Các quá trình vật lý và hóa học của hồ - Chương 3

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:39

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

phản ứng thuỷ - nhiệt học của hồ tới khí hậu sự mô tả và mô hình hoá 3.1. Giới thiệu Hệ thống hồ tác động liên tục trở lại các điều kiện khí hậu, trong khi các điều kiện khí hậu này biến đổi trên một phạm vi không gian và thời gian rộng. Sự phân bố theo không gian của các hồ trên bề mặt trái đất biểu thị các dạng của hoàn l u khí quyển trong một thời gian dài, và chu kỳ khí hậu hàng năm trên l u vực hồ đ ợc phản ánh qua...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các quá trình vật lý và hóa học của hồ - Chương 3

Ch ¬ng 3 ph¶n øng thuû - nhiÖt häc cña hå tíi khÝ hËu - sù m« t¶ vμ m« h×nh ho¸ 3.1. Giíi thiÖu HÖ thèng hå t¸c ®éng liªn tôc trë l¹i c¸c ®iÒu kiÖn khÝ hËu, trong khi c¸c ®iÒu kiÖn khÝ hËu nμy biÕn ®æi trªn mét ph¹m vi kh«ng gian vμ thêi gian réng. Sù ph©n bè theo kh«ng gian cña c¸c hå trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt biÓu thÞ c¸c d¹ng cña hoμn l u khÝ quyÓn trong mét thêi gian dμi, vμ chu kú khÝ hËu hμng n¨m trªn l u vùc hå ® îc ph¶n ¸nh qua sù biÕn ®æi theo mïa cña kÝch th íc vμ nhiÖt ®é cña c¸c hå. KÝch th íc hå ® îc quyÕt ®Þnh bëi sù c©n b»ng cña l îng n íc vμo vμ ra khái hå. Sù c©n b»ng n íc vμ n¨ng l îng hå g¾n liÒn víi khÝ quyÓn. Trong ph¶n øng trë l¹i c¸c l îng ®i vμo cña khèi l îng, n¨ng l îng vμ ®éng l îng (gi¸ng thuû, bøc x¹ vμ øng suÊt giã), c¸c hå tr¶ l¹i khÝ quyÓn nhiÖt l îng vμ h¬I Èm th«ng qua qu¸ tr×nh ®èi l u vμ bèc h¬i. Sù biÕn ®æi tr¹ng th¸i thuû v¨n vμ tr¹ng th¸i nhiÖt cña hå trªn toμn cÇu, trªn tõng vïng hoÆc tõng ®Þa ph ¬ng, do ®ã thÓ hiÖn cho sù t¸c ®éng qua l¹i lÉn nhau ®Õn sù thay ®æi khÝ hËu lμ sù cung cÊp n íc vμ n¨ng l îng. PhÇn lín c¸c qu¸ tr×nh sinh häc, ho¸ häc, vËt lý häc trong hå bÞ ¶nh h ëng trùc trùc tiÕp bëi c¸c thay ®æi vÒ thñy v¨n (nh ®é s©u cña hå), hay sù thay ®æi nhiÖt trong hå (nh c¸ch s¾p xÕp thμnh tõng líp theo mïa), vμ nh vËy chÞu sù t¸c ®éng gi¸n tiÕp bëi sù thay ®æi cña khÝ hËu. Nh÷ng hiªu biÕt vÒ sù t¸c ®éng qua l¹i lÉn nhau cña hÖ thèng hå - khÝ hËu lμ nÒn t¶ng quan träng trong nhËn thøc vÒ nh÷ng t¸c ®éng cña sù thay ®æi khÝ hËu trong nh÷ng qu¸ tr×nh thuû sinh häc. HiÖn nay tån t¹i mét sè m« h×nh t ¬ng ®èi ®¬n gi¶n vÒ kÝch th íc vμ nhiÖt ®é hå ®ang ® îc sö dông ®Ó t¹o sè liÖu ®Çu vμo cho c¸c qu¸ tr×nh khÝ t îng vμ thuû v¨n. Nh÷ng m« h×nh nμy cã thÓ ¸p dông ®Ó ®¸nh gi¸ t¸c ®éng cña sù thay ®æi khÝ hËu lªn nh÷ng