Qui luật tuần hoàn vật chấtvà năng lượng Một trong những đặc điểm quan trọng và đặc trưng của Vỏ cảnh quan Trái đất là sự tồn tại ở đó những vòng tuần hoàn của vật chất và năng lượng có
Trang 1Qui luật tuần hoàn vật chất
và năng lượng
Một trong những đặc điểm quan trọng và đặc trưng của Vỏ cảnh quan Trái đất là sự tồn tại ở đó những vòng tuần hoàn của vật chất và năng lượng có liên quan tới vật chất đó Vai trò của chúng có ý nghĩa lớn trong việc duy trì và phát triển cảnh quan, bởi vì chúng đảm bảo sự lặp lại nhiều lần cùng một quá trình hay hiện tượng và hiệu quả tổng cộng cao với khối lượng có hạn của vật chất ban đầu tham gia vào các quá trình này
1 Khái niệm
Mỗi đối tượng vật chất đều chứa đựng năng lượng-đó là khả năng sinh công trong quá trình vận động Bởi vậy năng lượng được xem là động lực của mọi quá trình, làm biến đổi vật chất từ dạng này sang dạng khác
“Các nguồn năng lượng làm quay tuốc bin nhà máy thủy điện, làm quay cánh quát gió các cối xay gió hay đẩy các thuyền buồm đi tới, làm chạy máy móc khi ta đốt than hoặc xăng dầu, khi đốt để nấu nướng, sưởi ấm, v.v…chỉ là những năng lượng
mà trái đất giữ lại từ hai nguồn năng lượng chính nêu trên”
Năng lượng từ Mặt trời là nguồn năng lượng chính của mọi quá trình diễn ra trong
Vỏ cảnh quan Nguồn năng lượng này là động lực thúc đẩy sự trao đổi nhiệt trong
Trang 2khí quyển và trong thủy quyển, tạo nên sự cân bằng nhiệt trên trái đất và trả năng lượng dư thừa vào trong vũ trụ
Ngoài sự trao đổi năng lượng, còn đồng thời có sự trao đổi vật chất của các nguyên
tố hóa học với nhau, nhất là ôxi, hidrô, cacbon, nitơ v.v…ở nhiều qui mô khác nhau, tạo nên vô số vòng tuần hoàn năng lượng và vật chất hết sức đa dạng mà ta đã được biết như vòng tuần hoàn của nước, vòng tuần hoàn của đá, vòng tuần hoàn sinh vật, vòng tuần hoàn của không khí, vòng tuần hoàn của các hải lưu, vòng tuần hoàn của khí cacbonic, của đạm hay của oxi v.v…
2 Vòng tuần hoàn của đá
Bằng nghiên cứu các vết lộ đá ở nhiều vùng khác nhau, các nha khoa học địa chất
đã đi đến kết luận là các đá trong vỏ Trái đất tuân theo một hình mẫu được lặp đi lặp lại qua suốt các thời kỳ địa chất Chuỗi các sự kiện này được Hutton gọi là chu
kỳ địa chất hay vòng tuần hoàn của đá Mặc dù vòng tuần hoàn này không có điểm bắt đầu và kết thúc xác định, nhưng có thể khái quát như sau:
Trang 3Hình 1 Sự tuần hoàn của đá gồm: trầm tích-tạo đá trầm tích-biến đổi thành đá magma hay biến chất-tạo núi-bào mòn, vận chuyển và tích tụ trầm tích
- Trầm tích bở rời ban đầu được lắng đọng thành những lớp nằm ngang liên tục theo nguyên lý Steno
- Các lớp đá trầm tích bở rời dưới đáy bị chôn vùi và nén chặt tạo thành đá trầm tích-đó là quá trình thành đá
- Các đá trầm tích bị lún chìm sâu hơn, chịu nhiệt độ và áp suất cao hơn Trong điều kiện đó, đá bị biến dạng, các lớp có thể bị uốn cong hoặc nóng chảy tạo nên
magma-một chất lỏng do nóng chảy mà sau này nguội đi thành đá magma Magma cũng có thể được sinh ra không phải từ đá trầm tích Các đá cũng có thể bị biến đổi mạnh mẽ nhưng chưa tời điểm nóng chảy thì được gọi là đá biến chất
- Sự cộng sinh chặt chẽ của hiện tượng biến dạng, biến chất, hoạt động magma và các vòng đai núi cho thấy các hoạt động này liên hệ với nhau và chúng được hình thành trong quá trình tạo núi
