Hoμn l€u Langmuir

D [K-1] Hệ số giãn nở nhiệt của n†ớc

6.2.4 Hoμn l€u Langmuir

Thêm vμo, qui mô nhỏ của chuyển động rối do gió gây ra, một sự chuyển động có nhiêt độ tăng ặt. Thuỷ động học của xoáy n‡ớc nμy đ‡ợc gọi lμ giếng Langmuir, vấn đề nμy không đơn giản, ng‡ời đọc tham khảo của Leibovich (1983) để khái quát lý thuyết thích hợp.

Khi tốc độ gió v‡ợt quá ng‡ỡng tốc độ của phần nhám 3 m/s trong một vμi nhân tố, lμm thẳng hμng gần song song với h‡ớng gió vμ vật nổi nh‡ lμ bọt trôi đi, có thể xuất hiện trên mặt hồ. Khi Langmuir (1938) đ‡a ra, các nhân tố nμy, nó lμ hiển nhiên ngay cả đối với ng‡ời không nghiên cứu về hồ, kết quả từ sự hội tụ của hai xoáy quay ng‡ợc tại đỉnh của lớp n‡ớc ở bên trên có nhiệt độ tăng dần, cùng với sự giảm bớt gần nh‡ song song với gió. Do đó, mặt n‡ớc đ‡ợc dịch chuyển về phía đ‡ờng vạch vμ n‡ớc trồi xuất hiện ở giữa .

Chứng minh mô hình hoμn l‡u nμy, bản thân nó không phụ thuộc bề mặt nóng hay lạnh. Thông l‡ợng nhiệt bề mặt bất ổn định có thể hạ xuống ng‡ỡng bắt đầu của cuốn loạn l‡u nμy. Tại nơi tốc độ gió v‡ợt quá 3 m/s nh‡ng rõ rμng sức mạnh vμ kiểu loại của hoμn l‡u không lớn thậm chí d‡ới điều kiện thông l‡ợng cấu trúc thẳng đứng với tỷ lệ độ sâu của lớp n‡ớc ở bên trên

nổi bề mặt âm (nghĩa lμ điều kiện ổn định do nhiệt).

Sự hình thμnh các cuộn xoáy lμ bất đối xứng nh‡ng về độ sâu (xấp xỉ một nửa của đoạn đ‡ờng L ) vμ độ sâu thâm nhập thẳng đứng của cuộn xoáy đ‡ợc xét tới nh‡ xấp xỉ cân bằng.

Khoảng cách L của các nhân tố gần nh‡ tăng theo tốc độ gió w vμ có thể xấp 10 xỉ bởi :

L|(2/s)w10 ( m) (71)

(Leibovich 1983).

Tuy nhiên, độ lớn thẳng đứng của vòng hoμn l‡u rõ rμng đạt giới hạn bởi lớp hỗn loạn, nơi mμ gradien mật độ lớn hạn chế sự chuyển động thẳng đứng. Do vậy, ph‡ơng trình (71) chỉ có thể có đ‡ợc độ dμi nh‡ lμ L/2 nhỏ hơn độ sâu epilimnion (lớp n‡ớc ở bên trên có nhiệt độ tăng). Vì thế, ng‡ỡng của gió vμ độ sâu epilimnion bị hạ xuống vμ giới hạn d‡ới của kích th‡ớc xoáy n‡ớc Langmuir. Trong thực tế kích cỡ của các cột trong hồ hầu nh‡ ở khoảng 10 m. Sự rút n‡ớc tại các vạch hội tụ có thể rất lớn. Quan sát thấy vận tốc trực diện lớn nhất đạt tới 1% tốc độ gió. Cấu trúc của các cuộn xoáy lμ bất đối xứng, với dòng n‡ớc rút tốc độ lớn hơn dòng n‡ớc trồi. Nói chung tốc độ dòng n‡ớc rút gần nh‡ lμ tăng theo tốc độ gió vμ có thể so sánh đ‡ợc với dòng do sự lệch

không có hoμn l‡u Langmuir phản ứng lại ông số rối đ‡ợc tính chuyển động rối bởi

ọc hồ, môi h‡ớng bề mặt gió gây ra.

Tốc độ rút n‡ớc cao chỉ ra rằng hoμn l‡u Langmuir có thể coi lμ một cơ chế xáo trộn quan trọng của epilimnion. Mặc dù qua quan sát Langmuir (1938) tin rằng xoáy n‡ớc chịu tác động lớn bởi sự hình thμnh vμ duy trì của lớp xáo trộn, hiện nay không chắc có đ‡ợc hay

cho phần lớn của sự xáo động. Th

Lombardo vμ Gregg (1989) chỉ ra rằng hoμn l‡u Langmuir lμ vô hiệu nó không giống tỉ lệ tốc độ tiêu hao của TKE (ph‡ơng trình 65). Những giếng Langmuir có thể đ‡ợc xem xét nh‡ lμ một phần hợp thμnh của chuyển động phạm vi lớn có quan hệ động lực học với lớp giới hạn bề mặt. Hμm ý lμ không cần thiết phải kéo dμi thời hạn với TKE đầy đủ để giải thích điều đó (ph‡ơng trình 54).

Tuy nhiên, những giếng Langmuir quan trọng đối với sinh thái h

tr‡ờng của một loại tảo nhỏ đ‡ợc đặt vμo - đặc biệt lμ c‡ờng độ nhỏ - có thể quyết định sự phụ thuộc vμo có hay không có nó trải qua sự vận chuyển thẳng đứng nh‡ cuộn xoáy.

Hình 4.10 Mối quan hệ giữa sự giảm nhiệt độ bề mặt hnet vμ vận tốc gió cho cáI mμ độ dμi Monin_Obukhov LM vμ độ sâu xáo trộn hmix (chọn giữa 5 m vμ 10 m)lμ cân bằng.Các đ‡ờng cong cho thấy sự ảnh h‡ởng của gió trên sự cuốn theo tăng theo sự giảm độ sâu lớp xáo trộn hmix vμ sự giảm nhiệt độ n‡ớc T. Tính toán từ các ph‡ơng trình(68)vμ(70) với mE =0 Vμ C10 = 1,5.10-3 . Thêm vμo đó sự so sánh giữa mặt cắt nhiệt độ đo đ‡ợc vμ mô hình tính toán trong suốt sự xáo trộn đối l‡u vì sự mất nhiệt độ bề mặt (trong Sempachersee) . Có thể đo đ‡ợc nhiệt độ với giả thiết 70% năng l‡ợng tiêu hao

bên trong lớp xáo trộn vμ 30% đ‡ợc dùng cho sự cuốn trôi ở đ‡ờng đáy lớp xáo trộn (Redrawn từ

wuest 1987).