1. Trang Chủ
  2. Địa Lý
  3. Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ ( ĐH khoa học tự nhiên ) - Chương 8

Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và vùng nước ven bờ ( ĐH khoa học tự nhiên ) - Chương 8

Nghiên cứu những hệ thống xáo trộn mạnh 8.1 Giới thiệu Trong Chương 4 đã chỉ ra rằng sự pha loãng một chất trong môi trường biển được thúc đẩy bởi tác động của rối; sự pha loãng như vậy được coi như xáo trộn khuếch tán. Tuy vậy, Chương 5 đã giải thích phát tán trượt, trong đó những biến đổi vận tốc theo không gian làm tăng diện tích mặt nước mà qua đó xáo trộn khuếch tán có thể tác động, có thể định lượng ra sao. Trong các cửa sông và vùng nước ven bờ, vận... Ch­¬ng 8. Nghiªn cøu nh÷ng hÖ thèng

Thể loại Tài liệu miễn phí Địa Lý

Số trang 45

Ngày tạo 8/29/2018 11:44:01 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 2.37 M

Tên tệp

Tải Quá trình Phát tán vật chất trong các cửa sông và ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. Ch­¬ng 8. Nghiªn cøu nh÷ng hÖ thèng x¸o trén m¹nh 8.1 Giíi thiÖu Trong Ch­¬ng 4 ®· chØ ra r»ng sù pha lo·ng mét chÊt trong m«i tr­êng biÓn ®­îc thóc ®Èy bëi t¸c ®éng cña rèi; sù pha lo·ng nh­ vËy ®­îc coi nh­ x¸o trén khuÕch t¸n. Tuy vËy, Ch­¬ng 5 ®· gi¶i thÝch ph¸t t¸n tr­ît, trong ®ã nh÷ng biÕn ®æi vËn tèc theo kh«ng gian lµm t¨ng diÖn tÝch mÆt n­íc mµ qua ®ã x¸o trén khuÕch t¸n cã thÓ t¸c ®éng, cã thÓ ®Þnh l­îng ra sao. Trong c¸c cöa s«ng vµ vïng n­íc ven bê, vËn tèc th­êng biÕn ®æi theo ®é s©u vµ theo h­íng vu«ng gãc víi dßng ch¶y, vµ ph¸t t¸n tr­ît th­êng lµ c¬ chÕ ­u thÕ hç trî sù pha lo·ng. T¹i ®iÓm nµy nªn tãm t¾t l¹i bèn khÝa c¹nh chÝnh cña ph¸t t¸n tr­ît ®· ®­îc lµm s¸ng râ trong Ch­¬ng 5. Nh÷ng ®iÒu ®ã lµ: 1. Trong dßng ch¶y æn ®Þnh víi sù x¸o trén t­¬ng ®èi nhanh, ®é lín ph¸t t¸n nh¹y c¶m ®èi víi ph©n bè vËn tèc. 2. NÕu hÖ thèng cã giíi h¹n, vÝ dô bëi mÆt n­íc vµ ®¸y biÓn, th× ph¸t t¸n tû lÖ nghÞch víi hÖ sè khuyÕch t¸n th¼ng ®øng. 3. Khi chØ mét biªn h¹n chÕ x¸o trén, vÝ dô mÆt n­íc, ph¸t t¸n tû lÖ thuËn víi hÖ sè khuyÕch t¸n th¼ng ®øng. 4. Trong dßng ch¶y nhiÔu ®éng (thñy triÒu), ph¸t t¸n phô thuéc vµo møc ®é x¸o trén rèi so víi møc ®é biÕn d¹ng ph¸t sinh bëi sù tr­ît. §Ó hiÓu vµ ®Þnh l­îng møc ®é ph¸t t¸n trong c¸c cöa s«ng vµ n­íc ven bê, ®ßi hái kiÕn thøc cho c¶ tr­ît vËn tèc lÉn x¸o trén rèi. V× nh÷ng yÕu tè nµy cã vÎ biÕn ®æi trªn mét khu vùc vµ thay ®æi theo thêi gian øng víi khi triÒu xuèng vµ triÒu lªn, viÖc nhËn ®­îc mét hiÓu biÕt nh­ vËy ®Æt ra mét th¸ch thøc ®¸ng kÓ. T×nh huèng cßn phøc t¹p h¬n ë chç tr­ît vµ rèi kh«ng ph¶i lµ nh÷ng qu¸ tr×nh ®éc lËp - khi lÊy trung b×nh hoÆc thêi gian khuyÕch t¸n dµi ra, nh÷ng chuyÓn ®éng ®· lµ mét phÇn cña 't¸c ®éng tr­ît' nay trë thµnh mét phÇn cña rèi. H¬n n÷a, nh­ ®· thÊy trong Ch­¬ng 3, rèi vËn chuyÓn c¶ ®éng l­îng lÉn khèi l­îng víi møc ®é kh¸c víi møc ®é ph©n tÇng cña dßng ch¶y. Ch­¬ng nµy kh¶o s¸t nh÷ng qu¸ tr×nh ph¸t t¸n trong n­íc x¸o trén m¹nh, trong ®ã nh÷ng hiÖu øng ph©n tÇng phøc t¹p cã thÓ bá qua. Tham kh¶o nh÷ng kÕt qu¶ thùc nghiÖm trong m«i tr­êng biÓn vµ gi¶i thÝch chóng trªn c¬ së nh÷ng kh¸i niÖm lý thuyÕt ®· ph¸c th¶o trong nh÷ng Ch­¬ng 4 vµ 5. Hai ch­¬ng sau ®Ò cËp ®Õn sù ph¸t t¸n trong nh÷ng dßng ch¶y cßn qu¸ xa ®Ó ®ång nhÊt; Ch­¬ng 9 xÐt nh÷ng hÖ thèng hoµn toµn ph©n tÇng vµ Ch­¬ng 10 xÐt nh÷ng hÖ thèng ®­îc ph©n lo¹i nh­ 'ph©n tÇng mét phÇn'. Sù ph©n chia m«i tr­êng biÓn nh­ vËy lµ h¬i tuú tiÖn vµ cã mét sè dù ®Þnh ®Ó ®Þnh l­îng sù biÕn thiªn tÝnh æn ®Þnh trong cöa s«ng. Bëi vËy, ch­¬ng nµy b¾t ®Çu víi mét tæng quan 229
  2. ng¾n gän vÒ kü thuËt ph©n lo¹i cöa s«ng ®­îc ¸p dông cho ®Õn nay. Nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸o trén m¹nh phô thuéc vµo rèi, hoÆc ph¸t sinh t¹i ®¸y biÓn hoÆc bëi t¸c ®éng giã/sãng trªn mÆt biÓn, vµ phÇn cßn l¹i cña ch­¬ng nµy kh¶o s¸t sù ph¸t t¸n xuÊt hiÖn tõ c¸c nguyªn nh©n ban ®Çu nµy. 8.2 Kü thuËt ph©n lo¹i cöa s«ng Kh«ng kh¸c th­êng ®Ó nhËn ra r»ng nh÷ng hÖ thèng ®¹i d­¬ng n»m gi÷a nh÷ng cùc trÞ cña x¸o trén m¹nh vµ ph©n tÇng. Trong mét vµi tr­êng hîp, sù ph©n tÇng t¹i mét vÞ trÝ ®Æc tr­ng cã thÓ biÕn ®æi gi÷a nh÷ng giíi h¹n nµy trong mét chu kú ®· cho, cho nªn, vÝ dô cét n­íc t­¬ng ®èi ®ång nhÊt t¹i mét thêi gian trong chu kú thñy triÒu vµ hoµn toµn ph©n tÇng t¹i thêi gian kh¸c. TÝnh biÕn thiªn nh­ vËy kh«ng bÞ h¹n chÕ ®èi víi nh÷ng thay ®æi theo thêi gian chu kú thñy triÒu. T¹i mét vÞ trÝ ®· cho, nh÷ng biÕn ®æi tÝnh æn ®Þnh cã thÓ xuÊt hiÖn tõ nh÷ng thay ®æi do sù nãng lªn hµng ngµy bëi bøc x¹ mÆt trêi, nh÷ng thay ®æi c­êng ®é dßng ch¶y trong kú triÒu c­êng/yÕu, hoÆc thËm chÝ nh÷ng thay ®æi hµng ngµy/tõng mïa cña nguån n­íc ngät nhËp vµo cöa s«ng hoÆc vïng ven bê. Nh÷ng hÖ thèng, vÒ trung b×nh, n»m gi÷a nh÷ng cùc trÞ cña æn ®Þnh ®­îc m« t¶ nh­ 'ph©n tÇng mét phÇn'; chóng quan träng theo quan ®iÓm ph¸t t¸n bëi v× chóng t­¬ng ®èi tæng qu¸t. Cã mèi quan t©m tõ l©u trong viÖc ph©n lo¹i cöa s«ng theo c¸c kiÓu ®Æc tr­ng, dùa vµo viÖc m« t¶ nh÷ng qu¸ tr×nh vËt lý, hãa häc hoÆc sinh häc ®i cïng chóng. B»ng c¸ch nµy cã thÓ nãi, liÖu cã ph¶i nh÷ng qu¸ tr×nh trong mét cöa s«ng lµ t­¬ng ®ång víi nh÷ng qu¸ tr×nh t­¬ng ®­¬ng trong mét cöa s«ng cïng kiÓu hay kh«ng. Trong khi thiÕu mét sè biÖn ph¸p ®Ó ph©n lo¹i cöa s«ng, viÖc so s¸nh nh÷ng hÖ thèng trë nªn tuú tiÖn