F ( ) (4.1) Diễn biến tiếp theo của phần tử đang xét dưới ảnh hưởng của lực
4.3.Những dẫn liệu tổng quát về xáo trộn đối lưu
Theo nghĩa rộng, thuật ngữ đối lưu thường được hiểu là sự vận chuyển khối lượng và năng lượng trong chất lỏng chuyển động hoặc xáo trộn. Trong trường hợp tổng quát, đối lưu được chia thành hai dạng: đối lưu cưỡng bức và đối lưu tự do. Đối lưu cưỡng bức được gây nên bởi tác động của các ngoại lực ma sát biên và ma sát trong. Các dòng chảy và rối động lực thuộc loại đó. Đối lưu cưỡng bức phát triển chủ yếu theo phương ngang, có thể một phần theo phương thẳng đứng.
Đối lưu tự do (tự nhiên) được gây bởi tác động của các ngoại lực trong khi tồn tại bất đồng nhất mật độ tại các điểm không gian. Như vậy đối lưu tự do thể hiện chủ yếu trong chuyển động của các khối nước trong phương thẳng đứng.
Vì các hải lưu và rối được xét trong hải dương học dưới dạng các mục độc lập, nên theo nghĩa hẹp người ta hiểu đối lưu chỉ là đối lưu tự do. Từ đây
về sau chúng ta cũng tuân theo định nghĩa này.
Việc nghiên cứu đối lưu tự do với các qui mô và hình thức khác nhau rất quan trọng để hiểu và giải thích nhiều quá trình thủy nhiệt động lực diễn ra trong Đại dương Thế giới. Xáo trộn đối lưu có vai trò đáng kể trong chế độ thủy văn các biển và đại dương, tác động trực tiếp tới trạng thái không những của các lớp nước mặt mà cả ở dưới sâu. Trước hết điều này thể hiện trong đối lưu thu đông, dạng đối lưu này phổ biến rộng khắp tại các vĩ độ trung bình và vĩ độ cao trong cả hai bán cầu. Ngoài ra, đối lưu ảnh hưởng tới các quá trình, thí dụ như tạo băng, điều kiện truyền các dao động đàn hồi trong nước, sự phân bố các vùng với sản lượng sinh học khác nhau.
Sự hình thành lớp mặt đồng nhất, độ dày và phân bố không gian của nó phụ thuộc vào cường độ xáo trộn đối lưu, đặc biệt tại những vùng mà dạng xáo trộn này diễn ra trong thời gian dài. Kết quả nghiên cứu cho thấy đối lưu xâm nhập tới độ sâu lớn ở các vùng tây bắc và bắc của Đại Tây Dương. Thí dụ, độ sâu đối lưu ở các đới front của thủy vực Labrađo đạt tới 2000-3000 m, trong khi ở các vùng khơi đại dương trên cùng những vĩ độ thì độ sâu đối lưu thường nhỏ hơn một bậc. Thực tế đối lưu thu đông phát triển tới đáy tại nhiều biển bao quanh bờ châu Nam Cực. Thí dụ như ở biển Weddell, nước các lớp mặt lạnh và mặn trườn theo sườn hẻm sâu xuống tới đáy và sau đó theo hệ thống hoàn lưu tầng sâu chảy lan rất xa lên phía bắc của Đại Tây Dương, cắt đường xích đạo. Theo những ước lượng hiện đại nhận được trên cơ sở mô hình hóa hoàn lưu chung đại dương, hàng năm trong Đại dương Thế giới hình thành (11,5)106 km3 nước tầng sâu.
Đối lưu có thể là thuộc loại đối lưu gần mặt và đối lưu nội tại lớp. Nguyên nhân xuất hiện đối lưu loại thứ nhất là sự nguội lạnh và mặn hóa lớp nước gần mặt đại dương do các quá trình trao đổi nhiệt và ẩm với khí quyển. Sự hình thành đối lưu nội tại lớp liên quan tới sự phát triển của quá trình dẫn nhiệt phân tử và khuếch tán muối cũng như sự bất đồng nhất phương ngang của trường nhiệt muối, tình huống này có thể do bình lưu nhiệt và muối bởi các dòng chảy. Thí dụ, dưới tác động của vận chuyển bình lưu có thể hình thành cái gọi là đối lưu ngang, đó là chuyển động không cùng hướng của các
lớp nước mỏng kế cận nhau. Dạng đối lưu ngang sẽ tỏ ra có ý nghĩa trong tình huống có hai cột nước ổn định thủy tĩnh, nhưng phân tầng theo kiểu khác nhau do kết quả quá trình vận chuyển bình lưu sẽ di chuyển tới gần nhau. Trong trường hợp này chênh lệch mật độ và áp suất sẽ tạo thuận lợi cho sự phát triển những chuyển động địa phương hướng tới tạo thành một cấu trúc thẳng đứng ổn định duy nhất thay vì hai cấu trúc ban đầu.
