®¹i häc quèc gia Hμ Néi МИНИСТЕРСТВО ОБРА3ОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Iu P §oronhin VËt lý Ю đại dơng федерации в качестве учебного пособия для студентов всыших учебных заведений, ôằ, ôằ Biên dịch: Phạm Văn Huấn Nh Xuất đại học quốc gia H Nội - 2000 2.5 Hệ phơng trình tổng quát nhiệt động lực học đại dơng Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra Mục lục Mở đầu Nhiệm vụ môn học v phơng pháp nghiên cứu Mối liên hệ vật lý đại dơng với môn khoa học khác Cấu tạo nớc nh− mét vËt thĨ vËt lý Tμi liƯu tham kh¶o bổ sung Chơng Cơ sở nhiệt tĩnh học đại dơng 1.1 Những định nghĩa nhiệt tĩnh học nớc biển 1.2 Phơng trình trạng thái nớc biển 1.3 Các đặc trng vật lý nhiệt nớc biển 1.4 Quá trình đoạn nhiệt 1.5 Các tiêu phân tầng mật độ phơng thẳng đứng đại dơng Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra Chơng Những định luật biến đổi đặc trng nhiệt động lực học đại dơng 2.1 Phơng trình chuyển động nớc biển 2.2 Phơng trình liên tục v phơng trình khuếch tán muối 2.3 Các phơng trình biến đổi lợng đại dơng nh hệ nhiệt động lực học 2.4 Phơng trình biến đổi entropy v phơng trình truyền nhiệt 7 10 13 24 25 25 34 40 50 55 59 60 61 61 69 73 Chơng Những tính chất v mô tả rối đại dơng 3.1 Định nghĩa rối 3.2 Lấy trung bình phơng trình nhiệt động lực học 3.3 Các hệ số trao đổi rối chất thể 3.4 Phơng trình cân lợng rối 3.5 Mật độ phổ đặc trng rèi 3.6 Rèi quy m« võa vμ quy m« lín 3.7 Nguyên lý mô tả xác suất rối đại dơng quy mô lớn Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra Chơng Những quy luật trình nhiệt muối 4.1 Phân tích bậc đại lợng số hạng phơng trình truyền nhiệt v khuếch tán muối 4.2 Các phơng trình cân nhiệt v cân muối 4.3 Những quy luật trao đổi nhiệt v muối đại dơng với khí qun 4.4 BiÕn ®ỉi nhiƯt ®é vμ ®é mi líp đại dơng trao đổi nhiệt v nớc với khí 4.5 ảnh hởng bất đồng xáo trộn rối tới trắc diện thẳng đứng nhiệt độ v độ muối nớc biển 4.6 Đối lu tự v cỡng đại dơng 4.7 Biến đổi nhiệt độ v độ muối dòng biển Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiÓm tra 78 84 88 88 89 89 95 103 110 118 132 136 141 142 143 143 152 159 173 185 189 208 217 218 Ch−¬ng Những tính chất vật lý băng biển 5.1 Sự hình thnh v tăng trởng tinh thể băng 5.2 Thnh phần pha băng biển 5.3 Các đặc trng vật lý nhiệt băng biển 5.4 Những quy luật chung tăng trởng v tan băng biển 5.5 Những tính chất học băng biển 5.6 Diễn biến băng dới tải trọng Ti liệu tham khảo bỉ sung C©u hái tù kiĨm tra 220 220 227 234 Chơng Các tợng điện từ đại dơng 6.1 Những tính chất điện từ vĩ mô nớc v băng biển 6.2 Các phơng trình mô tả trờng điện từ đại dơng 6.3 Từ trờng Trái Đất 6.4 Trờng điện từ đại dơng chất động lực học sóng bề mặt gây nên 6.5 Sự phát sinh trờng điện từ dòng biển 6.6 Lý thuyết dòng địa điện đại dơng Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra 276 243 257 266 274 274 276 286 289 Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra 380 Chơng Âm