h¬n. Tho¹t tiªn, sù ph©n biÖt nh÷ng lo¹i cöa s«ng kh¸c nhau lµ thuÇn tóy m« t¶, quy vÒ ®Þa m¹o (tøc lµ h×nh d¹ng ®¸y) vµ nh÷ng ®Æc tr­ng cña cét n­íc (Pritchard, 1952). Tuy nhiªn, ®Ó so s¸nh nh÷ng qu¸ tr×nh vËt lý trong nh÷ng lo¹i cöa s«ng kh¸c nhau, ®· cã nh÷ng nç lùc ®Ó s¾p ®Æt mét ph­¬ng ph¸p ph©n lo¹i mang tÝnh ®Þnh l­îng h¬n. Mét c¸ch tiÕp cËn lµ x¸c ®Þnh cöa s«ng d­íi d¹ng mét sè phi thø nguyªn - vÝ dô sè cöa s«ng EN (Turner, 1973: tr. 158) x¸c ®Þnh nh­ pt F 2 (8.1) EN  RT trong ®ã Pt lµ thÓ tÝch l¨ng trô thñy triÒu (tøc lµ thÓ tÝch cña n­íc biÓn ®i vµo cöa s«ng khi triÒu lªn), F = u0/ (gd)1/2 lµ sè Froude b×nh th­êng, u0 lµ vËn tèc thñy triÒu trung b×nh vµ d lµ ®é s©u thñy triÒu trung b×nh, R lµ l­u l­îng thÓ tÝch nhËp vµo cña s«ng vµ T lµ chu kú thñy triÒu. §· ®¸nh gi¸ r»ng sù ph©n chia gi÷a ®iÒu kiÖn ph©n tÇng vµ ®iÒu kiÖn x¸o trén m¹nh xuÊt hiÖn khi EN n»m tõ 0,03 ®Õn 0,3, nh÷ng gi¸ trÞ lín h¬n cña EN t­¬ng øng víi t×nh huèng sau. V× cÊu tróc mËt ®é cña mét cöa s«ng cã thÓ thay ®æi ®¸ng kÓ trong thêi gian mét chu kú thñy triÒu, nh÷ng nç lùc sím nhÊt ®Ó ®Þnh l­îng sù kh¸c nhau gi÷a c¸c cöa s«ng ®· sö dông vËn tèc trung b×nh thñy triÒu liªn quan ®Õn nguån n­íc ngät nhËp vµo hÖ thèng vµ hoµn l­u d­ th¼ng ®øng (Hansen vµ Rattray, 1966). Nh÷ng yÕu tè nµy ®­îc thÓ 230
  3. hiÖn b»ng viÖc lÊy tû sè cña vËn tèc mÆt n­íc trung b×nh thñy triÒu u0v, lµ sè ®o c­êng ®é cña hoµn l­u th¼ng ®øng, trªn vËn tèc u0 trung b×nh mÆt c¾t do dßng ch¶y s«ng. Sù æn ®Þnh cña hÖ thèng ®­îc xÐt ®Õn b»ng viÖc sö dông tû lÖ kh¸c biÖt vÒ ®é mÆn gi÷a mÆt n­íc vµ ®¸y s0 trªn ®é mÆn trung b×nh mÆt c¾t s0. H×nh 8.1 minh häa sù ph©n lo¹i tiªu biÓu cña cöa s«ng b»ng c¸ch sö dông tiÕp cËn Hansen vµ Rattray. S¬ ®å chia thµnh nh÷ng khu vùc øng víi nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¸c nhau cña dßng ch¶y vµ khuyÕch t¸n. Trong khu vùc 1 dßng d­ h­íng vÒ phÝa biÓn t¹i tÊt c¶ c¸c ®é s©u vµ dßng muèi h­íng vµo phÝa ®Êt lµ hoµn toµn do khuyÕch t¸n. Trong khu vùc 2 cña s¬ ®å dßng d­ ®¶o ng­îc h­íng t¹i ®é s©u trung gian nµo ®ã vµ dßng lªn th­îng l­u lµ do c¶ khuyÕch t¸n lÉn hoµn l­u thùc tÕ. Trong c¶ hai khu vùc nµy cña h×nh vÏ, lo¹i a vµ b tham chiÕu ®Õn nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸o trén m¹nh vµ ph©n tÇng, t­¬ng øng. Khu vùc 3 øng víi cöa s«ng, phô thuéc vµo sù cuèn theo ®èi víi vËn chuyÓn th¼ng ®øng cña muèi, nh­ nh÷ng fio, ë ®ã rÊt Ýt dßng khuÕch t¸n. Khu vùc 4 lµ ®Æc tr­ng cña ®iÒu kiÖn nªm mÆn cè ®Þnh. C¸ch tiÕp cËn Hansen vµ Rattray ®­îc Dyer (1977) sö dông ®Ó xÐt nh÷ng hiÖu øng hoµn l­u h­íng ngang trong viÖc ph©n lo¹i nh÷ng cöa s«ng. H×nh 8.1. S¬ ®å ph©n lo¹i cöa s«ng Hansen - Rattray. (M· tr¹m: M, Cöa s«ng Mississippi ; C, Cöa s«ng Columbia; J, Cöa s«ng S«ng James ; NM, Khóc hÑp cña cöa s«ng Mersey; JF, Eo biÓn Juan de Fuca; S, VÞnh Silver - nh÷ng chØ sè d­íi h vµ l tham chiÕu ®Õn l­u l­îng s«ng thÊp vµ cao; nh÷ng ch÷ sè c¹nh ch÷ J lµ kho¶ng c¸ch tÝnh b»ng dÆm kÓ tõ miÖng cöa s«ng James). (Theo Hansen vµ Rattray, 1966, ®­îc sù ®ång ý cña American Society for Limnology and Oceanography Inc) MÆc dï kü thuËt ®· chøng tá lµ h÷u Ých, cã mét vµi nghi ngê vÒ lý thuyÕt ®· ®­a ra ®­îc Hansen vµ Rattray ¸p dông ®Ó gi¶i thÝch ý nghÜa cña nh÷ng tham sè lùa chän (Officer, 1976: tr. 127). Giê ®©y ®· hiÓu râ r»ng mét phÇn cña dßng d­ xuÊt hiÖn tõ nh÷ng biÕn ®æi vËn tèc phô thuéc vµo thêi gian trong mét cöa s«ng, vµ kh«ng thËt sù cã lý ®Ó t¸ch hoµn l­u tr¹ng th¸i æn ®Þnh ra khái nh÷ng qu¸ tr×nh thñy triÒu ph¸t sinh ra nã. §Ó 231
  4. cã sù ph©n biÖt nµy, Jay vµ Smith (1988) ®Ò xuÊt mét ph­¬ng ph¸p ph©n lo¹i dùa vµo sè Froude kÕt hîp FT, m« t¶ dßng triÒu (chÝnh ¸p), vµ sè Froude néi FB, m« t¶ nh÷ng kh¸c biÖt mËt ®é h­íng ngang vµ th¼ng ®øng ®iÒu khiÓn dßng ch¶y mËt ®é (tµ ¸p). H×nh 8.2 cho thÊy h×nh vÏ ph©n lo¹i sö dông hai tham sè nµy cho mét sè cöa s«ng. FT x¸c ®Þnh b»ng FT = / h, trong ®ã  lµ biªn ®é trung b×nh thñy triÒu vµ h lµ ®é s©u trung b×nh thñy triÒu trªn ®é dµi cöa s«ng. Tham sè FB x¸c ®Þnh b»ng FB = (d/D)(/x)1/ 2, trong ®ã d lµ biªn ®é chuyÓn ®éng th¼ng ®øng cña mÆt ph©n c¸ch mËt ®é trong thêi gian mét chu kú thñy triÒu, D lµ ®é s©u trung b×nh thñy triÒu cña mÆt ph©n c¸ch,  lµ chªnh lÖch mËt ®é gi÷a líp trªn vµ líp thÊp h¬n, ®o t¹i nöa chõng däc theo cöa s«ng, vµ x lµ kh¸c biÖt mËt ®é n»m ngang gi÷a hai ®Çu cöa s«ng. Tuy vËy tÝnh kh¶ dông cña c¸ch tiÕp cËn Jay vµ Smith cßn ph¶i ®­îc chøng minh, nh­ng vÒ nguyªn lý nã ®Ò ra nh÷ng biÖn ph¸p ph©n biÖt kh¸ réng nh÷ng hÖ thèng, ®¶m b¶o ®­îc sù ®¸nh gi¸ hiÖn t¹i nh÷ng c¬ chÕ cöa s«ng. H×nh 8.2 S¬ ®å ph©n lo¹i cöa s«ng Jay-Smith ®èi víi cöa s«ng n«ng; dùa vµo hai tham sè FB lµ sè Froude tµ ¸p, vµ FT lµ sè Froude chÝnh ¸p. (M· tr¹m: Au, Cöa s«ng Aulne; Bfu, VÞnh Fundee; CB, VÞnh Chesapeake; CR, Cöa s«ng Columbia; Du, Cöa s«ng Duwamish; Fr, Cöa s«ng S«ng Fraser; GB, VÞnh Lín; US, Long Island Sound ; Mi, S«ng Mississippi; NM, Khóc hÑp cña cöa s«ng Mersey; NS, PhÝa B¾c Santee; RW, Thñy ®¹o Rotterdam; SW, Southampton Water; SS, PhÝa Nam Santee; Ve, Cöa s«ng Vellar - hf vµ lf tham chiÕu ®èi víi l­u l­îng s«ng thÊp vµ cao). (Theo Jay vµ Smith, 1988, ®­îc sù ®ång ý cña Springer-Verlag ) T¹i nh÷ng n¬i mµ møc ®é ph©n tÇng liªn quan ®Õn sù nãng lªn cña mÆt n­íc bëi bøc x¹ mÆt trêi trong nh÷ng biÓn n«ng vµo mïa hÌ vµ mïa xu©n, sù ph©n biÖt nh÷ng hÖ 232
