Các quá trình vật lý và hóa học của hồ - Chương 4

Những cơ chế xáo trộn trong hồ4.1. sự Vận chuyển và xáo trộnVận chuyển là một trong những quá trình quan trọng nhất trong tự nhiên. Những hợp chất hoá học, những phần tử của hệ thống sinh - địa hoá không ngừng chuyển động ở khắp mọi nơi trên trái đất. ở mức độ vĩ mô, chuyển động nhiệt của phân tử và nguyên tử đ ợc xem nh là sự khuếch tán phân tử, tức là nh một loại chuyển động chậm nh ng bền vững “ giảm dần theo sự chênh lệch mật độ”. Mặc dù...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Các quá trình vật lý và hóa học của hồ - Chương 4 Ch ¬ng 4 Nh÷ng c¬ chÕ x¸o trén trong hå4.1. sù VËn chuyÓn vμ x¸o trénVËn chuyÓn lμ mét trong nh÷ng qu¸ tr×nh quan träng nhÊt trong tù nhiªn.Nh÷ng hîp chÊt ho¸ häc, nh÷ng phÇn tö cña hÖ thèng sinh - ®Þa ho¸ kh«ngngõng chuyÓn ®éng ë kh¾p mäi n¬i trªn tr¸i ®Êt. ë møc ®é vÜ m«, chuyÓn ®éngnhiÖt cña ph©n tö vμ nguyªn tö ® îc xem nh lμ sù khuÕch t¸n ph©n tö, tøc lμnh mét lo¹i chuyÓn ®éng chËm nh ng bÒn v÷ng “ gi¶m dÇn theo sù chªnh lÖchmËt ®é”. MÆc dï vËn tèc trung b×nh cña c¸c nguyªn tö dao ®éng trong kho¶ng– hμng chôc ®Õn hμng tr¨m m/s, qu¸ tr×nh vËn chuyÓn thùc l¹i rÊt yÕu bëi c¸cph©n tö kh«ng duy tr× ® îc h íng chuyÓn ®éng ®ñ dμi. Do ®ã hÖ sè khuÕch t¸nph©n tö ®Æc tr ng cña chÊt hoμ tan trong n íc xÊp xØ 10-9 m2/s , t ¬ng øng víikho¶ng c¸ch di chuyÓn ®Æc tr ng hμng n¨m kho¶ng 20 cm. ThËm chÝ, trongchÊt r¾n, hÖ sè khuÕch t¸n cßn gi¶m xuèng thÊp ®Õn møc 10-14 m2/s hoÆc cßnnhá h¬n n÷a.Râ rμng, chuyÓn ®éng ë cÊp ®é ph©n tö chØ cã thÓ lμ nguån gèc ®¸ng kÓ cñanh÷ng vËn chuyÓn vÜ m« qua nh÷ng kho¶ng c¸ch rÊt ng¾n hoÆc trong nh÷ngkho¶ng thêi gian dμi. Thùc vËy, sù vËn chuyÓn qua mÆt ph©n giíi ® îc ®iÒukhiÓn bëi qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ph©n tö vμ ®éng lùc cña qu¸ tr×nh biÕn ®æi ho¸häc nμo ®ã l¹i chÞu sù chi phèi cña chuyÓn ®éng ph©n tö cña nh÷ng chÊt thamgia ph¶n øng. H¬n n÷a, nh÷ng qu¸ tr×nh ®Þa ho¸ trong th¹ch quyÓn chñ yÕudiÔn ra t¹i mét thêi ®iÓm mμ c¸c qu¸ tr×nh ph©n tö b¾t ®Çu cã vai trß nhÊt®Þnh.Tuy nhiªn, mét thμnh phÇn chñ chèt cña m«i tr êng (khÝ quuyÓn vμ thuûquyÓn) lμ chÊt láng trong tù nhiªn. Do lùc néi ma s¸t trong kh«ng khÝ vμ n ícnhá nªn ngay c¶ mét ngo¹i lùc nhá h¬n còng cã thÓ g©y ra chuyÓn ®éng ë møc®é vÜ m«. Thùc sù, n¨ng l îng cña kiÓu chuyÓn ®éng nh vËy vÉn yÕu so víin¨ng l îng tÝch luü trong chuyÓn ®éng nhiÖt nh ng nh÷ng m« h×nh dßng ch¶yl¹i cã cÊu tróc bÒn v÷ng nªn chóng t¹o ra mét lo¹i h×nh vËn ®éng gäi lμ b×nhl u. Trong nhiÒu tr êng hîp, lo¹i h×nh vËn ®éng nμy cßn cã t¸c ®éng chi phèim¹nh h¬n nhiÒu so víi qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ph©n tö.VËn ®éng khuÕch t¸n vμ b×nh l u ® îc biÓu diÔn th«ng qua thuËt ng÷ vÐct¬th«ng l