học đại dơng 8.1 Những định nghĩa 380 8.2 Các phơng trình lan truyền sóng âm 387 8.3 Các đặc trng lợng cđa sãng ©m 392 8.4 Trun ©m qua ranh giíi môi trờng có mật độ khác 396 8.5 Sự khúc xạ tia âm 401 8.6 Biến đổi cờng độ âm với khoảng cách 408 8.7 Sự phản xạ v tán xạ sóng âm 417 8.8 Các nhiễu âm 423 Ti liệu tham khảo bổ sung 431 Câu hỏi tù kiÓm tra 431 292 302 311 318 319 320 Chơng Quang học đại dơng 7.1 Các định nghĩa 320 7.2 Sự hấp thụ ánh sáng nớc biển 323 7.3 Sự tán xạ ánh sáng n−íc biĨn 328 7.4 Sù suy u ¸nh s¸ng bëi n−íc biĨn 337 7.5 Sù ph¸t quang cđa n−íc biĨn 341 7.6 Độ chiếu sáng đại dơng 347 7.7 Độ rọi trờng ánh sáng 356 7.8 Phơng trình vận chuyển ánh sáng đại dơng 360 7.9 Độ nhìn thấy đối tợng dới nớc 365 7.10 Mu biển 372 377 378 nhiên đợc lm sáng tỏ mở đầu Nhiệm vụ môn học v phơng pháp nghiên cứu Vật lý đại dơng nghiên cứu tính chất vật lý nớc biển v định luật đặc trng cho trạng thái đại dơng v trình vật lý diễn nó; nghiên cứu mối quan hệ qua lại tham số khác nớc biển v trình vật lý; xem xét mối phụ thuộc trình đại dơng vo nguyên nhân gây nên chúng Trong cần xác lập cách định tính mối liên hệ nhân quả, m đa biểu diễn toán học mối liên hệ Nhiệm vụ môn học không l nghiên cứu trình, m xem xét khả sử dụng mối liên hệ nhân để đa dự báo tợng vật lý, dự báo l đỉnh cao cuối m tất khoa học Trái Đất vơn tới Bản thân dự báo l nhiệm vụ trực tiếp giáo trình, nhng để nghiên cứu phơng pháp dự báo đợc đặt móng vật lý đại dơng Đỉnh cao thứ hai m khoa học Trái Đất muốn vơn tới l khuyến cáo sử dụng tự nhiên lợi ích loi ngời m không lm tổn hại sinh thái trạng thái Về nguyên tắc, khuyến cáo có së khoa häc mét vËt lý cđa c¸c qu¸ trình đợc nghiên cứu kỹ lỡng v hệ cã thĨ n¶y sinh ng−êi can thiƯp vμo trình tự Việc đảm bảo thông tin trình vật lý đại dơng v xu thÕ cđa chóng cho c¸c tỉ chøc kinh tÕ vμ tổ chức khác đòi hỏi phải có tri thức quy luật phát triển trình Không phải trình độ hiểu biết trình ny hay trình đại dơng đủ cao Đôi khi, t liệu thực nghiệm lm ngời ta phải xét lại quan niệm đà hình thnh trớc đặc điểm diễn biến trình v nguyên nhân gây nên Trong giáo trình ny trình by quy luật trình vật lý diễn đại dơng đợc phát sở t liệu thực nghiệm thu thập đợc tới cuối kû 20 Th«ng tin míi cã thĨ dÉn tíi sù hon thiện xét lại luận điểm đà đợc trình by Những tính quy luật cha đợc lm rõ đến nh trình diễn đại dơng phép mô tả gần đợc nêu sách giáo khoa nhằm lm cho sinh viên khỏi có ấn tợng l đại dơng đà đợc nghiên cứu đến tận cùng, để khơi dậy sinh viên niềm ham muốn tự tham gia giải nhiệm vụ đà đợc nêu lên Khoa học đạt tới kết đáng kể sử dụng đợc công cụ toán học Điều ny l do: thay mô tả trình tự nhiên cách định tính gần đúng, toán học cho phép xác định tiêu định lợng cờng độ trình v xác lập mối liên hệ giải tích nguyên nhân v hệ Vì vật lý đại dơng áp dụng rộng rÃi công cụ toán học Bởi trình đại dơng diễn điều kiện địa lý tự nhiên cụ thể, có lẽ công cụ toán học no mô tả đợc thật chi tiết, nên