  5. thèng cã thÓ dùa vµo mét tham sè qu¸ ®é, nh­ PL= h / Ulb3, trong ®ã Ulb lµ biªn ®é cña dßng triÒu gÇn ®¸y (môc 9.4.2). Nh÷ng chÕ ®é ph©n tÇng mét phÇn t­¬ng øng víi nh÷ng khu vùc, trong ®ã PL lín h¬n 70 nh­ng nhá h¬n 1000 trong vÜ ®é «n ®íi. T¹i nh÷ng vÜ ®é cao h¬n, hÖ sè d·n në nhiÖt  thÊp h¬n vµ ph©n tÇng ph¶i bÞ ph¸ vì t¹i nh÷ng gi¸ trÞ PL lín h¬n 70 rÊt nhiÒu. VÝ dô, trong biÓn Bering, t¹i ®ã sù æn ®Þnh chñ yÕu lµ do bæ sung n­íc ngät vµo líp n­íc mÆt, gi¸ trÞ ph©n giíi cña PL ®­îc ®¸nh gi¸ xÊp xØ lµ 3000. B»ng viÖc cho phÐp nh÷ng h¹n chÕ nµy vµ nh÷ng vÊn ®Ò kh¸c ®­îc lµm râ trong môc 9.4.2, viÖc sö dông ®é s©u vµ biªn ®é thñy triÒu ®Ó x¸c ®Þnh sù æn ®Þnh n­íc ven bê dùa vµo mét tham sè nh­ PL , ®· chøng tá cã øng dông tæng qu¸t vµ réng r·i. 8.3 Ph¸t t¸n quy m« thêi gian Ng¾n 8.3.1 §iÒu kiÖn kh«ng ®­îc kiÓm so¸t bëi sù tr­ît Trong môc nµy mèi quan t©m lµ nh÷ng qu¸ tr×nh ph¸t t¸n cã thÓ quy vÒ t¸c ®éng thuÇn tóy rèi, ¶nh h­ëng tr­ît lµ kh«ng ®¸ng kÓ. §iÒu nµy cã nghÜa lµ nh÷ng ®iÒu kiÖn trong m«i tr­êng biÓn ph¶i tiÕp cËn nh÷ng ®iÒu kiÖn lý t­ëng hãa cña rèi æn ®Þnh ®¼ng h­íng nh­ ®­îc gi¶ thiÕt trong nh÷ng m« h×nh thèng kª ®èi víi lan truyÒn khuÕch t¸n (môc 4.3.2). Khi mét chÊt ph¸t t¸n trong cöa s«ng hoÆc n­íc ven bê, thêi gian qua ®ã qu¸ tr×nh pha lo·ng x¶y ra lµ ®Æc biÖt quan träng. Mét ®èm loang vËt chÊt nhá trong biÓn tho¹t tiªn chØ phô thuéc vµo c¸c xo¸y nhá h¬n (tøc lµ quy m« thêi gian khuÕch t¸n ng¾n), c¸c xo¸y lín h¬n cã thÓ g©y ra biÕn d¹ng ph©n bè vËt chÊt (môc 4.3.3). Thùc vËy, c¸c xo¸y lín nhÊt cã thÓ b×nh l­u toµn bé chÊt mµ kh«ng ®ãng gãp cho ph¸t t¸n chót nµo. Mét khi ph¸t t¸n tiÕp tôc, thÓ tÝch bÞ chiÕm chç bëi vËt chÊt lín lªn vµ c¸c xo¸y lín nhÊt kh«ng cßn lµ thuÇn tóy b×nh l­u, mµ b¾t ®Çu g©y ra biÕn d¹ng. §· thÊy trong Ch­¬ng 5 lµ sù phô thuéc vÒ quy m« nµy theo h­íng th¼ng ®øng cã hiÖu øng ®¸ng kÓ lªn nh÷ng c¬ chÕ ph¸t t¸n. Mét ®èm loang chÊt hoµ tan t¹i mÆt biÓn sÏ x¸o trén xuèng d­íi, lµm cho nã phô thuéc vµo mét tØ lÖ lín h¬n cña sù tr­ît dßng ch¶y bao quanh v× ph¹m vi th¼ng ®øng cña nã t¨ng thªm. ThÊy r»ng ®èm loang ®ã kh«ng x¸o trén ®ñ xa xuèng d­íi ®Ó bÞ ¶nh h­ëng bëi ®¸y, c¬ chÕ nµy lµ lý do ®Ó ph¸t t¸n tû lÖ thuËn víi hÖ sè x¸o trén th¼ng ®øng. Mét khi x¸o trén theo ®é s©u lµ hoµn toµn, ph¸t t¸n bÞ ¶nh h­ëng bëi toµn bé sù tr­ît dßng ch¶y trong cét n­íc vµ nã trë nªn phô thuéc ng­îc vµo hÖ sè x¸o trén th¼ng ®øng. Nh­ vËy thêi gian ®Ó mét chÊt trë nªn x¸o trén hoµn toµn theo ®é s©u lµ mét yÕu tè thiÕt yÕu trong viÖc x¸c ®Þnh c¬ chÕ ph¸t t¸n nµo sÏ thÞnh hµnh. Trong viÖc t×m c¸ch t¸ch riªng d÷ liÖu øng víi nh÷ng ®iÒu kiÖn ®¼ng h­íng æn ®Þnh, nãi chung kh«ng ph¶i lµ mét chÊt x¸o trén hoµn toµn theo ®é s©u l¹i ph¶i phô thuéc vµo sù tr­ît bÞ bá qua. Ma s¸t víi ®¸y, thËm chÝ trong h­íng ngang víi dßng ch¶y, ph¶i cã xu h­íng ph¸t sinh møc ®é nµo ®ã cña tr­ît th¼ng ®øng. Do ®ã, bÊt kú tËp hîp d÷ liÖu nµo dïng ®Ó nghiªn cøu nh÷ng hiÖu øng ph¸t t¸n rèi thuÇn tuý cã lÏ ph¶i liªn quan ®Õn thêi gian khuyÕch t¸n ng¾n h¬n so víi thêi gian x¸o trén hoµn toµn cña chÊt hoµ tan. Thêi gian ®èi víi x¸o trén th¼ng ®øng tv ®¸nh gi¸ b»ng c¸ch s¾p xÕp l¹i ph­¬ng tr×nh (4.17) cho ta 233
  6.  z2 . (8.2) tv  2K z Th­êng gi¶ thiÕt r»ng x¸o trén th¼ng ®øng lµ hoµn toµn khi ®é lÖch chuÈn b»ng 0,8 h, trong ®ã h lµ toµn bé ®é s©u (môc 6.4.2), vµ do ®ã thêi gian x¸o trén cho b»ng ( 0,8h)2 0,32 h2 tv  . (8.3)  2Kz Kz VÝ dô §èi víi nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸o trén, gi¸ trÞ tiªu biÓu cña Kz lµ 0,01 m2 s-1 cho n­íc 10 m s©u, ph­¬ng tr×nh (8.3) nãi lªn r»ng tv= 53 phót. Trong nhiÒu tr¹ng th¸i ven bê vµ cöa s«ng ph©n tÇng yÕu, x¸o trén th¼ng ®øng cã vÎ ®­îc hoµn thµnh trong vßng mét giê. Trong thùc tÕ, ®iÒu nµy thÓ hiÖn mét thêi gian khuyÕch t¸n t­¬ng ®èi ng¾n. VÝ dô, nh÷ng ®èm loang chÊt chØ thÞ ®­îc thÊy th­êng lµ vµi giê vµ ë ®ã cã lÏ cã t­¬ng ®èi Ýt tËp hîp d÷ liÖu cho giê ph¸t t¸n ®Çu tiªn. Tuy nhiªn, thùc nghiÖm th¶i liªn tôc cã xu h­íng m« t¶ sù lan truyÒn trong giê ®Çu tiªn, chñ yÕu ®èi víi mét sè lý do thùc tÕ. VÝ dô, mét chÊt ph¸t quang mµu th¶i tõ mét nguån liªn tôc gÇn mÆt n­íc th­êng kh«ng thÊy ®­îc sau khi lan truyÒn 1 giê; sù râ rµng cña vÖt loang ®Æc biÖt cã Ých trong nh÷ng thùc nghiÖm nh­ vËy v× trôc cña nã ®u ®­a theo sù ®æi h­íng dßng triÒu, mét yÕu tè cã thÓ lµm cho sù t¸i ®Þnh vÞ khã kh¨n. Nh­ vËy ®©y lµ nh÷ng kÕt qu¶ tõ viÖc th¶i liªn tôc chÊt chØ thÞ mµ cã lÏ cung cÊp d÷ liÖu vÒ ph¸t t¸n tr­íc khi x¸o trén th¼ng ®øng hoµn thµnh. Cã thÓ ®¸nh gi¸ møc ®é tr­ît th¼ng ®øng vu«ng gãc víi h­íng dßng ch¶y trung b×nh vµ do ®ã suy ra nh÷ng ®iÒu kiÖn mµ theo ®ã nh÷ng hiÖu øng tr­ît cã thÓ bá qua khi ph©n tÝch tËp hîp d÷ liÖu tõ thùc nghiÖm th¶i liªn tôc nh­ vËy. NÕu sù tr­ît cã thÓ bá qua, sù lan réng h­íng ngang ®­îc kiÓm so¸t bëi t¸c ®éng khuÕch t¸n cña rèi. Ph­¬ng tr×nh ®èi víi lan réng ngang cña vÖt loang khi x¸o trén th¼ng ®øng bÞ h¹n chÕ bëi mÆt biÓn mµ kh«ng ph¶i lµ ®¸y cã thÓ lÊy tõ ph­¬ng tr×nh (5.29) (môc 5.2.1) ë d¹ng 3 K z 2 t 2 . K ys  K y  (8.4) zy 56 §Ó ch¾c ch¾n r»ng khuyÕch t¸n kh«ng bÞ thèng trÞ bëi sù tr­ît, Ky ph¶i v­ît qu¸ sè h¹ng tr­ît trong ph­¬ng tr×nh nµy vµ thÊy r»ng thêi gian khuyÕch t¸n giíi h¹n ts tr­íc khi sù tr­ît trë nªn ®¸ng kÓ b»ng 1/ 2  Ky  1 ts  4,32 K  . (8.5)   zy  z Gi¶ thiÕt r»ng mÊt 60 phót ®Ó x¸o trén hoµn toµn theo ®é s©u, th× vÝ dô sau thêi gian khuÕch t¸n 40 phót, ph©n bè th¼ng ®øng cña chÊt th¶i tõ mét nguån liªn tôc cã lÏ kh«ng bÞ ¶nh h­ëng ®¸ng kÓ bëi ®¸y. Trong nh÷ng hoµn c¶nh nh­ vËy, ph­¬ng tr×nh (8.5) ®­îc ¸p dông vµ cã thÓ sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ møc ®é tr­ît th¼ng ®øng, vu«ng gãc víi dßng ch¶y trung b×nh, mµ b¾t ®Çu ¶nh h­ëng ®Õn lan truyÒn h­íng ngang. 234