Thường người ta phân biệt hai dạng chuyển động đối lưu chính: đối lưu dạng nhân và đối lưu dưới dạng các nguyên tốđối lưu. Đối lưu nhân được nghiên cứu kĩ nhất. Benar lần đầu tiên năm 1901 đã có mô tả kinh điển về sự phát triển đối lưu nhân trong điều kiện phòng thí nghiệm. Trong một lớp chất lỏng mỏng được nung nóng đều từ phía dưới, các phần tử của nó lúc đầu bắt đầu đảo lộn một cách hỗn loạn. Sau một khoảng thời gian cỡ vài giây hoặc vài phút tùy thuộc độ nhớt của chất lỏng, sẽ hình thành một trạng thái trong đó các dòng thẳng đứng tạo thành những hình lục giác. Tỉ số giữa chiều dài cạnh của những lục giác này và chiều cao của nhân bằng khoảng 2 : 1. Chất lỏng nâng lên ở tâm của các hình lục giác, phân kỳ tại mặt và hạ chìm xuống dọc theo các mặt, ngoài ra chuyển động giáng cực đại sẽ quan sát thấy ở các biên bên của nhân.
Sự hình thành của các nguyên tố đối lưu có thể liên quan tới độ ổn định tương đối của các lớp nước. Trường hợp này gặp thấy khi hai chất lỏng khác nhau có chung mặt phân cách phẳng chịu tác động của một gia tốc trên hướng vuông góc với mặt chung của chúng. Khi gia tốc hướng từ môi trường ít đậm đặc hơn tới môi trường đậm đặc hơn thì mặt phân cách trở nên không ổn định. Trong khi phát triển tính bất ổn định, chất lỏng đậm đặc hơn sẽ phát ra những luồng dài vào phía chất lỏng ít đậm đặc.
Chỉ tiêu xuất hiện và phát triển cả hai dạng đối lưu tự do là số Rayleigh, số này có thể được viết dưới dạng:
3 Ra k h T g ,
trong đó hệ số dãn nở nhiệt của nước biển; hệ số nhớt phân tử động
học; k hệ số dẫn nhiệt độ phân tử; h độ dày lớp đang xét; T hiệu các nhiệt độ tại các biên trên và dưới của lớp.
Những số Rayleigh dương tương ứng với phân tầng bất ổn định (tăng nhiệt độ - giảm mật độ theo độ sâu). Trong lớp đối lưu thì sự phân tầng bất ổn định là điều kiện cần không chỉ để xuất hiện, mà để phát triển các chuyển động thẳng đứng có trật tự và vô trật tự.
Những số Rayleigh âm tương ứng với phân tầng ổn định (giảm nhiệt độ - tăng mật độ theo độ sâu). Điều này có nghĩa rằng những nhiễu động ngẫu nhiên của mật độ, nhiệt độ, độ muối trong lớp với độ ổn định dương bị tàn lụi dần do ảnh hưởng đồng thời của độ nhớt và tính dẫn nhiệt. Độ ổn định dương cản trở sự phát triển của những chuyển động có trật tự. Đối lưu tự do trong trường hợp này là bất ổn định và phát triển theo kiểu xáo trộn xâm nhập.
Trong khi hình thành sự bất ổn định ở lớp nước mặt, đối lưu tự do xuất hiện ở một lớp ban đầu nào đó và trong quá trình phát triển nó sẽ xâm nhập sâu vào môi trường nước có độ ổn định dương. Toàn bộ lớp nước trong đó phát triển đối lưu nhiệt muối sẽ cấu tạo từ hai phần: phần biên bên trên với độ ổn định âm và phần dưới với độ ổn định dương. Đối với phần bên trên của lớp đối lưu sẽ thỏa mãn tương quan . Trong phạm vi đới này sẽ hình thành những nhiễu động đối lưu; từ đó chúng xâm nhập sâu vào môi trường có phân tầng ổn định, dần dần suy yếu và triệt tiêu. Trong phạm vi phần dưới của lớp đối lưu sẽ thỏa mãn điều kiện , điều kiện này được tuân thủ cả với độ ổn định dương cũng như độ ổn định âm yếu. Trị số tới hạn của số Rayleigh thường bằng Ra .
cr Ra , 657 Ra cr cr Ra Ra 5
Trên hình 4.4 dẫn một thí dụ về hoạt động của đối lưu thu đông: phân bố không gian của độ sâu xáo trộn đối lưu trung bình tháng 3 ở vùng đông bắc Đại Tây Dương. Dễ dàng thấy rằng cực đại độ dày lớp đối lưu quan sát thấy ở khoảng giữa Aixơlen và nước Anh, trong vịnh Biskay gần bờ bán đảo Pirênê, ở đây độ dày này đạt tới 900 m. Ở phần trung tâm đại dương, độ dày lớp đối lưu giảm đi hơn hai lần. Ở phía bên kia của bán đảo Pirênê, tại vùng eo biển Ghibralta, độ dày lớp trở thành gần bằng 100 m, tức giảm đi khoảng
10 lần.