mô tả trình b»ng to¸n häc ng−êi ta hay sư dơng phÐp trõu tợng hóa bỏ nét quan trọng Trừu tợng hóa cng mạnh v cng rộng quy luật tìm đợc áp dụng lớp tợng cng rộng hơn, nhng đồng thời trình tính toán cng khác biệt với trình thực Ví dụ, đà biết quy luật tăng nhiệt độ lớp đại dơng theo tăng lên dòng xạ Mặt Trời v nhiệt lợng từ khí Tuy nhiên, biến thiên nhiệt độ thực tế khác biệt với biến trình chung mức độ m đặc điểm địa phơng thủy vực cha đợc kể tới tính toán: phân tầng mật độ, độ dẫn nhiệt, bình lu nhiệt dòng biển v.v Mô tả trình toán học đáng quý l chỗ áp dụng trừu tợng hóa ví dụ ny cho phép sử dụng quy luật tăng nhiệt độ theo tăng lên lợng nhiệt tới tất đại dơng v biển Trong số nhân tố tác động muôn hình muôn vẻ cần nhận v tính đến quan trọng v bỏ thứ yếu Nhiều trình đại dơng đợc mô tả phơng trình phức tạp, cha thể có đợc nghiệm dới dạng giải tích Trong trờng hợp ny máy tính điện tử loại trợ giúp, chúng cho phép nhận đợc nghiệm cụ thể số bi toán Thay đổi tham số khác v số hạng phơng trình tạo hội đánh giá vai trò tham số hay nhân tố no trình vật lý đợc mô Đối với nhiều trình vật lý chí cha biết đợc quy luật phát triển chung v mối liên hệ chúng với môi trờng địa lý xung quanh giai đoạn phát triển nhận thức chúng ta, với trình nh hợp lý l nghiên cứu mô hình hóa trờng, mô hình tái tạo thật tỷ mỉ điều kiện tự nhiên tỷ lệ thu nhỏ v trình cần nghiên cứu đợc tái lập theo tham số bên ngoi Đơng nhiên, phải ý tuân thủ điều kiện đồng dạng trình phòng thí nghiệm v trình đại dơng hay biển tự nhiên Nh vậy, phơng diện phơng pháp luận nhiệm vụ không l nghiên cứu quy luật vật lý đại dơng chủ yếu đà biết, m l lm quen với phơng pháp nghiên cứu Mối liên hệ vật lý đại dơng với môn khoa học khác Đại dơng tiếp giáp với thạch v khí quyển, tất trình đại dơng phụ thuộc vo trao đổi chất v lợng với môi trờng Vật lý đại dơng liên hệ mật thiết với vật lý khí quyển, hai môn cïng cã nhiỊu nhiƯm vơ khoa häc vμ thùc tiƠn gần gũi với Điều ny đợc phản ánh chỗ nghiên cứu vấn đề chung ngời ta liên kết hải dơng học v khí tợng học vo khái niệm Khí tợng thủy văn Xét theo tính chất nhiệm vụ cần giải v phơng pháp nghiên cứu môn vật lý đại dơng cã thĨ xem nh− mét bé phËn cđa vËt lý, hay xác hơn, địa vật lý môn khoa học đề cập tới tập hợp tợng vËt lý xt hiƯn trªn hμnh tinh cđa chóng ta vμ nã bao gåm c¸c bé phËn nh− vËt lý khí quyển, vật lý thạch quyển, vật lý đại dơng v.v Giữa phận có nhiều thứ chung, đặc biệt vật lý khí v vật lý đại dơng, nhng đồng thời chúng đề cập 10 môi trờng khác tính chất vật lý, nhiều trình vật lý diễn khác Tơng quan chung phận địa vật lý biểu diễn sơ đồ: Địa vật lý Vật lý khí Vật lý thủy Vật lý đại dơng Vật lý thạch Vật lý nớc lục địa Cách phân loại ny trọng vo đối tợng m tính chất v trình vật lý đợc đề cập phận Có quan điểm phổ biến vật lý đại dơng nh l phận khoa học chung đại dơng hải dơng học, đề cập tới tính chất v trình hóa học, hình thái đáy v đờng bờ, động vật v thực vật đại dơng