  7. VÝ dô H·y gi¶ thiÕt r»ng trong nh÷ng ®iÒu kiÖn ®ång nhÊt, Ky = 0,05 m2s-1 vµ Kz = 0,1 m2s-1. Sö dông ph­¬ng tr×nh (8.5) vµ lÊy thêi gian khuyÕch t¸n 40 phót, ®¸nh gi¸ ®­îc r»ng møc tr­ît ph¶i Ýt h¬n 0,004 s-1 nªn nã kh«ng ®ãng vai trß trong lan truyÒn ngang. Møc tr­ît th¼ng ®øng lµ 0,004 s-1 t­¬ng øng víi 0,40 cms-1 trªn 1m lµ rÊt nhá. CÇn kÕt luËn r»ng mét møc tr­ît th¼ng ®øng thÊp vu«ng gãc víi dßng ch¶y trung b×nh chØ xuÊt hiÖn trong n­íc, mµ kh«ng phô thuéc hoÆc vµo øng suÊt giã hoÆc vµo dßng triÒu cã biÕn ®æi râ rµng vÒ h­íng theo ®é s©u. Nh­ vËy nh÷ng ®iÒu kiÖn ®ßi hái ®èi víi lan truyÒn thuÇn tóy khuÕch t¸n chØ cã vÎ thÊy ®­îc nÕu thµnh phÇn tr­ît ngang rÊt nhá (cã lÏ Ýt h¬n 0,004 s-1), vµ t¹i thêi gian khuyÕch t¸n øng víi x¸o trén ch­a hoµn toµn (nãi chung Ýt h¬n mét giê trong cöa s«ng hoÆc vïng ven bê x¸o trén m¹nh). §iÒu nµy cã Ých cho viÖc x¸c ®Þnh lan truyÒn h­íng ngang trong nh÷ng thùc nghiÖm th¶i liªn tôc chÊt chØ thÞ, nh­ng chØ trong nh÷ng hoµn c¶nh t­¬ng ®èi hiÕm, tr­êng xo¸y trong biÓn xÊp xØ víi ý t­ëng lý thuyÕt cña rèi ®¼ng h­íng vµ ®ång nhÊt. 8.3.2 HiÖu øng cña kÝch th­íc xo¸y §Þnh l­îng hiÖu øng cña quy m« xo¸y Quy m« xo¸y trë nªn ®Æc biÖt quan träng nÕu cã mét kÝch th­íc cùc ®¹i ®èi víi xo¸y cã mÆt trong tr­êng rèi. H×nh 8.3 minh häa vai trß ®ang thay ®æi cña c¸c xo¸y cã quy m« ®Æc biÖt trong viÖc ®Èy m¹nh sù pha lo·ng. NÕu quy m« ban ®Çu cña chÊt ph¸t t¸n t­¬ng tù nh­ quy m« xo¸y, th× c¸c xo¸y nµy chØ vËn chuyÓn ®èm loang vµ kh«ng t¹o ra ph¸t t¸n. MÆt kh¸c, nÕu quy m« ®èm loang chØ lín h¬n quy m« xo¸y mét Ýt, th× t¸c ®éng biÕn d¹ng cña c¸c xo¸y trî gióp qu¸ tr×nh lan truyÒn. Khi ®èm loang lín h¬n quy m« xo¸y ®Æc tr­ng, c¸c xo¸y ®ãng vai trß khuÕch t¸n trong qu¸ tr×nh pha lo·ng. H×nh 8.3 Thay ®æi vai trß cña c¸c xo¸y cã quy m« ®Æc tr­ng lªn sù vËn chuyÓn vµ lan truyÒn mét ®èm loang Nh÷ng dßng triÒu dÉn ®Õn sù h×nh thµnh c¸c xo¸y víi mét ph¹m vi réng lín vÒ kÝch th­íc. Ngoµi hiÖu øng cña ma s¸t víi ®¸y biÓn, n­íc thñy triÒu cã thÓ ®­îc khuÊy bëi t¸c ®éng cña sãng. H×nh d¹ng ®¸y biÓn c­ìng bøc chuyÓn ®éng cña n­íc vµ lµm cho 235
  8. dßng ch¶y ch¶y song song víi nh÷ng ®­êng ®ång møc, ph¸t sinh rèi bëi ma s¸t h­íng vu«ng gãc víi c¸c biªn. Nh÷ng ch­íng ng¹i, nh­ nh÷ng ®¶o nhá hoÆc nh÷ng mòi ®¸, cã thÓ ph©n chia dßng ch¶y, t¹o nªn c¸c vÕt xo¸y ®Ó h×nh thµnh nh÷ng xo¸y cã quy m« lín h¬n (môc 2.3.6). Nãi chung kÝch th­íc xo¸y trong h­íng th¼ng ®øng ®­îc ng¨n chÆn bëi sù kÒ cËn víi mÆt n­íc vµ ®¸y biÓn, cho nªn nh÷ng quy m« th¼ng ®øng nhá h¬n nhiÒu nh÷ng quy m« trong mÆt ph¼ng n»m ngang. H×nh 8.4 H×nh vÏ trªn tû lÖ l«ga - l«ga sù biÕn ®æi hÖ sè khuÕch t¸n ngang Ky theo ®é lÖch chuÈn cña chiÒu réng vÖt loang. (Dùa theo Bowden and Lewis, 1973, ®­îc sù ®ång ý cña Academic Press) Trong môc 4.3.3 ®· ph¸c ho¹ kh¸i niÖm m« t¶ khuyÕch t¸n ë d¹ng ph©n t¸ch nh÷ng cÆp h¹t. Gi¶ thiÕt r»ng møc ®é t¸ch ra cña mét cÆp h¹t t¹i mét thêi ®iÓm bÊt kú tû lÖ víi kho¶ng c¸ch ®i ra cña chóng, Richardson chØ ra r»ng hÖ sè khuÕch t¸n tû lÖ víi sè mò bèn phÇn ba cña ®é lÖch chuÈn l do h¹t dÞch chuyÓn khái vÞ trÝ trung b×nh cña chóng. §iÒu nµy ®­îc biÓu thÞ trong ph­¬ng tr×nh (4.30) nh­ sau K  al 4 / 3 (8.6) a lµ h»ng sè, ®­îc Richardson ®¸nh gi¸ lµ 0,2. C©u hái xuÊt hiÖn lµ, liÖu ®Þnh luËt ‘bèn phÇn ba', hoÆc bÊt kú ®Þnh luËt nµo kh¸c cña quy m« míi cã hiÖu øng ®¸ng kÓ lªn sù lan réng chÊt hoµ tan hoÆc chÊt l¬ löng trong biÓn. Richardson hy väng gi¶i thÝch ph¹m vi réng cña hÖ sè khuyÕch t¸n theo Fick (tøc lµ h»ng sè) ®­îc thÊy trong khÝ quyÓn, vµ lý thuyÕt quy m« xo¸y cña «ng cã vÎ cã c©u tr¶ lêi. Tuy nhiªn, ph¹m vi cña nh÷ng quy m« sö dông bëi Richardson trong h×nh vÏ bèn phÇn phÇn ba cña «ng kh¸ kinh ng¹c. ¤ng xem xÐt mäi ®iÒu tõ khuÕch t¸n ph©n tö cã quy m« 5 x 10 -2 cm ®Õn nh÷ng ¸p thÊp cã quy m« 1000 km. Nh­ ®· chØ ra trong môc tr­íc, nh÷ng hoµn c¶nh thuËn tiÖn nhÊt ®èi víi rèi ®ång nhÊt vµ ®¼ng h­íng lµ nh÷ng hoµn c¶nh cho nh÷ng giai ®o¹n sím cña mét vÖt loang chÊt chØ thÞ. H×nh 8.4 cho thÊy mét h×nh vÏ cña hÖ sè khuÕch t¸n ngang Ky theo quy m« xo¸y, 236