qu¸ tr×nh x¶y ra ë hå, vμ ®Ó x©y dùng l¹i sù thay ®æi kÝch th íc hå vμ liªn kÕt gi÷a cæ khÝ hËu víi kÝch th íc hå qu¸ khø. Trong ch ¬ng nμy, sù ph©n bè chung cña c¸c hå ® îc so s¸nh víi tæng l îng n íc mÆt trong c©n b»ng thuû v¨n. VÝ dô sù biÕn chuyÓn kÝch th íc hå x¶y ra h¬n 10 - 104 n¨m qua ® îc th¶o luËn. Sù biÕn ®æi trong kÝch th íc hå nμy ® îc th¶o luËn trong giíi h¹n cña quü thuû v¨n vμ nh÷ng yÕu tè kh«ng thuéc khÝ hËu, nh÷ng m« h×nh vÒ cÊp hå hiÖn nay. Nh÷ng ph¶n øng trë l¹i cña nhiÖt ®é hå ® îc kÕt hîp víi ®iÒu kiÖn khÝ hËu vμ khÝ t îng häc g©y ra nã vμ t¸c ®éng 100 http://www.ebook.edu.vn
lªn chu kú mïa cña c©n b»ng n¨ng l îng, do ®ã nhiÖt ®é trªn mÆt vμ d íi mÆt hå ® îc s¾p xÕp thμnh tõng líp. Trong ch ¬ng nμy, tæng quan vÒ c¸c m« h×nh hå dïng ®Ó m« pháng nhiÖt ®é vμ bèc h¬I cña hå ® îc tr×nh bμy, vμ c¸c øng dông cña c¸c m« h×nh hå nμy trong c¸c nghiªn cøu vÒ biÕn ®æi khÝ hËu ® îc minh häa cô thÓ. 3.2. ph¶n øng thuû v¨n Sù xuÊt hiÖn vμ tån t¹i cña c¸c hå trªn bÒ mÆt tr¸I ®Êt nh×n chung liªn quan ®Õn l îng dßng ch¶y trªn bÒ mÆt l u vùc, mμ nÕu xÐt trung b×nh trong mét kho¶ng thêi gian dμi sÏ chÝnh b»ng l îng Èm hiÖu qu¶, hay l îng chªnh lÖch gi÷a m a vμ tæng l îng bèc tho¸t h¬I l u vùc. (H×nh 3.1. P - E). H×nh 3.1: A. Khu vùc tèc ®é trung b×nh cña gi¸ng thuû (P), bèc h¬i (E), vμ dßng mÆt (Ri). B. Sù cè cña c¸c hå theo vÜ ®é b»ng phÇn tr¨m bÒ mÆt ®Êt. (Sè liÖu thuû v¨n A tõ Budyko 1977, vμ sè liÖu biÕn cè hå B ® c¶i biÕn sau Street – Perrott vμ Roberts 1983) Trong vïng xÝch ®¹o (~ 100S t i 100N ), gÇn 1,5% bÒ mÆt tr¸i ®Êt ® îc bao phñ 101 http://www.ebook.edu.vn
bëi c¸c hå. ë ®©y gi¸ng thuû th êng v ît qu¸ bèc h¬i, dßng ch¶y mÆt lμ lín nhÊt vμ vÒ c¬ b¶n hå lμ hë theo kh¸I niÖm thñy v¨n, nghÜa lμ n íc tho¸t ra khái hå qua c¸c cöa mÆt hoÆc cöa s¸t mÆt. Mét vμi hå ® îc t×m thÊy ë vïng ¸p cao cËn xÝch ®¹o (~ 250N tíi 250S), n¬i mμ l îng bèc h¬i v ît qu¸ xa so víi l îng gi¸ng thuû vμ sù thiÕu hôt Èm lu«n tån t¹i. MËt ®é che phñ cña hå lín nhÊt ® îc t×m thÊy ë c¸c vïng vÜ ®é trung b×nh (250 ®Õn 600 vÜ tuyÕn b¾c vμ nam). BiÓu hiÖn kh¸c th êng cña vÜ ®é trong h×nh 3.1 gi÷a sù ph©n bè hå vμ dßng mÆt ë 450N ® îc cho lμ do ph¹m vi kh«ng gian r«ng lín cña biÓn Caspia vμ biÓn Aral (Hutchison 1957) vμ do mét sè l îng lín c¸c hå réng lín ®ã ® îc khoÐt s©u ra phÝa ngoμi bëi líp phñ b¨ng ë B¾c b¸n cÇu. ë c¶ hai b¸n cÇu c¸c tÇn suÊt xuÊt hiÖn lín nhÊt cña c¸c hå kÝn theo khai niÖm thñy v¨n [tøc lμ c¸c hå ë vïng quÆng cuèi cïng (c¸c l u vùc tù tiªu) kh«ng cã ® êng cho n íc