v.v Trong trờng hợp ny ngời ta nhấn mạnh đặc điểm tính chất đợc xem xét đại dơng v trình diễn Hai hệ thống phân loại ny hợp lý nh nhau, nhng nghiên cứu vật lý đại dơng hệ thống thứ hay diễn theo cách khác tùy thuộc vo nồng độ muối nớc nêu phụ thuộc mật độ nớc, nhiệt độ đóng băng, đặc điểm tạo thnh băng biển vo độ muối Trong trờng hợp cuối không nồng độ chung muối nớc muối thay đổi, m tỷ lệ chúng thay ®ỉi C¸c tÝnh chÊt ®iƯn tõ cđa n−íc biĨn cịng phụ thuộc mạnh vo độ muối Vì vậy, tínhđến thμnh phÇn hãa häc cđa n−íc cịng lμ cÇn thiÕt để giải vấn đề vật lý hớng ny Đồng thời mức độ no phải coi vật lý đại dơng l khoa học địa lý, nghiên cứu trình vật lý cần nhớ rằng: với nhiều nét chung, song trình vật lý diễn có phần khác tùy thuộc vo mùa v vị trí địa lý vùng m chúng đợc xem xét Ví dụ, trình hình thnh hon lu nhiệt muối phụ thuộc vo vị trí địa lý vùng nghiên cứu, địa hình đáy, hình dạng bờ, tác động khí v.v Nhiều trình vật lý đại dơng v biển vĩ độ cực diễn theo cách khác so với vĩ độ trung bình v nhiệt đới có mặt, ví dụ, băng Một số phần vật lý đại dơng l phận giáo trình vật lý đại cơng Đó l nhiệt động lực học, quang học, điện học, âm học v.v Khác biệt l chỗ trờng hợp ny trình đợc nghiên cứu áp dụng vo môi trờng cụ thể, tức trừu tợng Sự tất yếu phải tính đến môi trờng địa lý biểu lộ đặc biệt rõ trờng hợp no cần đa ớc lợng định lợng đặc trng trình vật lý cho vùng lựa chọn địa phơng dự báo đây, yêu cầu tăng cao độ xác mô tả trình buộc ta phải giảm thiểu mức độ trừu tợng hóa v tính đến đặc thù địa phơng túy Vật lý đại dơng liên quan mật thiết với hóa học đại dơng Chỉ cần nhận xét nớc biển l dung dịch gần nh tất nguyên tố hóa học Nhiều trình vật lý đại dơng Không gắn bó mật thiết với vật lý, khí tợng học, hóa học, địa lý học, vật lý đại dơng liên quan không phần chặt chẽ với loạt môn khoa häc thc diƯn thùc 11 12 dơng vμ kü tht HiƯn nay, xt hiƯn nhu cÇu rÊt bøc xóc phải giải kịp thời vấn đề nh nghiên cứu nguyên nhân lm ô nhiễm nớc đại dơng v biển v đề giải pháp đấu tranh víi « nhiƠm Cã thĨ nhËn thÊy r»ng thËm chí vùng khơi đại dơng đà có khu vực nớc bị ô nhiễm với diện tích hng nghìn km2 Điều vừa nêu buộc chúng ta, nghiên cứu phần tơng ứng môn vật lý đại dơng, phải hớng tới môn học kế cận Kết nghiên cứu giáo trình vật lý đại dơng l lm quen với trình diễn đại dơng, không l nghiên cứu quy luật định đặc điểm trình đại dơng, m l tạo kỹ phơng pháp luận nghiên cứu, có đợc khái niệm vấn đề no cần phải giải trớc CÊu t¹o cđa n−íc nh− mét vËt thĨ vËt lý NhiỊu tÝnh chÊt vËt lý vμ hãa häc cđa nớc v nớc biển dị thờng so với chất có công thức hóa học tơng tự (H2Te, H2Se, H2S) Những tính chất dị thờng nh l: biÕn ®ỉi mËt ®é n−íc, sù biÕn ®ỉi thĨ tÝch nớc đóng băng, phụ thuộc nhiệt độ đóng băng vo áp suất, số đặc trng nhiệt v.v Để hiểu v giải thích tính chất nớc trạng thái pha khác trớc hết phải xem xét phân tử H2O Nghiªn cøu cho thÊy r»ng nhiỊu tÝnh chÊt hãa häc nớc bị chi phối cấu tạo phân