  9. ®­îc thÓ hiÖn b»ng ®é lÖch chuÈn ngang mét vÖt loang liªn tôc cña chÊt chØ thÞ mµu trong biÓn Ailen; ®©y lµ mét trong sè c¸c nghiªn cøu lo¹i nµy ®· ®­îc m« t¶ bëi Bowden vµ nnk. (1974). Nh÷ng kÕt qu¶ gi¶ thiÕt r»ng møc lan truyÒn øng víi mét h»ng sè trong ®Þnh luËt hµm mò lµ 2,4, tøc lµ xÊp xØ ®Þnh luËt 5/2, thay v× ®Þnh luËt 4/3 cña Richardson. MÆc dÇu ®©y chØ lµ mét vÝ dô, nã ®¸ng ®Ó nhÊn m¹nh r»ng ®Þnh luËt hµm mò cña quy m« ®­îc thÊy trong m«i tr­êng biÓn kh«ng thÓ gi¶ thiÕt lu«n lu«n tu©n theo møc ®é lý thuyÕt. H×nh 8.5 Akira Okubo. (®­îc sù ®ång ý cña Gi¸o s­ Malcolm Bowman, Tr­êng ®¹i häc Quèc gia New York, Stony Brook) Kh¸i niÖm cña ®Þnh luËt quy m« chØ lµ mét trong sè nhiÒu khÝa c¹nh ph¸t t¸n trong biÓn ®­îc nghiªn cøu vÒ mÆt lý thuyÕt vµ thùc hµnh bëi nhµ khoa häc lçi l¹c Akira Okubo (h×nh 8.5). Mét ng­êi ®µn «ng dÔ tiÕp xóc vµ tõ tèn, Akira Okubo lu«n lu«n dµnh thêi gian ®Ó th¶o luËn vÒ khoa häc víi nh÷ng ®ång nghiÖp vµ nh÷ng sinh viªn, chia sÎ sù ®am mª cña «ng vÒ thÕ giíi tù nhiªn. ¤ng kh«ng h¹n chÕ nh÷ng nghiªn cøu cña m×nh vÒ ph¸t t¸n trong biÓn mµ ¸p dông nh÷ng kh¸i niÖm khuyÕch t¸n rèi cho nhiÒu øng dông ®a d¹ng nh­ ®¸m muçi v»n trong nh÷ng c¸nh ®ång ng« cña Minnesota, hoÆc sù di tró cña c¸c con c¸o tõ chç ë nguyªn b¶n cña chóng ®Õn mét n¬i míi. Nh÷ng c¸ch tiÕp cËn ®èi víi nh÷ng vÊn ®Ò nh­ vËy, bao gåm c¶ phÐp m« h×nh hãa khuyÕch t¸n chÊt dinh d­ìng trong biÓn, ®­îc ph¸c th¶o trong s¸ch gi¸o khoa kinh ®iÓn cña «ng (Okubo, 1980). §Ó thÊy r»ng 237
  10. nÕu cã mét ®Þnh luËt tæng qu¸t cho viÖc x¸c ®Þnh quy m« thÝch hîp trong biÓn, Okubo (1971) ®· ®èi chiÕu d÷ liÖu tõ mét sè thùc nghiÖm th¶i mµu tøc thêi. D÷ liÖu nµy lµ tõ nh÷ng vïng n­íc ë xa bê biÓn phÝa §«ng cña Hoa Kú vµ ngoµi kh¬i bê biÓn California. Okubo còng sö dông c¸c kÕt qu¶ tõ mét thùc nghiÖm ë phÝa Nam BiÓn B¾c trong ®ã 2000 kg mµu rhodamine - B ®­îc th¶i vµ ®­îc theo dâi víi chu kú ba tuÇn. ChØ c¸c d÷ liÖu ®ã lµ ®­îc chän, trong ®ã ®èm loang kÕt qu¶ cña mµu cßn thÊy râ ë xa bê biÓn nªn chóng cã thÓ gi¶ thiÕt v« h¹n trong mÆt ph¼ng n»m ngang. Okubo tÝnh to¸n ®é biÕn thiªn lÖch t©m h2 b»ng c¸ch sö dông biÕn thiªn ph©n bè nång ®é ®o däc theo (x2) vµ vu«ng gãc víi (y2) dßng ch¶y trung b×nh, do ®ã 2  h  2 x y . (8.7) H×nh 8.6 DiÔn biÕn toµn bé ®èm loang theo thêi gian ph¸t t¸n. (Theo Okubo, 1971, víi sù cho phÐp th©n thiÖn cña Elsevier Science Ltd, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington 0X5 1GB, V­¬ng quèc Anh) MÆc dÇu chóng kh«ng thÓ coi nh­ nh÷ng kh¶o s¸t quy m« thêi gian ng¾n mét c¸ch chÆt chÏ, c¸ch tiÕp cËn cã mét tiÒn ®Ò t­¬ng tù ë chç kh«ng cã sù ph©n biÖt nµo thÓ hiÖn gi÷a lan truyÒn däc vµ ngang (tøc lµ kh«ng cã ®èm loang h×nh ªlÝp do sù tr­ît dßng ch¶y). HiÖu øng cña tr­ît, mµ ch¾c r»ng ®· cã mÆt, ®­îc Okubo l­u ý ®Õn nh­ mét phÇn 238
  11. ¶nh h­ëng cña kÝch th­íc rèi lªn sù lan truyÒn ®èm loang, nh­ ®­îc th¶o luËn trong môc 4.3.3. H×nh 8.7 Sù biÕn ®æi cña hÖ sè ph¸t t¸n toµn bé ®èm loang theo quy m« ®é dµi. (Theo Okubo, 1971, víi sù cho phÐp th©n thiÖn cña Elsevier Science Ltd, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington 0X5 1GB, V­¬ng quèc Anh) Nh÷ng gi¸ trÞ h2 ®­îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n hÖ sè ph¸t t¸n ngang Kh tõ quan hÖ 2 h Kh  (8.8) 4t trong ®ã t lµ thêi gian øng víi mçi gi¸ trÞ h. Gi¶ thiÕt r»ng vµo thêi gian khuyÕch t¸n trung b×nh t/2, ®é lÖch chuÈn trung b×nh lµ h/ 2. Okubo còng gi¶ thiÕt quy m« ®é dµi cña khuyÕch t¸n lÊy b»ng l = 3 h. Mét h×nh vÏ cña h2 theo t lªn mét tû lÖ l«ga - l«ga (h×nh 8.6) cho ta quan hÖ  h  1,08  106 t 2,34 2 (8.9) 239
  12. trong ®ã h tÝnh b»ng mÐt vµ t tÝnh b»ng gi©y. H×nh 8.8 Quan hÖ xÊp xØ bèn phÇn ba dùa vµo nh÷ng thùc nghiÖm ®èm loang vµ vÖt loang mµu ngoµi kh¬i vïng ven bê California. (Theo Foxworthy, 1968, Allan Hancock Foundation, §¹i häc Nam California) Mét h×nh vÏ cña Kh theo quy m« l víi cïng d÷ liÖu ®ã (h×nh 8.7) cho ta quan hÖ K h  2,05  104 l1,15 (8.10) trong ®ã l tÝnh b»ng m vµ Kh tÝnh b»ng m2 s-1. 240
  13. Nh­ vËy, ®Þnh luËt hµm mò cña quy m« ®­îc suy luËn bëi Okubo (tøc lµ 1,15) nhá h¬n so víi gi¸ trÞ lý thuyÕt lµ 1,33 gi¶ thiÕt bëi ®Þnh luËt hµm mò 'bèn phÇn ba' cña Richardson (môc 4.3.3). V× d÷ liÖu sö dông bëi Okubo tr¶i qua ph¹m vi thêi gian tõ kho¶ng mét giê ®Õn mét th¸ng vµ quy m« ®é dµi tõ 100 m ®Õn 100 km, trong ®ã nh÷ng ®iÒu kiÖn ph¶i kh¸c víi æn ®Þnh vµ ®¼ng h­íng, ®iÒu ®¸ng ng¹c nhiªn lµ nh÷ng kÕt qu¶ xuÊt hiÖn tu©n theo mét ®Þnh luËt ®¬n. KÓ tõ khi lý thuyÕt cña Richardson ®­îc ®Ò xuÊt, cã nhiÒu mèi quan t©m trong viÖc kiÓm tra tÝnh hîp lÖ cña nã trong m«i tr­êng tù nhiªn. Mét sè nhµ kh¶o s¸t n­íc tù nhiªn vµ khÝ quyÓn ®· thùc hiÖn c¸c x¸c ®Þnh ®Þnh luËt hµm mò; chóng th­êng cho ta sè mò, cã phÇn thÊp h¬n ®Þnh luËt bèn phÇn ba. VÝ dô, Murthy vµ Kenney (1974) t×m thÊy ®Þnh luËt hµm mò 6/5 (tøc lµ 1,2) tõ quan tr¾c nh÷ng biÕn thiªn h­íng ngang cña c¸c vÖt loang trong hå Lín, vµ Randerson (1972) t×m thÊy mét sè mò t­¬ng tù lµ 1,17 ®èi víi viÖc tr¶i réng ®¸m m©y cña m¶nh vôn h¹t nh©n trong khÝ quyÓn. Nh÷ng kh¶o s¸t thùc hiÖn trong c¶ chu kú 5 n¨m ngoµi kh¬i bê biÓn California kÌm theo nh÷ng lÇn th¶i ®èm loang vµ vÖt loang chÊt chØ thÞ (Foxworthy vµ nnk., 1966). Bëi v× nh÷ng thùc nghiÖm thùc hiÖn d­íi sù ®a d¹ng cña nh÷ng ®iÒu kiÖn h¶i d­¬ng häc, cã lÏ kh«ng ng¹c nhiªn lµ ®Þnh luËt hµm mò cña quy m« b¾t nguån tõ tÊt c¶ d÷ liÖu lµ ch­a thÓ x¸c ®Þnh. Tuy nhiªn, Foxworthy ®· thÊy r»ng trong nhiÒu thùc nghiÖm cña «ng ngoµi bê biÓn Califomian, biÕn thiªn h­íng ngang tû lÖ theo thêi gian, nãi lªn r»ng Ky kh«ng ®æi. ¤ng lý luËn r»ng, trong nh÷ng tr­êng hîp ®ã, thËm chÝ nh÷ng quy m« rèi lín nhÊt ®· b¾t ®Çu tham gia vµo qu¸ tr×nh khuÕch t¸n, vµ biÕn thiªn h­íng ngang y0 t¹i lóc b¾t ®Çu giai ®o¹n nµy cña lan truyÒn ph¶i tû lÖ víi kÝch th­íc xo¸y cùc ®¹i cã mÆt trong tr­êng rèi. Mét h×nh vÏ Ky theo y0 tõ nh÷ng thùc nghiÖm kh¸c nhau, râ rµng øng víi nh÷ng tr­êng rèi víi c¸c quy m« xo¸y cùc ®¹i kh¸c nhau, h×nh nh­ hç trî ®Þnh luËt hµm mò bèn phÇn ba víi ®é lÖch chuÈn trong