CHƯƠNG V TƯƠNG TÁC BIỂN – KHÍ QUYỂN
5.1 Hệ thống biển – khí quyển với các quy mô tương tác
5.1.1 Hệ thống biển – khí quyển là gì
1) Khái niệm: Hệ thống được xem như là sự tổng thể của các đối tượng tương tác lẫn nhau trong một tập hợp.
- Bản thân khí quyển cũng như đại dương tồn tại các hệ thống riêng của mình với các quy luật chung và riêng biệt do đặc thù của hai môi trường nước và khí. Hệ thống hoàn lưu khí quyển làm nhiệm vụ phân phối nhiệt bức xạ cho các vùng vĩ độ, độ cao khác nhau. Hệ thống hoàn lưu đại dương truyền tải và lưu giữ nhiệt cho các đại dương, cung cấp trao đổi năng lượng với khí quyển qua bề mặt tiếp xúc nhau.
- Hệ thống biển và khí quyển là tập hợp của nhiều yếu tố và nhiều mắt xích của các yếu tố đó với nhau.Ta xem xét biển và khí quyển là một hệ thống mà liên tục xảy ra các mối quan hệ tương hỗ, tương tác lẫn nhau của nhiều đối tượng. Mối quan hệ tương tác có tính chất hoàn ngược (có hoàn ngược dương, có hoàn ngược âm).
2) Bản chất của hệ thống đại dương – khí quyển: là quan hệ tương tác liên tục theo không gian và thời gian. Quan hệ tương tác này được thể hiện qua các quá trình trao đổi năng lượng xoáy, rối giữa hai môi trường nước và khí. Quy mô của mối quan hệ này khác nhau ở từng vĩ độ, độ cao và có mức độ ổn định cũng rất khác nhau.
Bảng 1: Qui mô chuyển động của khí quyển và đại dương (theo Poller)
Qui mô Đặc tính chuyển động Thời gian
Độ trải rộng của qui mô (km)
Qui mô nhỏ
Chuyển động rối (trao đổi phân tử trên bề mặt biển)
Tồn tại
trong vài phút ≤ 0,1 Qui mô đối
lưu
Chuyển động mạnh theo phương thẳng đứng
Từ vài phút
đến giờ 0,1 – 10 Qui mô
vừa
Thể hiện chuyển động có hướng
Tồn tại vài
giờ 10 – 100
Qui mô synốp
Tạo thành xoáy thuận, xoáy nghịch theo độ cao
Tồn tại vài ngày
100 – 1000
Qui mô hành tinh
Tạo thành hoàn lưu tựa dừng, sóng hành tinh
Tồn tại vài tuần đến hàng tháng
≥ 1000
Như vậy tại lớp phân cách khí quyển và nước tồn tại các dòng khí tác động tương tác thông qua sự trao đổi năng lượng của các dòng động lượng, nhiệt và ẩm. Các quá trình này là cơ sở để tạo hoàn lưu khí quyển và hoàn lưu nước.
3) Các thành phần của hệ thống biển – khí quyển
Sơ đồ mô tả quan hệ giữa các thành phần của hệ thống biển – khí quyển (theo Adem)
Bức xạsóng ngắn & sóng dài
Giáng thủy Nhiệt từcác quá trình ngưng kết
Gió ngang Quá trình bình lưu
Hệ số rối
Xáo trộn ngang
Nhiệt độ lưu
Thayđổi tiềm nhiệt
Nhiệtđộ
Mây Hơi nước & các
loại khí, bụi
Nhiệt hấp thụcủa bềmặt
Bốc hơi bề
Dòng chảy mặt Quá trình bình
lưu và thay đổi Nhiệt độ bề
Nhiệt độ nước Tích tụ nhiệt của
Hệ số xáo trộn
Điều kiện Dòng nước
Dòng theo
Xáo trộn ngang
Bức xạ sóng Albedo Albedo mặt biển
Độ phủ mặt tháng
Từ sơ đồ trên ta nhận thấy: biển – khí quyển có chung nguồn gốc cung cấp năng lượng là bức xạ mặt trời và cả hai hệ biển và khí quyển đều cú chung những quy trình vật lý và các quy trình vật lý này có quan hệ tương hỗ lẫn nhau.
Điều khác nhau cơ bản là bản chất của hai môi tường nước và không khí: do sức ỳ của môi trường nước lớn hơn rất nhiều so với môi trường khí vì vậy các quy trình vật lý xảy ra trong môi trường nước bao giờ cũng chậm hơn, tính bất ổn định trong môi trường khí luôn luôn cao hơn so với môi trường nước.
4) Tương tác biển – khí quyển trên quy mô lớn
Biển và khí quyển đều có chung nguồn năng lượng mặt trời thông qua các tia bức xạ điện từ. Để có thể hiểu được nguồn năng lượng này phải tìm hiểu thông quá trình cân bằng bức xạ trên toàn bộ hành tinh mà chúng ta đang sinmh sống. nguồn năng lượng bức xạ này là nguyên nhân của các quá trình hoàn lưu trong khí quyển và đại dương. Hoàn lưu khí quyển và hoàn lưu nước đại dương, hai hệ thống hoàn lưu này hoạt động theo các chu trình độc lập song mối quan hệ tương tác giữa hai hệ thống này tạo ra quan hệ hệ thống khép kín quy mô lớn làm tiền đề phát triển các đối tượng trong đó.