tử, tạo xung quanh trờng điện từ đặc biệt, định hớng phân tử nớc tơng 13 ®èi víi vμ liªn kÕt chóng Mét sè tÝnh chất phân tử nớc đà đợc lý giải nhờ khảo sát thực nghiệm, số khác đến cha thể kiểm tra thực nghiệm, m đợc giải thích lý thuyết sở mô hình phân tử Tổng quan đầy đủ công trình nghiên cứu cấu trúc v tính chÊt cđa n−íc cã c¸c cn s¸ch [1, 3] Theo chơng trình môn học, tính chất phân tử túy nớc l đối tợng giáo trình ny, nhng phải biết đến giải thích nhiều tính chất nớc biển v băng Vì vậy, phần mở đầu ny cung cấp mét sè dÉn liƯu vỊ cÊu tróc cđa n−íc ngät v băng nh tính chất rút từ dới dạng ngắn gọn Lý thuyết quỹ đạo phân tử, tức lý thuyết tập hợp vị trí có điện tử, đà đa quan niệm cấu tạo nguyên tử nớc Giả định cặp điện tử với spin hớng đối ngợc chuyển động theo quỹ đạo Trong tám điện tử nguyên tử oxy cặp điện tử thứ nằm quỹ đạo hình cầu s1 gần hạt nhân v liên hệ vững với hạt nhân, cặp điện tử thứ hai nằm quỹ đạo hình cầu s xa hạt nhân v liên hệ với hạt nhân vững hơn, cặp điện tử thứ ba phân bố quỹ đạo hình cầu, m l quỹ đạo vòng tròn p z Hai điện tử lại phân bố hai quỹ đạo p x v p y theo kiểu điện tử quỹ đạo, hai quỹ đạo ny nằm mặt phẳng vuông góc với quỹ đạo trớc (hình 1) Vì điện tử ny l điện tử cặp, nên chúng tơng tác với điện tử quỹ đạo thứ hai nguyên tử hydro, tạo thnh liên hệ O H Cho với liên kết đơn giản nh điện tử oxy v hydro 14 góc liên hệ O H phải l 90o Tuy nhiên, lực đẩy nhân hydro v ảnh hởng bổ sung điện tử quỹ đạo s (hiệu ứng lai hóa) m góc tăng lên tới 104,5o nhân tạo mô men lỡng cực lớn, 1,86 D Những điện tử lại không góp phần vo mô men lỡng cực chung vị trí đối xứng chúng hạt nhân oxy Khi xem xét tham số phân tử H2O phải nhớ hạt nhân nguyên tử không ngừng dao động gần vị trí cân Vì khoảng cách hạt nhân, chiều di liên hệ O H , v góc chúng không ngừng biến đổi Về trung bình chiều di cđa liªn hƯ O − H b»ng 0,96 ⋅ 10 10 m Trong dao động chiều di liên hệ lẫn góc chúng biến đổi đến 58 % Khi nghiên cứu tính chất lợng khác nớc, điều quan trọng l phải có quan niệm lợng phân tử H2O Năng lợng chung đợc xác định hiệu lợng phân tử bất động v phận cấu thnh phân bố khoảng cách lớn vô tận so với Tổng thứ sau trạng thái tách giÃn lớn so với trạng thái liên kết l−ỵng 2080,6 eW (1 eW = 1,6 ⋅ 10 −19 J) Đây l động phân tử, 10,1 eW Hình Sơ đồ phân bố quỹ đạo lai hóa phân tử nớc aa liªn hƯ O − H , b′ vμ b′′ − cặp lai không phân chia Sự lai hóa điện tử quỹ đạo s v p z oxy dẫn tới chỗ gần hạt nhân hình thnh hai khu vực điện tích Chúng phân bố đối xứng với mặt phẳng m có liên hệ O H Kết l phân tử nớc có đợc cấu tạo tứ diện với hai khu vực tích điện dơng lân cận hạt nhân hydro v hai khu vực tích điện âm gần hạt nhân oxy Bốn cực ny cho phép phân tử nớc tạo với phân tử láng giềng bốn liên hệ hydro Sự phân bố hạt nhân hydro v oxy v điện tử lai hóa đặc trng phân tử nớc dẫn tới chỗ mô men liên hệ O H v mô men hạt 15 lm thnh lợng liên kết điện tử Năng lợng cần để phá bỏ liên hệ O H (để