ph¹m vi tõ kho¶ng 8 ®Õn 80m (h×nh 8.8). V× chiÒu réng cña ph©n bè Gauss xÊp xØ bèn lÇn ®é lÖch chuÈn cña nã (môc 6.2), ph¹m vi nµy øng víi nh÷ng chiÒu réng gi÷a 30 m vµ 320 m. Tuy nhiªn, kÕt qu¶ tõ nh÷ng thùc nghiÖm hiÖn tr­êng ph¶i ®­îc ph©n tÝch cÈn thËn ®Ó b¶o ®¶m r»ng chóng ch­a bÞ ¶nh h­ëng qu¸ møc bëi gi¶ thiÕt thùc hiÖn trong quy tr×nh ph©n tÝch. Foxworthy (1968) chØ ra r»ng kü thuËt ¸p dông ®Ó thùc hiÖn so s¸nh víi quy m« cã tÇm quan träng vÒ mÆt tiªu chuÈn. LÊy ®é lÖch chuÈn trung b×nh ym trong mét kho¶ng thêi gian lµ mét sè ®o cña quy m« 1    ym   y 2   y1 (8.11) 2 trong ®ã y1, y2 lµ nh÷ng ®é lÖch chuÈn tr¶i réng h­íng ngang ë thêi gian t1 vµ t2. Trong kho¶ng thêi gian t1 ®Õn t2, Ky cã thÓ xÊp xØ b»ng 2 2 1 ( y 2   y1 ) (8.12) Ky  2 (t 2  t1 ) vµ biÕn thiªn h­íng ngang trung b×nh ®­îc tÝnh to¸n tõ 241
  14. 1 2 2 2  ym  ( y 2   y1 ) . (8.13) 2 NÕu y2>> y1 vµ t2>>t1, th× nh÷ng biÓu thøc nµy ®¬n gi¶n thµnh 2 1  y2 Ky  2 t2 1  ym   y 2 . (8.14) 2 NÕu thêi gian t2 xÊp xØ h»ng sè, mét h×nh vÏ Ky theo ym ®¬n gi¶n t­¬ng ®­¬ng víi h×nh vÏ cña y22 theo y2. Trªn h×nh vÏ l«ga - l«ga ph¶i cã mét ®­êng cã ®é dèc 2 so víi 1, øng víi ®Þnh luËt hµm mò b×nh ph­¬ng hiÓn nhiªn cña quy m«. H¬n n÷a, nÕu c¸ch tiÕp cËn nµy ®­îc sö dông vµ nh÷ng kÕt qu¶ ®­îc vÏ theo d÷ liÖu nhËn ®­îc tõ c¸c thùc nghiÖm kh¸c nhau bao gåm nh÷ng thêi ®iÓm quan tr¾c kh¸c nhau mét c¸ch ®¸ng kÓ, th× sù ph©n t¸n kÕt qu¶ cã thÓ xuÊt hiÖn ®Ó hç trî ®Þnh luËt bèn phÇn ba, hoÆc ®èi víi vÊn ®Ò ®ã, ®Þnh luËt hµm mò kh¸c nµo ®ã. §iÒu nµy minh häa cho sù m¹o hiÓm trong viÖc so s¸nh nh÷ng cÆp biÕn bao gåm mét tham sè chung. Phæ n¨ng l­îng rèi Kolmogorov ®Ò xuÊt r»ng rèi cã thÓ xem nh­ mét d·y liªn tôc c¸c kÝch th­íc xo¸y, víi ®éng n¨ng ®­îc chuyÓn tõ c¸c xo¸y lín h¬n ®Õn c¸c xo¸y nhá h¬n vµ cuèi cïng tiªu t¸n bëi nhít (môc 4.3.4). §Æc tÝnh khuyÕch t¸n rèi phô thuéc vµo sù ph©n bè n¨ng l­îng gi÷a nh÷ng chuyÓn ®éng rèi cã quy m« kh¸c nhau. Nh÷ng quy m« lín h¬n cña c¸c xo¸y, øng víi nh÷ng tÇn sè dao ®éng thÊp nhÊt, cã hÇu hÕt n¨ng l­îng. Trong phæ ®Ò x­íng bëi Kolmogorov, c¸c xo¸y lín nµy truyÒn n¨ng l­îng cña chóng cho nh÷ng quy m« xo¸y ngµy cµng nhá h¬n, cho ®Õn khi cuèi cïng n¨ng l­îng trë nªn tiªu t¸n thµnh nhiÖt bëi t¸c ®éng cña nhít. Trong d¶i qu¸n tÝnh cña phæ n¨ng l­îng, c¸c xo¸y g©y ra khuyÕch t¸n ngang cña mét chÊt lµ ®¼ng h­íng vµ ®ång nhÊt côc bé. Nh÷ng thuéc tÝnh cña c¸c xo¸y trong d¶i ®­îc gi¶ thiÕt chØ phô thuéc vµo møc ®é cung cÊp n¨ng l­îng tõ c¸c xo¸y quy m« lín h¬n vµ møc ®é tiªu t¸n n¨ng l­îng bëi nhít. §Ó sù c©n b»ng ®­îc thiÕt lËp, trong ®ã tr­êng xo¸y rèi ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh, n¨ng l­îng ph¶i liªn tôc ®­îc cung cÊp cho c¸c xo¸y lín víi møc ®é b»ng møc ®é tæn thÊt do nhít. Trong n­íc ven bê, nguån n¨ng l­îng rèi cã thÓ lµ ®Çu vµo tõ chuyÓn ®éng thñy triÒu, mÆt trêi ®èt nãng hoÆc t¸c ®éng giã. Ozmidov ®Ò x­íng r»ng phæ n¨ng l­îng rèi trong biÓn cã thÓ cã d¹ng chØ ra trong (h×nh 8.9), víi ph¹m vi c©n b»ng t¸ch biÖt t­¬ng øng víi nh÷ng nguån n¨ng l­îng nhËp vµo kh¸c nhau. Mét ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña phæ nµy lµ ®èi víi nh÷ng quy m« chØ lín h¬n nh÷ng quy m« cña n¨ng l­îng nhËp vµo, møc n¨ng l­îng lµ rÊt thÊp. Nãi c¸ch kh¸c, quy m« xo¸y cña n¨ng l­îng nhËp vµo thÓ hiÖn c¸c xo¸y lín nhÊt xuÊt hiÖn trong d¶i c©n b»ng côc bé. ý t­ëng mét tr­êng rèi xo¸y cã quy m« xo¸y cùc ®¹i nµo ®ã lµ tæng qu¸t ®èi víi nhiÒu lý thuyÕt thèng kª vÒ khuyÕch t¸n. M« h×nh Ozmidov lÊy nã lµm mét b­íc ®i xa h¬n b»ng viÖc ®Ò xuÊt r»ng mét chuçi c¸c tr­êng xo¸y t¸ch biÖt cïng tån t¹i trong biÓn, mçi trong sè chóng cã d¶i quy m« vµ kÝch th­íc cùc ®¹i cho riªng nã. Trong d¶i qu¸n tÝnh, lý thuyÕt t­¬ng tù dù ®o¸n r»ng 242
  15. E (k )  a1 2 / 3 k 5 / 3 . (8.15) trong ®ã E(K) lµ n¨ng l­îng t¹i sè sãng k, a1 lµ h»ng sè v¹n n¨ng vµ  lµ møc ®é tiªu t¸n n¨ng l­îng. §Þnh luËt 'n¨m phÇn ba' cña ph©n bè n¨ng l­îng trong tr­êng rèi ®· ®­îc thÓ hiÖn b»ng thùc nghiÖm trong cöa s«ng vµ n­íc ven bê. Nh÷ng gi¸ trÞ tiªu biÓu ®èi víi n¨ng l­îng ®Çu vµo lµ sãng giã (10 m), dao ®éng thñy triÒu vµ qu¸n tÝnh (10 km) vµ hÖ thèng ¸p suÊt kh«ng khÝ cho hoµn l­u chung (1000 km) - chóng ®­îc chØ ra trong h×nh 8.9. TÝnh hîp lÖ vÒ sù gi¶i thÝch cña Ozmidov vÉn cßn bá ngá ®Ó x¸c minh. H×nh 8.9 Phæ cña ®éng n¨ng rèi E(l) víi quy m« rèi kh¸c nhau, ®Ò x­íng bëi Ozmidov. (Theo Okubo, 1974, ®­îc sù ®ång ý cña Héi ®ång Quèc tÕ Th¸m hiÓm BiÓn) Okubo (1974) chØ ra r»ng b»ng c¸ch chia nhá nh÷ng d÷ liÖu cña «ng thµnh ba cÊp ®é riªng biÖt vµ tu©n thñ kh¸i niÖm gi¶ thiÕt bëi Ozmidov, cã sù phï hîp hîp lý cho nh÷ng dù ®o¸n dùa vµo lý thuyÕt rèi ®¼ng h­íng côc bé. C¸ch tiÕp cËn nµy dÉn ®Õn nh÷ng biÓu thøc liªn hÖ sù biÕn thiªn víi sè mò lËp ph­¬ng cña thêi gian vµ hÖ sè ph¸t t¸n tu©n theo ®Þnh luËt bèn phÇn ba cña quy m«. Nh­ vËy lµ  h  c1t 3 2 (8.16) K h  c2  1 / 3 l 4 / 3 (8.17) trong ®ã c1, c2 lµ nh÷ng h»ng sè. Nh÷ng gi¸ trÞ cña Kh ®­îc vÏ theo quy m« ®é dµi l cho trong h×nh 8.10. §èi víi quy m« ®é dµi tõ 50 m ®Õn 5 km, øng víi thêi gian khuyÕch t¸n 1 ®Õn 12 giê, Ozmidov (1965) ®¸nh gi¸  ë møc 10-7 m2s-3. Okubo sö dông h×nh nµy ®Ó ®¸nh gi¸ h»ng sè c1 lµ 0,01. Nã cho ta nh÷ng gi¸ trÞ cña  ®­a vµo b¶ng 8.1 ®èi víi hai d¶i riªng biÖt trong h×nh 8.10. Mét gi¶i thÝch cho nh÷ng møc ®é tiªu t¸n nµy lµ: trong d¶i quy m« ®é dµi v­ît qu¸ 1 kil«met, träng t©m cña nh÷ng ®èm loang chÊt chØ thÞ ®­îc ®Þnh vÞ t¹i ®é s©u lín h¬n so víi t¹i d¶i quy m« ng¾n h¬n. Nh÷ng quan tr¾c gi¶ thiÕt r»ng ®é lín cña  gi¶m cïng ®é 243