- Các dải núi trồi lên chịu tác dụng của những tác nhân phá hủy như trọng lực, mưa gió, băng giá, núi dần dần hạ thấp do bào mòn
- Vật liệu trầm tích vụn bở do bào mòn được sông suối vận chuyển vào đại dương
và một vòng tuần hoàn mới lại tiếp tục ở một địa điểm khác
3 Vòng tuần hoàn của nước
Nước trên Trái đất tồn tại trong một khoảng không gian gọi là thủy quyển Khoảng không gian này phát triển đến độ cao 15 km trong bầu không khí và đi sâu xuống mặt đất khoảng 1 km trong thạch quyển Nước vận động trong thủy quyển qua những con đường vô cùng phức tạp cấu tạo thành vòng tuần hoàn của nước (còn gọi là chu trình thủy văn), hình 1
- Nước bốc hơi từ đại dương và lục địa trở thành một bộ phận của khí quyển
Trang 4- Hơi nước được vận chuyển vào bầu không khí bốc lên cao cho đến khi chúng ngưng kết và rơi trở lại mặt đất hoặc mặt biển
- Lượng nước rơi xuống mặt đất có thể bị ngăn giữ lại bởi thực vật, chảy trên mặt đất thành dòng tràn trên các sườn dốc, thấm xuống đất, chảy trong các tầng sát mặt đất và chảy vào các dòng sông thành dòng chảy mặt
- Phần lớn lượng nước bị giữ lại bởi thảm thực vật và dòng chảy mặt sẽ quay trở lại bầu khí quyển qua con đường bốc hơi
- Lượng nước thấm trong đất có thể thấm sâu hơn xuống các địa tầng bên dưới để cấp nước cho kho nước ngầm, sau đó xuất lộ thành các dòng suối hoặc chảy dần vào sông ngòi thành dòng chảy mặt và cuối cùng đổ ra biển hoặc bốc hơi vào khí quyển
Hình 2 Vòng tuần hoàn của nước với cân bằng nước trung bình năm toàn Trái đất
cho dưới dạng đơn vị tương đối so với 100 lượng mưa rơi trên lục địa
4 Vòng tuần hoàn sinh-hóa-địa
Trang 5Vòng tuần hoàn sinh-hóa-địa đóng vai trò lớn trong Vỏ cảnh quan Trong bước tiến triển của sự tuần hoàn này các chất vô cơ trong hệ sinh thái theo con đường từ ngoại cảnh chuyển vào cơ thể sinh vật, rồi từ cơ thể sinh vật chuyển trở lại ngoại cảnh
Vòng tuần hoàn sinh-hóa-địa là một trong những cơ chế cơ bản để duy trì sự cân bằng trong sinh quyển Các vòng tuần hoàn có vị trí quan trọng và được đề cập nhiều đó là vòng tuần hoàn của các nguyên tố chính như: carbon, nitơ và photpho
Có hai kiểu tuần hoàn sinh-hóa-địa:
Vòng tuần hoàn của các nguyên tố như cacbon, nitơ ở dạng khí trong khí quyển và trong cơ thể sinh vật sẽ trở lại ngoại cảnh tương đối nhanh
Vòng tuần hoàn của phôtpho, lưu huỳnh chủ chịu chi phối mạnh bởi tác động của những hiện tượng xảy ra trong tự nhiên (xói mòn, bồi tụ) và những tác động của con người
5 Vòng tuần hoàn trong khí quyển
Sự khác nhau về nhiệt độ giữa xích đạo và cực trong tầng đối lưu (qui luật địa đới)
và ảnh hưởng của lực Coriolit là nguyên nhân hình thành các vòng tuần hoàn trong khí quyển (còn gọi là các hoàn lưu) và chế độ hoạt động của nhiều loại gió:
- Vòng Hattley: Ở nhiệt đới, gió tín phong nóng ấm thổi từ hai chí tuyến về xích đạo, bốc lên cao (tạo nên hệ thống mây đặc trưng), đi về phía hai chí tuyến (trở nên khô nóng dần), rồi hạ xuống mặt đất trong khoảng vĩ độ 15o-30o và di chuyển về phía xích đạo tạo nên vòng tuần hoàn Hattlay
- Vòng Pheren: Ở vĩ độ trung bình từ 30o đến 65o, gió Tây ôn đới thổi từ hai chí tuyến về phía hai cực tạo nên vòng tuần hoàn Pheren
- Vòng tuần hoàn cực: Ở vùng cực, từ trên vĩ độ 65o, gió Đông thổi từ cực về tạo
Trang 6nên vòng tuần hoàn cực.