Các nội dung về bức xạ mặt trời đã được nghiên cứu ở phần trước, ở đây ta sẽ xem xét hai quá trình: hoàn lưu khí quyển và hoàn lưu đại dương để bổ sung cho các nhận thức về quan hệ tương tác biển – khí quyển trên qui mô lớn.
a) Hoàn lưu chung khí quyển trong mối quan hệ tương tác với đại dương:
Quá trình phân bố nhiệt trong khí quyển và đại dương diễn ra khá phức tạp.
Trong giới hạn tầng đối lưu sát với bề mặt đại dương hầu như chỉ có quá trình đối lưu.
Trong tầng đối lưu chuyển động của các khối không khí chủ yếu thông qua các quá trình đối lưu theo phương thẳng đứng với bốn loại đối lưu cơ bản:
- Đối lưu tầng nông: quá trình đối lưu này chủ yếu là từ dạng năng lượng nhiệt trực tiếp, một phần nhỏ từ các quá trình bốc hơi, đám mây tích và truyền tải năng lượng cho lớp dưới của tầng đối lưu
- Đối lưu mây vũ: quá trình đối lưu này sản sinh ra toàn bộ năng lượng nhiệt cho cả tầng đối lưu truyền tải năng lượng cho các vùng vĩ độ cao và vĩ độ thấp.
- Đối lưu quy mô lớn: truyền tải năng lượng nhiệt từ vùng vĩ độ thấp đến vùng vĩ độ cao. Trong quá trình truyền nhiệt tạo ra các vùng áp thấp, các vùng xoáy nghịch trong khu vực vĩ độ trung bình. Quá trình đối lưu này cũng xáo trộn các lớp khí quyển theo phương ngang.
- Đối lưu quy mô mezo: quá trình đối lưu này là kết quả liên kết các khu vực đối lưu nông do sự phân bố mật độ không khí không đều và do sự khác nhau về độ nhám bề mặt giữa hai môi trường nước và khí quyển quyết định.
Như chúng ta đã biết, nhiều tác giả đã đưa ra bức tranh về hoàn lưu chung khí quyển có gắn kết với bề mặt đệm là đại dương và biển cả.
b) Hoàn lưu đại dương và quan hệ tương tác với hoàn lưu khí quyển:
- Hoàn lưu nước đại dương là thể hiện kết quả của quá trình vận chuyển năng lượng. Quá trình vận chuyển năng lượng theo phương ngang ( bình lưu ) tại vùng nhiệt
đới, xích đạo lên các vùng cực có tác động quan trọng đối với khí hậu. Tuy nhiên xác định lượng ( quá trình vận chuyển năng lượng đó là rất khó vì không đo đạc trực tiếp được, các phần năng lượng này . Công việc này đòi hỏi phải có mạng lưới đo dòng chảy đủ lớn và rất tốn kém. Vì vậy cần phải có biện pháp thay thế thong qua tính toán gián tiếp từ dòng chảy và nhiệt độ để suy ra vận chuyển nhiệt trên cơ sở của phương pháp cân bằng năng lượng trong hệ thống: mặt trời – trái đất hoặc đại dương.
Quá trình trao đổi năng lượng nhiệt trong hệ thống khí quyển – đại dương được mô tả bằng phương trình cân bằng năng lượng viết cho một vùng như sau:
R F
t
E r
∇.
−
∂ =
∂ Trong đó :
t E
∂
∂ : đặc trưng cho quá trình biến đổi năng lượng theo thời gian, R : nguồn bức xạ mặt trời của các tia tới biên giới trên khí quyền, Fr
∇. : dòng năng lượng xuất ra từ vùng đó của quá trình vận chuyển
trong hệ đại dương – khí quyển.
- Cơ chế vận chuyển trong đại dương:
Cơ chế chuyển động năng lượng theo kinh hướng có vai trò quan trọng trong điều phối khí hậu của hành tinh. Cơ chế chuyển động đó được hình thành dưới dạng các hệ dòng chảy biển. Tuy nhiên để đánh giá được hệ dòng chảy nào đóng góp được nhiều nhất vào chu trình vận chuyển đó là một việc làm khó. Ở đây ta chỉ xét đến vai trò của các dạng hoàn lưu cơ bản nhất, đó là hệ dòng chảy theo cơ chế biến động nhiệt, muối, các xoáy nhiễu động và hệ dòng chảy gió. Hệ dòng chảy gió sẽ được nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau và xem đó như là hệ quả của quan hệ tương tác biển - khí quyển.
Hai hệ dòng chảy Gulf stream và dòng chảy Kuroshio có vai trò quan trọng trong việc chuyển năng lượng kinh hướng trong đại dương. Có thể ước lượng dòng nhiệt hướng lên cực của dòng Gulf stream bằng cách xét tích của dòng khối lượng của nước (tích vận tốc của dòng chảy với diện tích tiết diện ngang của nước và mật độ nước) và hiệu nhiệt độ giữa Gulf stream và nhiệt độ gần bề mặt trung bình ở cùng vĩ độ.
Ví dụ: Dòng Gulf stream rộng 60 km, ở độ sâu 500 m và vận tốc trung bình 1 m/s, mật độ nước 103 kg/m3 thì khối lượng dòng nhiệt sẽ là:
103 (kg/m3) × 600 (m) × 500 (m) × 1 (m/s) = 3,0 × 1010 (kg/s).