  16. s©u, vÝ dô, t¹i ®é s©u 2 m,  thay ®æi tõ 5,2 x 10- 7 ®Õn 4,5 x 10-6 m2s-3, nh­ng t¹i 15 m,  lµ kho¶ng 1,1 x 10-7 m2s-3 (Stewart vµ Grant, 1962). Nh­ vËy, nh÷ng gi¸ trÞ thÊp h¬n ®­îc x¸c ®Þnh cho nh÷ng quy m« ®é dµi > 1,0 km ph¶i do sù x¸o trén liªn tôc xuèng d­íi cña chÊt chØ thÞ mµ tho¹t tiªn ®­îc th¶i t¹i mÆt biÓn. H×nh 8.10 Nh÷ng d¶i ph©n biÖt trong h×nh vÏ hÖ sè ph¸t t¸n ngang theo quy m« ®é dµi. (Theo Okubo, 1974, ®­îc sù ®ång ý cña Héi ®ång Quèc tÕ Th¸m hiÓm BiÓn) Okubo chØ ra r»ng, mÆc dÇu ®Þnh luËt bèn phÇn ba ®­a ra ®Ó hiÓu râ nh÷ng d¶i t¸ch biÖt, rèi trong biÓn vÉn cßn kh«ng ch¾c ®ång nhÊt hoÆc ®¼ng h­íng trªn d¶i cã quy m« bao trïm nh÷ng thùc nghiÖm ®· lµm. ¤ng gi¶ thiÕt r»ng, tèi ®a, rèi cã thÓ xÊp xØ ®¼ng h­íng trong mÆt ph¼ng n»m ngang. LiÖu '®¼ng h­íng ngang' cã thÓ xuÊt hiÖn hay kh«ng 244
  17. vÉn cßn bá ngá ®Ó tranh luËn. Nh÷ng nghiªn cøu gÇn ®©y (Phillips, 1991) chØ ra r»ng phæ Kolmogorov kh«ng phï hîp víi nh÷ng dßng ch¶y ph©n tÇng. H¬n n÷a, sù tån t¹i cña ®Þnh luËt phæ n¨ng l­îng n¨m phÇn ba ®· ®­îc quan tr¾c trong nh÷ng ®iÒu kiÖn mµ x¸c ®Þnh lµ kh«ng t­¬ng øng víi d¶i qu¸n tÝnh cña rèi (Gibson, 1991). ThËm chÝ nÕu nh÷ng ®iÒu kiÖn lµ ®¼ng h­íng theo ph­¬ng ngang, cã vÎ kh«ng ph¶i r»ng cã thÓ gi¶i thÝch sù më réng trªn c¸c quy m« nhá, trung gian vµ lín b»ng cïng mét c¬ chÕ. CÇn chó ý r»ng khi x¸o trén th¼ng ®øng chØ cã mét biªn h¹n chÕ, mÆt n­íc hoÆc ®¸y biÓn, ®é biÕn thiªn däc tû lÖ víi 2Kzt3 d­íi t¸c ®éng cña tr­ît dßng ch¶y. Nh­ vËy mét ®Þnh luËt lËp ph­¬ng cña thêi gian cã thÓ cã nghÜa lµ tr­ît ®­îc ®iÒu khiÓn bëi 'khuyÕch t¸n' thay v× quy m« xo¸y. §iÒu nµy nãi lªn r»ng lý thuyÕt t­¬ng tù cña rèi kh«ng ph¶i lµ lý thuyÕt duy nhÊt cã thÓ sö dông ®Ó suy luËn ®Þnh luËt hµm mò bèn phÇn ba cña khuyÕch t¸n. Nh÷ng nghiªn cøu c¸c hÖ thèng x¸o trén gi¶ thiÕt r»ng sù tr­ît kiÓm so¸t viÖc pha lo·ng chÊt hoµ tan cã xu h­íng thèng trÞ viÖc pha lo·ng do khuyÕch t¸n rèi (Linden vµ Simpson, 1988; Gibson, 1991). Trªn c¬ së nh÷ng kÕt qu¶ thùc nghiÖm, phÇn lín xung quanh bê biÓn New Zealand, Bell (1985) ph¸c ho¹ mét kh¸c biÖt gi÷a nh÷ng ®Þnh luËt hµm mò cña lan réng chÊt trong n­íc ven bê hë so víi n­íc gÇn bê. ¤ng gi¶ thiÕt ®Þnh luËt hµm mò cã quy m« n»m trong d¶i (8.18) 1,0  n  4 / 3 ®èi víi n­íc ven bê, n¬i nh÷ng quy m« rèi kh«ng bÞ h¹n chÕ bëi ®­êng bê, vµ trong d¶i (8.19) 0,5  n  1,0 ®èi víi n­íc ven bê, n¬i kÝch th­íc rèi cã thÓ bÞ h¹n chÕ. MÆc dÇu kh¸ hêi hît ®Ó ph¸c ho¹ mét ph©n biÖt nh­ vËy trªn c¬ së h¹n chÕ sè l­îng c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm s½n cã; nh÷ng thay ®æi quy m« cã vÎ ¶nh h­ëng ®Õn ®é lín cña hÖ sè ph¸t t¸n trong giai ®o¹n lan truyÒn sím. B¶ng 8.1 Møc ®é ph¸t t¸n ®¸nh gi¸ tõ thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ. (Theo Okubo, 1974, ®­îc sù ®ång ý cña Héi ®ång Quèc tÕ Th¸m hiÓm BiÓn) Quy m« thêi gian Quy m« ®é dµi c1  (m2s-3) (m2s-3) t l (m) 102-103 2,5 x 10-9 2,5 x 10-7 1,0 giê ®Õn 0,5 ngµy >103 5,4 x 10-10 5,4 x 10-8 > 0,5 ngµy Quy m« vÖt loang ph¶i ®­îc xÐt ®Õn khi thö ®¸nh gi¸ pha lo·ng trong c¸c giai ®o¹n tr­íc cña ph¸t t¸n vÖt loang. §©y lµ lý do c¬ b¶n (th­êng kh«ng ®­îc chÊp nhËn) t¹i sao kh«ng thÓ cho r»ng pha lo·ng tõ thùc nghiÖm th¶i mét chÊt chØ thÞ liªn tôc sÏ phï hîp víi pha lo·ng nguån th¶i thùc tÕ víi mét l­u l­îng thÓ tÝch kh¸c. Nh÷ng thùc nghiÖm th¶i chÊt chØ thÞ th­êng sö dông mét nguån nhá mµ tho¹t tiªn h×nh thµnh mét vÖt loang máng vµ hÑp, cã lÏ 1,0 m theo chiÒu réng vµ ®é s©u. Víi nh÷ng quy m« nh­ vËy, c¸c xo¸y lín h¬n trong dßng ch¶y rèi kh«ng tham gia vµo viÖc lan réng khuÕch t¸n (môc 4.3.3) vµ 245
  18. vÖt loang cã thÓ hÑp l¹i ë mét kho¶ng c¸ch ®¸ng kÓ vÒ h¹ l­u. TÊt nhiªn vÖt loang tõ nh÷ng nguån '®iÓm' th­êng gièng víi vÖt h¬i máng, dµi sau ®u«i m¸y bay. Cã thÓ sö dông ®Þnh luËt hµm mò 'bèn phÇn ba' cña Richardson ®Ó x¸c ®Þnh quy m« hÖ sè x¸o trén theo nh÷ng hÖ sè ®o ®­îc trong thùc nghiÖm nguån ®iÓm cho ®Õn kÝch th­íc cña tr¹ng th¸i ph¸t t¸n thùc tÕ ®­îc nghiªn cøu. Tuy nhiªn, tèt h¬n hÕt lµ tr¸nh b­íc nµy vµ b¶o ®¶m r»ng chiÒu réng ban ®Çu cña chÊt chØ thÞ th¶i ra cã kÝch th­íc t­¬ng tù nh­ nguyªn mÉu. VÝ dô, trong nghiªn cøu møc ®é ph¸t t¸n cña chÊt th¶i ®æ xuèng tõ mét cöa biÓn, nªn ®­a trùc tiÕp chÊt chØ thÞ vµo nguån ®æ hoÆc theo dâi mét thµnh phÇn cña chÊt th¶i, trong nh÷ng tr¹ng th¸i mµ nguån ®æ ®· s½n tån t¹i. NÕu quy m« th¶i ban ®Çu cña chÊt chØ thÞ ®ñ lín ®Ó bao gåm c¸c xo¸y lín nhÊt ®ang cã trong dßng ch¶y rèi, th× viÖc ®Þnh quy m« kh«ng cßn lµ vÊn ®Ò. 8.3.3 Ph¸t t¸n tuyÖt ®èi vµ t­¬ng ®èi §iÒu quan träng lµ ph©n biÖt gi÷a møc lan réng yT t­¬ng ®èi so víi träng t©m, vµ møc lan réng tuyÖt ®èi ya liªn quan ®Õn nh÷ng täa ®é cè ®Þnh. Sù lan réng liªn quan ®Õn träng t©m øng víi kh¸i niÖm t¸ch h¹t ®­a ra bëi Richardson (môc 4.3.3), trong khi sù lan réng tuyÖt ®èi liªn quan ®Õn nh÷ng täa ®é cè ®Þnh øng víi lan réng khuÕch t¸n cña Taylor bëi nh÷ng chuyÓn ®éng liªn tôc (môc 4.3.2). Sù kh¸c nhau trong ®Þnh nghÜa gi÷a hai kiÓu lÖch chuÈn nµy ®­îc minh häa trong h×nh 8.11. VÖt loang uèn l­în, víi ph©n bè xÊp xØ Gauss cña nã, dÞch chuyÓn