tho¸t ®i trõ viÖc th«ng qua sù bèc h¬i] t ¬ng øng víi c¸c vÜ ®é mμ t¹i ®ã l îng gi¸ng thuû gÇn nh lμ c©n b»ng víi l îng bèc h¬i (R = 0). Sù phô thuéc cña c¸c hå kÝn vμo sù gÇn c©n b»ng gi÷a l îng gi¸ng thuû vμ l îng bèc h¬i t¹o ra sù nh¹y c¶m lín cña c¸c hå ®èi víi sù thay ®æi thuû v¨n, vμ do ®ã còng nh¹y c¶m ®èi víi sù thay ®æi khÝ hËu. VÒ phÝa cùc tõ vïng vÜ ®é trung b×nh dßng ch¶y mÆt t¨ng t¹o ra mét sù gi¶m t ¬ng øng cña tÇn suÊt xuÊt hiÖn c¸c hå kÝn. Mét sè hå cã kÝch th íc thay ®æi do sù t¨ng l îng n íc nhËp vμo hå g©y ra do b·o. Tuy nhiªn, phÇn lín c¸c hå t ¬ng ®èi kÐm nh¹y ®èi víi hÇu hÕt tÊt c¶ c¸c c¬n b·o trõ c¸c c¬n b·o lín, vμ sù thay ®æi ng¾n h¹n trong kÝch th íc hå lμ kh«ng quan träng. C¸c hå th êng biÓu hiÖn sù biÕn ®æi kÝch th íc theo mïa t ¬ng øng víi sù biÕn ®æi theo chu kú mïa cña c¸c thμnh phÇn thuéc c¸n c©n c©n b»ng thuû v¨n. VÝ dô, sù thay ®æi kÝch th íc trung b×nh theo mïa (sù tÝch tr÷) cña hå Erie bÞ chi phèi bëi ®é lín vμ chu kú cña gi¸ng thuû, bèc h¬i vμ dßng ch¶y mÆt (H×nh 3.2). Tõ 10 - 100 n¨m nh÷ng sù biÕn ®æi cña l îng m a, bèc h¬i vμ dßng ch¶y víi khèi l îng lín h¬n vμ chu kú dμi h¬n kÕt hîp l¹i t¹o ra c¸c dao ®éng cña kÝch th íc hå lín h¬n (H×nh 3.3). Sù thay ®æi thuû v¨n qua nh÷ng kho¶ng thêi gian nμy lμ kÕt qu¶ cña sù dÞch chuyÓn c¸c hoμn l u khÝ quyÓn trªn ph¹m vi lôc ®Þa vμ vïng mμ chóng cã thÓ tån t¹i trong vμi n¨m ( vÝ dô, Andreeva 1974). VÝ dô, trong suèt thËp kû 80, ®iÒu kiÖn Èm ít trªn vïng B¾c Mü (Karl vμ Young 1986, Changnon 1987) t¹o ra møc lÞch sö lín ë c¸c hå Laurentide Great vμ hå Great Salt, Utah vμ mét sè hå kh¸c ë Great Basin. Thêi kú Èm ít nμy cã thÓ liªn quan tíi c¸c d¹ng hoμn l u khÝ quyÓn lôc ®Þa g©y ra do El Nino Southern Oscillation. El Nino nμy lμ sù kÕt hîp cña c¸c bÊt th êng vÒ nhiÖt ®é bÒ mÆt biÓn vμ c¸c d¹ng ¸p suÊt khÝ quyÓn ë c¸c vïng t©y vμ nam Th¸i B×nh D ¬ng. Trong suèt 100 n¨m sù hiÖn diÖn cña c¸c dÞch chuyÓn khÝ hËu ® îc thÓ hiÖn ë c¸c sè liÖu lÞch sö vÒ mùc n íc cña hå Great Lakes (H×nh 3.3) vμ c¸c hå ë vïng Great Basin (H×nh 3.4). Sù dao ®éng lín trong kÝch th íc hå ®· x¶y ra trong suèt 103 - 105 n¨m qua trªn toμn cÇu. C¸c d¹ng dao ®éng theo kh«ng gian vμ thêi gian víi biªn ®é lín 102 http://www.ebook.edu.vn
