẽ, nhưng nhiệt độ mùa lạnh giảm mạnh cũng phổ biến hiện tượng đối lưu Ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới quá trình đối lưu chỉ xảy ra do tăng mạnh độ muối khi bốc hơi Như vậy là hiện tượng xáo trộn. .. gian Từ đó biết các trị số T và S và độ sâu được nội suy giữa các tầng sâu kế cận Các độ sâu của các biên của những khối nước xác định theo kết luận 5 Muốn vậy ta vẽ các trung tuyến bên của các tam giác xáo trộn Những giao điểm của chúng với đường cong sẽ tương ứng với các biên của các khối nước 11/19 Chế độ nhiệt muối và những quá trình xáo trộn trong đại dương Kết quả ta có những đặc trưng của bốn khối... sự xáo trộn xảy ra dễ dàng hơn Để đánh giá định lượng điều kiện cân bằng, cần so sánh mật độ của các hạt nước xáo trộn với mật độ của nước xung quanh Giả sử ở độ sâu z áp suất là p, nước có nhiệt độ T, độ muối S và mật độ ρ, còn ở độ sâu z + dz áp suất là p + dp, nước có nhiệt độ T + dT, độ muối S + dS và mật độ bằng ρ+ ∂ρ ∂ρ ∂ρ ∂ p dp+ ∂ T dT+ ∂ S dS Nếu hạt nước nào đó từ độ sâu z dịch chuyển tới độ . A 0 e − √ π τ 0 K z cos ( √ π τ 0 K z − 2π τ 0 τ ) . (31) Chế độ nhiệt muối và những quá trình xáo trộn trong đại dương 5/19 Như vậy biên độ dao động nhiệt độ ở độ sâu z giảm so với biên độ dao động nhiệt độ ở mặt theo quy luật. tăng độ muối theo độ Chế độ nhiệt muối và những quá trình xáo trộn trong đại dương 7/19 sâu chậm hơn hoặc có thể tồn tại những cực đại, cực tiểu trong khoảng độ sâu 0 – 1500 m. Dao động năm của độ. gian. Chế độ nhiệt muối và những quá trình xáo trộn trong đại dương 9/19 Hình 16. Biểu đồ T − S khi xáo trộn ba khối nước đồng nhất Một cách tổng quát, biến đổi của nhiệt độ và độ muối trong