Như vậy hoạt động của gió tín phong, gió Tây ôn đới và gió Đông cực ở từng bán cầu đã tạo nên ba vòng tuần hoàn khép kín làm chuyển động toàn bộ khí quyển, tạo nên sự trao đổi nhiệt giữa xích đạo và hai cực, có tác động lớn đến khí hậu toàn Trái đất
Ngoài ba vòng tuần hoàn chung có qui mô toàn cầu nêu trên, còn có những vòng tuần hoàn chỉ thể hiện trong phạm vi nhỏ do ảnh hưởng của mặt đệm hoặc địa hình (qui luật phi địa đới), đó là các hoàn lưu địa phương như gió Bờri, gió phơn, gió núi-thung lũng v.v…
Hình 3 Vòng tuần hoàn của khí quyển trong quả cầu quay
6 Vòng tuần hoàn trong các đại dương
Các loại gió và các vòng tuần hoàn trong khí quyển đã hình thành các dòng tuần hoàn trong các đại dương Ví dụ vòng tuần hoàn nước mặt chủ yếu của Đại tây Dương được hình thành như sau:
- Các dòng xích đạo bắc và nam di chuyển theo hướng hướng tây do tác động của
Trang 7gió tín phong thổi từ đông bắc ở bắc bán cầu và từ đông nam ở nam bán cầu Do hiệu ứng Coriolit, dòng xích đạo bắc lệch về bên phải và dòng xích đạo nam lệch về bên trái
- Khi các dòng này đến gần Nam Mỹ, một dòng lệch về phía bắc và một dòng lệch về phía nam Sự lệch này gây ra bởi hình dạng của các bồn đại dương, bởi tác động của hiệu ứng Coriolis và bởi mực đại dương hơi cao hơn dọc theo xích đạo, nơi mà lượng mưa nhiều hơn những nơi khác
- Dòng xích đạo bắc di chuyển vào vịnh Caribe rồi đi về phía đông bắc, lúc đầu là dòng Florida, sau đó là Dòng Vịnh Đến lượt mình dòng vịnh lệch về phía đông (về phía bên phải) bởi hiệu ứng Coriolis Sự di chuyển về phía đông này được tăng cường bởi gió tây thịnh hành giữa vĩ độ 35o và 45oB, ở đây nó trở thành dòng Bắc Atlantic Khi tới gần châu Âu, dòng Bắc Atlantic bị tách ra
Phần di chuyển về phía bắc là dòng biển ấm qua các đảo của Anh và đi song song với bờ biển Na Uy Phần lệch về phía nam là dòng Carany lạnh và cuối cùng một lần nữa nó bị gió tín phong đông bắc dồn vào dòng xích đạo bắc
- Ở phía Nam Atlatic, các dòng mặt cũng xuất hiện tương tự như ở phía Bắc
Atlantic Sau khi dòng xích đạo nam bị lệch về phía nam, đi song song với bờ đông của Nam Mỹ là dòng Brazin, sau đó nó bị uốn trở lại phía đông (lệch về trái) do hiệu ứng Coriolis và bị gió tây thịnh hành dồn về phía Nam Phi Dòng di chuyển về phía đông này ngày càng xoay về phía trái, ở ngoài khơi châu Phi nó di chuyển về phía bắc Ở đó nó có tên là dòng Benguela, dòng này bị gió tín phong dồn trở lại dòng xích đạo nam
- Nước mặt lạnh từ các vùng Nam cực di chuyển theo một dòng khá đơn giản,
không phức tạp bởi các đại lục, nó bị dồn về hướng đông bởi gió thịnh hành từ phía tây
Trang 8- Ở Bắc Bán cầu, các dòng mặt bị phức tạp bởi các khối lục địa Nước cực Bắc xuất hiện từ những biển cực qua các eo Greenland để hình thành dòng Labrador ở phía tây và dòng Greenland ở phía đông Sau đó hai dòng này kết hợp với dòng Bắc Atlantic và bị lệch về phía đông và phía đông bắc
Các dòng mặt của Thái Bình Dương nhìn chung giống như các dòng mặt ở Đại Tây Dương Các dòng mặt của Ấn Độ Dương chỉ khác về chi tiết với các dòng mặt Nam Atlantic
Hình 4 Vòng tuần hoàn của các dòng mặt trong đại dương
Chính sự trao đổi năng lượng và vật chất này làm cho các mối quan hệ trong tự nhiên ngày càng chặt chẽ, bất kỳ một sự thay đổi nhỏ của một thành phần nào đó
có thể kéo theo sự thay đổi của toàn thể một hệ thống hay của toàn bộ tự nhiên
Qui luật này cũng cho ta thấy một đặc điểm nữa của tự nhiên là sự tự điều chỉnh cân bằng của thiên nhiên khi có sự mất cân bằng, nhưng sự tự điều chỉnh này chỉ
có giới hạn chứ không phải vô hạn Ví dụ: nhiệt độ trái đất luôn giữ ổn định phù hợp với sự sống là nhờ sự trao đổi CO2 giữa đại dương (gấp 5 lần ở khí quyển), sinh quyển, thạch quyển và khí quyển
Trang 9Các hoạt động của con người gần đây đã tăng thêm khoảng 7 triệu tấn CO2 trong mỗi năm vào bầu khí quyển tạo nên hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ trái đất tăng dần Cán cân CO2 đã mất cân bằng nghiêm trọng thì thiên nhiên khó có thể điều chỉnh được
a