îng F , m« t¶ l u l îng thùc cña toμn bé khèi l îng vËt chÊt däc theomét trôc nμo ®ã trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch vu«ng gãc víi trôc nμy trong mét ®¬nvÞ thêi gian (modul l u l îng). Trong tr êng hîp vËn ®éng khuÕch t¸n, vect¬ F ® îc xÐt ®Õn trong ®Þnh luËt næi tiÕng Ficky I. Nhê vËy, qu¸ tr×nh vËnchuyÓn ® îc x¸c ®Þnh mét c¸ch râ rμng; Nh ng x¸o trén lμ g×? Trong c«ng tr×nhnghiªn cøu kinh ®iÓn cña m×nh, Eckart (1948) ®· ph©n biÖt sù kh¸c nhau gi÷ahçn lo¹n vμ x¸o trén b»ng ®Þnh nghÜa cho r»ng hçn lo¹n nh lμ mét qu¸ tr×nh 139 http://www.ebook.edu.vng©y ra sù gia t¨ng gradient kh«ng gian vμ ng îc l¹i x¸o trén g©y nªn sù suygi¶m cña gradient kh«ng gian. Còng theo Eckart, hçn lo¹n x¶y ra do chuyÓn®éng b×nh l u, nã diÔn ra ngay c¶ trong qu¸ tr×nh chuyÓn ®éng cña chÊt lángch¶y tÇng khi nh÷ng vËn tèc b×nh l u kh¸c nhau t¸c ®éng lªn nh÷ng phÇn thÓtÝch kh¸c nhau t¹o nªn sù biÕn d¹ng cña chÊt láng. Ng îc l¹i, sù chªnh lÖch rârÖt gi÷a nh÷ng khèi chÊt láng sinh ra do hçn lo¹n ® îc san b»ng nhê qu¸ tr×nhx¸o trén, mét qu¸ tr×nh chØ cã thÓ diÔn ra nh mét hÖ qu¶ cña sù khuÕch t¸nph©n tö víi ý nghÜa lμ giai ®o¹n cuèi cïng. Sù ph©n biÖt nμy, mÆc dÇu kh¸®óng theo quan niÖm nh ng ch a tho¶ m·n quan ®iÓm trùc gi¸c.Do sù khuÕch t¸n ph©n tö t¸c ®éng lªn nh÷ng cÊu tróc nhá cã hiÖu lùc h¬n lªnnh÷ng cÊu tróc lín nªn mét sè kiÓu x¸o trén “tinh” kÕt hîp víi khuÕch t¸nph©n tö g©y ra “sù ph©n r·” hoμn toμn cña cÊu tróc. Do ®ã vËn ®éng b×nh l uh íng tíi cÊu tróc tËp trung kh«ng gian cã kÝch cì ch a tíi h¹n còng cã thÓ®Þnh nghÜa nh lμ sù x¸o trén. TÊt nhiªn, kiÓu vËn ®éng b×nh l u nμy ® îc liªnhÖ víi b¶n chÊt m¹ch ®éng cña dßng ch¶y. Chóng ta sö dông thuËt ng÷ “x¸otrén rèi” ®Ó ph©n biÖt nã víi qu¸ tr×nh x¸o trén ph©n tö hoμn toμn. Kho¶ngc¸ch mμ v ît qu¸ nã, khuÕch t¸n ph©n tö b¾t ®Çu cã hiÖu lùc tØ lÖ víi c¨n bËchai cña kho¶ng thêi gian tr«i qua. Do ®ã, tØ lÖ kho¶ng c¸ch ®Æc tr ng ph©n chiahçn l u vμ x¸o trén kh«ng x¸c ®Þnh ® îc nh ng l¹i t¨ng theo thêi gian quans¸t.VËn chuyÓn , hçn lo¹n vμ x¸o trén lμ nh÷ng qu¸ tr×nh v« cïng quan träng, gãpphÇn Ên ®Þnh nhÞp ®é ph¸t triÓn cña c¸c qu¸ tr×nh sinh ho¸. Môc ®Ých cñach ¬ng nμy lμ x¸c ®Þnh quy m« vÒ thêi gian vμ kh«ng gian rót ra tõ nh÷ngnguyªn t¾c vËt lÝ cña chuyÓn ®éng chÊt láng vμ liªn hÖ chóng víi møc ®é cñac¸c qu¸ tr×nh biÕn ®æi. Tuú thuéc vμo b¶n chÊt cña nh÷ng sù biÕn ®æi nμy, mçihîp chÊt sÏ “c¶m nhËn” ® îc bøc tranh vËt lÝ häc cña chÝnh chóng vμ “c¸i nh×n”®éc ®¸o (riªng biÖt) cña chuyÓn ®éng, kh«ng ph¶i lμ vËn chuyÓn th× còng lμ hçnlo¹n vμ x¸o trén. ChÝnh sù kÕt hîp cña nh÷ng ®Æc tÝnh vËt lÝ vμ c¸c qu¸ tr×nhsinh ho¸ ®· t¹o nªn diÖn m¹o rÊt kh¸c nhau cho nh÷ng hÖ thèng thuû.4.2 Hå lμ mét hÖ thèng vËt lÝHå lμ hÖ thèng vËt lÝ ®a d¹ng ...