phân ly) 0o K 4,4 eW Sự phân ly phân tử nớc 0o K thnh H + v OH đòi hỏi 5,11 eW lợng Nội phân tử chuyển đổi pha biến đổi Thật vậy, sôi biến đổi 0,39 eW, nóng chảy 0,06 eW Tồn ba đồng vị ổn định hydro v oxy, đồng vị ny liên kết víi Phỉ biÕn nhÊt lμ tỉ hỵp H1 O16 − n−íc b×nh th−êng D−íi 0,3 % thĨ tÝch nớc tự nhiên l tổng tất đồng vị lại 16 Mặc dù cấu tạo tất đồng vị phân tử nớc nh nhau, nhiều đặc trng vật lý tỏ khác Các chiều di liên hệ O H v góc chúng, mô men quán tính v.v có khác Nhng phân tử đồng vị có tỷ phần nhỏ nớc tự nhiên nên chúng không định tính chất vĩ mô nớc khoảng cách 2,76 10 10 m, tạo thnh hình tứ diện Khi Trớc xem xét cấu tạo nớc nên khái quát cấu trúc pha thái cực không trật tự nớc v pha trật tự băng Trong trờng hợp nớc lực tơng tác phân tử tồn tại, nhng phân tử không liên hệ nhiều thnh khối liên kết no Về nguyên tắc nhờ có mô men lỡng cực m phân tử H2O định hớng tơng Khi chóng cã thĨ hót hay ®Èy tïy thc vo định hớng chúng Trên hình biểu diễn khối liên kết năm phân tử H2O (để cho trực quan chúng đà đợc thể thnh viên hình cầu), vị trí tơng hỗ liên hệ O H [2] Nếu liên kết phân tử nằm bên ngoi với mặt phẳng đợc khối tứ diện với phân tử nằm bên trong, tạo thnh góc 109,5o với với phân tử nằm bên ngoi Những ớc tính lực tác động xa cho thấy với khoảng cách phân tử 10 10 10 m lực vi phần trăm giá trị cực đại chúng v thực tế không ảnh hởng tới hnh vi tơng hỗ phân tử Trong khoảng cách trung bình phân tử, xuất phát từ mật độ nớc, xác định đợc 30 10 10 m, hệ chuyển động nhiệt phân tử t¸ch rêi C¸c thÝ nghiƯm cho biÕt r»ng nớc có mặt không % phân tử kép, tức khối liên kết hai phân tử H2O, nhng chất liên hệ chúng cha rõ Trong trờng hợp băng phân tử H2O liên hệ với nhau, v vị trí tơng hỗ nguyên tử oxy đợc nghiên cứu kỹ Do hình thnh bốn khu vực tích điện xung quanh nguyên tử oxy, nguyên tử oxy liên kết với bốn nguyên tử khác cách 17 cặp điện tử không phân chia nguyên tử oxy v liên hệ O H nguyên tử khác xt hiƯn lùc hót, gäi lμ liªn hƯ hydro Sù liên kết phân tử nh dẫn tới mạng tinh thể với sức hút phân tử đáng kể, nhng l kết cấu bền Nhờ ảnh hởng định hớng trờng điện từ phân tử m vị trí tơng hỗ chúng không đối xứng tất h−íng, ®iỊu nμy cã thĨ thÊy nÕu ta bỉ sung thêm phân tử khác vo hình thể hình Trên hình có dẫn hình thể nh vậy, Hình Sơ đồ cấu tạo tứ diện băng biểu diễn vị trí nguyên tử oxy Từ hình ny thấy rõ đối xứng vị trí nguyên tử oxy hớng thẳng đứng v ngang khác Khi dờng nh phân biệt đợc lớp, phân tử đợc liên kết liên hệ với ba phân tử láng giềng 18 lớp v phân tử lớp khác Những lớp ny đợc quy ớc gọi l mặt phẳng sở mạng tinh thể, hớng vuông góc với gäi lμ trơc quang häc hay trơc C cđa tinh thể thay đổi định hớng phân tử trở nên chậm Ngoi chuyển động quay, phân tử tinh thể dao động gần vị trí trung bình với chu kỳ đặc trng t k 10 13 s Các chuyển động quay dao động phân tử, ảnh hởng tới vị trí tơng hỗ chúng, m tới định hớng liên hệ O H Trong sách [3] đà cho biết đặc điểm