t­¬ng ®èi so víi c¸c trôc cè ®Þnh do c¸c xo¸y cã kÝch th­íc lín h¬n chiÒu réng vÖt loang; trong mét chu kú thêi gian, hiÖu øng dÞch chuyÓn nµy lµ t¹o ra ph©n bè trung b×nh dµi h¹n, réng h¬n ®¸ng kÓ vµ víi nång ®é cùc ®¹i thÊp h¬n so víi ph©n bè tøc thêi. Nh÷ng biÕn thiªn ph©n bè nång ®é dµi h¹n vµ ng¾n h¹n liªn hÖ bëi σ 2  σ 2 σ 2 (8.20) ya yr ym trong ®ã ym ®é lÖch chuÈn cña t©m ®ang biÕn ®æi cña vÖt loang so víi t©m gèc cè ®Þnh. Gifford (1959) dÉn xuÊt mét biÓu thøc liªn kÕt nång ®é cùc ®¹i ng¾n h¹n vµ dµi h¹n ë d¹ng  yr c pa  (8.21)  ya c pr trong ®ã cpr, cpa lµ nång ®é cùc ®¹i cña nh÷ng ph©n bè riªng lÎ vµ trung b×nh t­¬ng øng. Mét sè nghiªn cøu hiÖn tr­êng ®· ®­îc thùc hiÖn ®Ó so s¸nh ph¸t t¸n t­¬ng ®èi vµ tuyÖt ®èi. Nãi chung nh÷ng kh¶o s¸t nµy kÌm theo nh÷ng ®ît ®i qua ®i l¹i vÖt loang chÊt chØ thÞ mµu t¹i mét thêi gian khuyÕch t¸n cè ®Þnh tõ nguån. Nh÷ng ®ît c¾t ngang lÆp l¹i qua mét vÖt loang mµu trong hå Huron víi cïng kho¶ng c¸ch kÓ tõ nguån cho thÊy ph©n bè trung b×nh thùc chÊt cã 'd¹ng Gauss’ (Csanady, 1966). Nh÷ng c¾t ngang liªn tiÕp qua mét vÖt loang mµu t¹i mét kho¶ng c¸ch cè ®Þnh tõ mét nguån liªn tôc t¹i vÞnh Red Wharf, biÓn Ai len, cho thÊy nãi chung d¹ng Gauss cña vÖt loang cã thÓ t¹m thêi ph¸ vì, râ rµng do sù di chuyÓn cña c¸c xo¸y quy m« lín vì däc theo trôc vÖt loang (h×nh 8.12) (Bowden vµ Lewis, 1973). 246
  19. H×nh 8.11 Nh÷ng ph©n bè nång ®é trung b×nh dµi h¹n vµ ng¾n h¹n qua mét vÖt loang uèn l­în H×nh 8.12 Sù t¸i lËp ph©n bè nång ®é gÇn nh­ ph©n bè Gauss qua mét vÖt loang chÊt chØ thÞ mµu sau khi ®i qua c¸c xo¸y rèi. (Theo Bowden and Lewis, 1973, ®­îc sù ®ång ý cña Academic Press) Trong thùc nghiÖm kh¸c cña tr¹ng th¸i nµy trong biÓn Ai len, Bowden vµ nnk. (1974) cho thÊy r»ng ®é lÖch chuÈn kÕt hîp, h×nh thµnh b»ng viÖc xÕp chång c¸c ph©n bè nång ®é cña m­êi lÇn ®i qua gÇn träng t©m chung lµ kho¶ng 10,6 m. §é lÖch chuÈn cña ph©n bè nång ®é nhËn ®­îc b»ng viÖc lÊy nh÷ng täa ®é tuyÖt ®èi lµ 34,2 m, øng víi chiÒu réng hiÖu qu¶ lµ 140 m. Bëi vËy, tû lÖ ya/yr= 3,2. Tû lÖ cña nh÷ng nång ®é cùc ®¹i cpr/cpa = 2,4. Sù kh¸c nhau gi÷a nh÷ng tû lÖ quan tr¾c lµ 3,2 vµ 2,4, n»m trong giíi h¹n cña sai sè thùc nghiÖm vµ kÕt qu¶ nµy x¸c nhËn c«ng thøc cña Gifford. ChiÒu réng hiÖu qu¶ 140 m cÇn ph¶i lµ chØ thÞ cho kÝch th­íc cña c¸c xo¸y lín nhÊt t¸c ®éng trªn quy m« thêi gian khuÕch t¸n, mµ trong vÝ dô nµy lµ kho¶ng 17 phót. C¸c xo¸y cã nh÷ng chu kú nhiÔu ®éng h¬i dµi h¬n sÏ h×nh thµnh mét phÇn t¸c ®éng tr­ît 247
  20. lªn vÖt loang, vµ víi quy m« thêi gian nµy nhiÔu ®éng cã thÓ liªn quan ®Õn sù chuyÓn h­íng dßng triÒu. 8.4 Ph¸t t¸n cã quy m« thêi gian Trung b×nh 8.4.1 Nh÷ng ®iÒu kiÖn ®­îc kiÓm so¸t bëi sù tr­ît néi thñy triÒu Mét khi ®èm loang vËt chÊt lan réng hoµn toµn ®èi víi tÊt c¶ c¸c quy m« xo¸y ®Ó tham gia vµo qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n, ®é biÕn thiªn cña ph©n bè nång ®é cÇn ph¶i t¨ng tuyÕn tÝnh theo thêi gian vÒ mÆt lý thuyÕt. Tuy nhiªn, nh­ ®· th¶o luËn trong Ch­¬ng 5, sù tr­ît vËn tèc trong dßng ch¶y trung b×nh cã thÓ lµm t¨ng møc ®é t¨ng tr­ëng, lµm cho ®é biÕn thiªn t¨ng nhanh h¬n møc ®é tuyÕn tÝnh. Trong nh÷ng vÊn ®Ò thùc tÕ, mèi quan t©m tËp trung vµo møc ®é pha lo·ng tèi thiÓu, khi sù tr­ît v¾ng mÆt hoÆc rÊt nhá. Nh­ vËy, nghiªn cøu chÊt chØ thÞ th­êng nh¾m môc ®Ých ph©n t¸ch møc ®é khuyÕch t¸n do rèi vµ do tr­ît. §iÒu nµy cho phÐp m« h×nh ho¸ tr¹ng th¸i ®Ó dù ®o¸n møc ®é pha lo·ng tèi thiÓu chØ do khuyÕch t¸n; møc ®é pha lo·ng bæ sung do tr­ît dßng ch¶y cã thÓ tÝnh to¸n cho bÊt kú ph©n bè vËn tèc ®Æc tr­ng vµ møc ®é x¸o trén th¼ng ®øng nµo, ®Ó nhËn ®­îc møc ®é pha lo·ng toµn bé. §Ó t¸ch nh÷ng hiÖu øng ph¸t t¸n vµ khuÕch t¸n, d÷ liÖu tõ nh÷ng thùc nghiÖm chÊt chØ thÞ ph¶i ®­îc ph©n tÝch b»ng c¸ch sö dông gi¶ thiÕt vÒ ­u thÕ t­¬ng ®èi cña hai c¬ chÕ nµy t¹i nh÷ng thêi gian ®Æc tr­ng trong qu¸ tr×nh pha lo·ng. §Æc tr­ng cña viÖc th¶i rêi r¹c mét chÊt chØ thÞ vµo m«i tr­êng biÓn lµ h×nh d¹ng vßng trßn ban ®Çu (h×nh 5.3) cña ®èm loang kÕt qu¶ trë h×nh thµnh ªlÝp trong mét thêi gian ng¾n, tiªu biÓu 10 - 30 phót sau khi th¶i. NÕu x¸o trén th¼ng ®øng lµ kh«ng hoµn toµn, ®­îc chØ ra ë trªn ®Ó cã nghÜa lµ nh÷ng thêi ®iÓm khuyÕch t¸n th«ng th­êng Ýt h¬n mét giê, th× cã thÓ øng dông ®iÒu kiÖn lµ tr­ît kh«ng ®¸ng kÓ, sö dông mét biÓu thøc t­¬ng ®­¬ng víi ph­¬ng tr×nh (8.5) 1/ 2   K  1 ts  4,32 x  (8.22)  Kz   zx     trong ®ã zx lµ thµnh phÇn tr­ît th¼ng ®øng theo h­íng cña dßng ch¶y trung b×nh. VÝ dô Coi Kx lµ hÖ sè khuyÕch t¸n do rèi thuÇn tuý, cã thÓ cã cïng gi¸ trÞ nh­ Ky. §é tr­ît däc zx gi¶ thiÕt lµ 2 cms-1 trªn m, t­¬ng ®­¬ng víi 0,02 s-1. Bëi vËy, lÊy Kx = 0,05 m2s-1, Kz = 0,01 m2s-1, ph­¬ng tr×nh (8.22) nãi lªn r»ng ts ph¶i nhá h¬n kho¶ng 8 phót ®Ó sù tr­ît kh«ng ®¸ng kÓ. Thµnh phÇn däc cña tr­ît th¼ng ®øng th«ng th­êng m¹nh h¬n 0,02 s-1 trong dßng triÒu vµ nh­ vËy cã xu h­íng ®Ó mét ®èm loang thµnh h×nh ªlÝp ngay sau khi th¶i. ThËm chÝ sau khi x¸o trén ®Õn ®¸y, tr­ît däc l¹i tiÕp tôc lµm cho ®èm loang vËt chÊt vÏ thµnh mét h×nh ª-lÝp dµi, cho thÊy kh«ng cã sù thay ®æi ®¸ng kÓ theo h­íng dßng triÒu. 248
nguon tai.lieu . vn
Toán học Môi trường Vật lý Sinh học Địa Lý Hoá học Nông - Lâm - Ngư Cơ khí - Chế tạo máy Tiếng Anh phổ thông Khoa học ứng dụng Nông - Lâm Kiến thức tổng hợp Giáo dục học Xã hội học