Hình 4.4. Phân bố không gian của độ sâu xáo trộn đối lưu (m) ở vùng đông bắc
Đại Tây Dương vào tháng 3 theo số liệu quan trắc nhiệt áp kế
Tuy nhiên, vùng trung tâm của biển Grinlan được xem là nơi chủ yếu hình thành các khối nước tầng sâu và nước đáy ở bắc bán cầu. Sự tương tác của các dòng hải lưu ấm và lạnh trên nền địa hình đáy phức tạp của thủy vực Grinlan đã dẫn tới hình thành một hoàn lưu xoáy thuận kín, điều này cùng với sự mất nhiệt mạnh mẽ và tính phân tầng thẳng đứng yếu tạo nên trong mùa đông những tiền đề thuận lợi cho sự phát triển đối lưu sâu.
Thực chất của cơ chế phát triển đối lưu Grinlan do các nhà nghiên cứu người Nga G.A. Alekseev, V.V. Ivanov và nnk. đề xuất như sau. Một lớp nước mặt bất ổn định thủy tĩnh được hình thành do sự mặn hóa ban đầu là nguồn gốc của những nguyên tố với độ nổi mang dấu âm cấu tạo từ nước đậm đặc hơn và có qui mô phương ngang từ một số mét tới vài chục mét (các tác giả gọi là nguyên tố nhiệt hay nguyên tố nổi). Trong quá trình chìm xuống, kích thước đặc trưng của các nguyên tố nổi tăng dần, nhưng lượng hụt độ nổi giảm một số lần do hệ quả xáo trộn và thu nạp nước xung quanh. Độ sâu thâm nhập của nguyên tố nổi phụ thuộc vào lượng hụt độ nổi ban đầu và sự phân tầng của môi trường bao quanh. Trong khi giữ không đổi những điều kiện bên ngoài, mỗi nguyên tố nổi hình thành tiếp sau sẽ thâm nhập sâu hơn nguyên tố trước do cột nước dần dần bị đồng nhất hóa. Sự hòa hợp một số nguyên tố nổi riêng biệt dẫn tới hình thành những đới đối lưu tương đối rộng (với qui mô một số kilômét) đạt tới ranh giới trên của nước tầng sâu. Như vậy, sự phát triển đối lưu được thực hiện từ qui mô nhỏ tới qui mô lớn. Đối lưu có thâm nhập tiếp nữa xuống tới lớp đáy hay không là do cường độ trao đổi năng lượng với khí quyển quyết định và phụ thuộc vào độ muối của lớp mặt đại dương. Khi đối lưu có thể lan tới đáy, còn khi độ muối nhỏ hơn, đối lưu chỉ giới hạn tới lớp nước tầng sâu.
o S34,82%
Theo qui mô không gian - thời gian, đối lưu có thể được phân chia thành ba kiểu: kiểu qui mô lớn, kiểu qui mô trung bình và kiểu qui mô nhỏ. Đối lưu qui mô lớn trước hết là đối lưu tự do trong thời kì nguội lạnh thu đông, có qui mô không gian - thời gian đáng kể: trong phương thẳng đứng - hàng trăm và hàng nghìn mét, phương ngang - hàng nghìn kilômét, qui mô thời gian - một số tháng. Thí dụ về đối lưu qui mô vừa có thể là những quá trình liên quan tới biến trình ngày đêm của các yếu tố khí tượng thủy văn. Thật vậy, vào ban đêm mùa hạ ở các vĩ độ trung bình, lớp mặt đại dương bị lạnh mạnh mẽ do sự phát xạ hiệu dụng, trao đổi rối và bốc hơi và mặn hóa do bốc hơi. Kết quả là xuất đối lưu tự do với qui mô thẳng đứng đặc trưng từ một số mét đến vài chục mét.
trưng bất đồng nhất nhiệt muối với qui mô theo phương thẳng đứng 1 cm 1 m, phương ngang 1 m 1 km và thời gian 1 s 1 ngày đêm. Một trong những cơ chế hình thành của nó là sự đối lưu khuếch tán phân hóa, biểu hiện hoặc dưới dạng các chùm lưỡi muối (salt fingers), hoặc dưới dạng đối lưu theo lớp. Một số qui luật hình thành vi cấu trúc sẽ được xét dưới đây.