cấu trúc băng tùy thuộc vo thời gian lấy trung bình vị trí phân tử Nếu nh chụp ảnh đợc phân tử H2O với khoảng dừng 10 13 s, ảnh tinh thể băng hình dáng phân tử phải rõ nét, mạng tinh thể không trật tự, dao động phân tử không thiết phải nằm vị trí trung bình chúng (hình a) Cấu trúc kiểu nh đợc gäi lμ cÊu tróc tøc thêi, hay cÊu tróc I Hình Biểu diễn sơ đồ cấu trúc nớc ứng với chu kỳ lấy trung bình khác nhau: Hình Phân bố nguyên tử oxy tinh thể theo Begg Đờng gạch nối ký hiệu nhân đơn vị a) tức thời, b) dao động trung bình, Các phân tử H2O mạng tinh thể băng liên hệ với không vững chắc, định hớng chúng thay đổi dao động nhiệt Vì vậy, vị trí xác chúng tinh thể băng l tranh phân bố chung nguyên tử hydro tinh thể phức tạp, nh đà thấy từ hình 3, m l dao động nhiệt c) khuếch tán trung bình Nếu chụp ảnh với khoảng lộ sáng lớn so với nhng bé so với t n hình ảnh phân tử ảnh Các ớc lợng cho biết nhiệt độ tan phân tử H2O giây chịu 105 lần thay đổi định hớng mình, tức chu kỳ tái định hớng trung bình t n ≈ 10 −5 s NÕu nhiƯt ®é sÏ rÊt lu mê chun ®éng dao ®éng cđa chóng, nh−ng sÏ có định hớng trật tự lấy trung bình Cấu trúc nh đợc gọi l cấu trúc dao động trung bình, hay cấu trúc II (hình b) Cuối cùng, khoảng lộ sáng lớn t n , ảnh giảm cờng độ kích thích nhiệt phân tử giảm v lên mạng tinh thể băng trật tự, nút mạng 19 20 l hình ảnh lu mờ phân tử đà lấy trung bình đầy đủ chuyển động dao động v quay chúng Cấu trúc ny đợc gọi l cấu trúc khuếch tán trung bình hay cấu trúc III (hình c) Cấu trúc III khu vực kh¸c cđa cïng mét tinh thĨ lμ nh− nhau, v định nghĩa không nh l lấy trung bình cấu trúc II theo thời gian, m nh l lấy trung bình chúng theo không gian Mô hình cấu trúc nớc cha đợc xác định với mức tin cậy nh l nớc v băng Mặc dù vậy, đà cã nhiỊu t− liƯu thùc nghiƯm chøng tá vỊ møc độ trật tự cao xếp tơng đối phân tử H2O pha ny Các chuyển động phân tử nớc đợc phân chia thnh dao động nhanh gần vị trí cân tạm thời v di chuyển khuếch tán chậm Chu kỳ chuyển động thứ đợc ớc lợng b»ng 10 −13 s, tøc cã cïng bËc nh− cña băng, chu kỳ chuyển động thứ hai tỏ bé nhiều so với băng v 10 11 s Vì ảnh vị trí phân tử nớc với khoảng dừng khác ảnh tức thời với thời gian lộ sáng bé t k ghi nhận đợc cấu tróc I (xem h×nh a) Víi thêi gian lé khoảng 10 12 s nhận đợc ảnh cấu trúc II (xem hình b) Còn chụp ảnh cÊu tróc cđa n−íc víi thêi gian lé s¸ng lín t n khác với băng, ảnh cấu trúc III cđa n−íc sÏ lu mê hoμn toμn ChØ cã thể thu đợc thứ tơng tự với tranh đợc thể hình c trờng hợp nh đặt máy ảnh vo phân tử nớc v chụp ảnh lấy không gian xung quanh phân tử xét với thời gian lộ sáng sau Khi l xếp phân tử 21 xung quanh phân tử H2O địa phơng đợc chọn gần giống với xếp tứ diện, nhng chặt chẽ so với băng Sự trật tự nh đợc nhận thấy phạm vi khoảng cách không lớn Còn nh lúc nhìn bao quát thể tích nớc lớn, đặc điểm trật tự bị biến Vì ngời ta thờng nói băng có trật tự cấu trúc xa v gần, nớc có trật tự gần xếp phân tử, nớc trật tự cấu trúc Các mô hình khác đà đợc sử dụng để giải thích cấu trúc nớc nh đà đợc trình by, số có mô hình gọi l mô hình liên hệ hydro lệch lạc, thỏa mÃn tốt kết thực nghiệm Trong mô hình ny đà cho phần lớn phân tử nớc liên hệ qua lại thông qua liên hệ hydro Nhng khác với băng, nớc liên hệ giữ phân tử nút mạnh tinh thể trung bình; mạng trở nên cong, liên hệ hydro trở nên không thẳng, m cong Khoảng cách kể từ phân tử đợc chọn cng lớn cng có nhiều lệch lạc v cng tính đặn vị trí phân tử so với phân tử trung tâm Cũng giống nh băng, phân tử nớc đợc gọi l phân tử trung tâm, đợc bao quanh bốn phân tử láng giềng, tạo thnh tứ diện không đặn nh pha rắn Thông thờng ngời ta gọi bốn phân tử ny từ khoảng lân cận gần l láng giềng sơ cấp Sau chúng l láng giềng nhị cấp, tam cấp v.v Đối với nớc có nét đặc trng l uốn cong liên hệ hydro cho phép số phân tử nhị cấp v tam cấp xâm nhập vo khu vực gần phân tử trung tâm, ®iỊu ®ã 22 Tμi liƯu tham kh¶o bỉ sung dÉn tới lm tăng mật độ nớc so với băng Năng lợng liên hệ hydro, biến thiên phạm vi từ 0,2 đến 0,3 eW băng v giảm xuống tíi 0,06 eW n−íc, nhá h¬n nhiỊu so víi dạng lợng nội phân tử khác Mặc dù vậy, nh đà cho thấy, vai trò liên hệ ny lớn Bằng lực gắn kết phân tử giải thích đợc tính chất nhiệt cđa n−íc nh− nhiƯt dung, nhiƯt l−ỵng kÕt tinh vμ hãa h¬i Путинцев Н М Физические свойства вещества (лед, вода, пар) Мурманск, Мурманская государственная академия рыбопромыслового флота, 1995 255 с Шулейкин В В Физика моря Глава М., Наука, 1968 Эйзенберг Д., Кауцман В Структура с свойства ., , 1975 280 Đặc thù phân bố điện tích xung quanh phân tử chi phối tồn mô men lỡng cực nớc, dẫn tới tạo thnh số đặc điểm trờng ®iƯn tõ N−íc ngät lμ chÊt ®iƯn ph©n u, bëi phân tử H2O bền vững v khó phân tách thnh ion Về số lợng ion xét theo giá trị pH Tuy nhiên, có lẽ lực điện từ ion nớc lớn để phá vỡ phân tử muối nớc biển thnh ion khác tên Các ion tích cực điện muối xâm lấn vo cấu trúc nớc, liên kết với phân tử nớc tùy theo dấu ®iƯn tÝch hc tõ phÝa hydro, hc tõ phÝa oxy hớng quỹ đạo lai hóa không phân chia Khi cấu trúc nớc bị phá hủy Do hệ biến đổi địa phơng cấu trúc nớc ion v chất hòa tan khác gây nên, nhiều tính chất nớc biển khác biƯt víi n−íc ngät VỊ thùc chÊt, mét sè nhμ khoa học đề nghị xem nớc biển nh l hỗn hợp phân tử H2O, ion v chất hòa tan khác, m nh chất đặc biệt phức tạp 23 24 ... nh− vËt lý khÝ qun, vật lý thạch quyển, vật lý đại dơng v.v Giữa phận có nhiều thứ chung, đặc biệt vật lý khí v vật lý đại dơng, nhng đồng thời chúng đề cập 10 môi trờng khác tính chất vật lý, nhiều... chất vật lý, nhiều trình vật lý diễn khác Tơng quan chung phận địa vật lý biểu diễn sơ đồ: Địa vËt lý VËt lý khÝ qun VËt lý thđy qun Vật lý đại dơng Vật lý thạch Vật lý nớc lục địa Cách phân... cứu Vật lý đại dơng nghiên cứu tính chất vật lý nớc biển v định luật đặc trng cho trạng thái đại dơng v trình vật lý diễn nó; nghiên cứu mối quan hệ qua lại tham số khác nớc biển v trình vật lý;