vμ tÇn suÊt nhá nμy t ¬ng øng víi c¸c biÕn ®æi khÝ hËu toμn cÇu g¾n víi sù tiÕn tho¸i cña c¸c líp b¨ng hμ lôc ®Þa nh mét vÝ dô (thÝ dô, Smith vμ Street - Perotl 1985, Harison 1989, Benson vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1989). H×nh 3.2: Sù biÕn ®æi trung b×nh theo mïa thêi kú dμi h¹n cña gi¸ng thuû, dßng mÆt, bèc h¬i vμ sù thay ®æi l îng trong tÝch tr÷ hå cña hå Erie (Sau khi c¶i biÕn Quinn vμ Guerra 1986). 103 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 3.3: Sù biÕn ®æi dμi h¹n cña c©n b»ng thuû v¨n hμng n¨m hå Erie. Gi¸ng thuû, dßng mÆt vμ bèc h¬i c¶i biÕn sau Quinn vμ Guerra (1986) vμ sè liÖu cÊp hå tõ Winter vμ Woo (1990). 104 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 3.4: Xu h íng vμ sù thay ®æi dμi h¹n cña mÆt hå ë Great Basin phÝa t©y Hoa Kú (® êng ®øt: ghi chÐp lÞch sö, ® êng liÒn: ®o ®¹c), mùc hå kh«ng ph¶i cho c¸c ®iÒu kiÖn cæ x a (x©y dùng l¹i) vμ do ®ã ph¶n ¸nh t¸c ®éng cña sù rót n íc s«ng cho sù t íi vμ sö dông cho tiªu thô kh¸c, ®Æc thï trong thêi kú cuèi cña sù ghi chÐp nμy (Street – Perrott vμ Harrison 1985). Nh÷ng sù dao ®éng tû lÖ hμng ngh×n n¨m nay ® îc ghi chÐp l¹i trong rÊt nhiÒu hå, vμ nhiÒu c«ng viÖc ® îc tiÕn hμnh ®Ó thiÕt lËp c¸c sè liÖu theo tr×nh tù thêi gian cña mùc n íc hå b»ng c¸ch kÕt hîp c¸c ph©n tÝch ho¸ häc, sinh häc vμ vËt lý häc c¸c trÇm tÝch hå, c¸c ®Æc ®iÓm ®Þa chÊt ®Þa m¹o, vμ ®«i khi lμ dÊu hiÖu kh¶o cæ häc (thÝ dô, Bradley 1985, Street - Porrtl vμ Harrison 1985, Benson vμ Thompson 1987 a, b; Benson vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1989; Gause vμ Fontes 1989; COHMAP Members 1989, Benson 1994; Thompson vμ nh÷ng ng êi kh¸c 105 http://www.ebook.edu.vn
1994). H×nh 3. 5: Mùc hå Lahontan (® êng liÒn) trong niªn ®¹i Late - Pleistone so s¸nh víi thÓ tÝch chung cña b¨ng (® êng ®øt) ® îc tÝnh to¸n tõ nghiªn cøu chi tiÕt c¸c ®¬n vÞ phãng x¹ cña träng t©m lßng biÓn. Sè liÖu mÆt hå tõ Benson (kh«ng c«ng bè ® îc) vμ sè liÖu thÓ tÝch b¨ng tõ Imbrie vμ nh÷ng ng êi kh¸c. (1984). H×nh 3.6: §iÓm khëi ®Çu tõ gi¸ trÞ trung b×nh 130 n¨m cña gi¸ng thuû (® êng liÒn) vμ bèc h¬i (® êng ®øt) cña hå Great Salt, Utah. D÷ liÖu th« th«ng th êng ® îc lμm tr¬n cïng víi 5 sè h¹ng, sù di chuyÓn trung b×nh. VÝ dô sù biÕn ®éng theo tr×nh tù thêi gian cña hå Lahontan, ® îc x©y dùng l¹i tõ ph©n tÝch phãng x¹ cacbon cña nhiÒu c¸c vËt liÖu chØ thÞ kh¸c nhau (nh ®¸ gÇn c¸c m¹ch n íc kho¸ng), chØ ra r»ng sù dao ®éng lín vÒ kÝch th íc cña hå trong thêi kú cuèi kû Plaitoxin x¶y ra trong 35000 n¨m trë l¹i ®©y phï hîp t ¬ng øng víi thêi ®iÓm cã l îng b¨ng hμ lín nhÊt gÇn ®©y (c¸ch ®©y 18000 106 http://www.ebook.edu.vn
n¨m), vμ tiÕp sau ®ã lμ sù chuyÓn tiÕp ®Õn giai ®o¹n cã l ¬ng b¨ng hμ trung b×nh (H×nh 3.5) . Nh÷ng nghiªn cøu kh¶o cæ nμy cung cÊp th«ng tin quý gi¸ vÒ kÝch th íc vμ thêi ®iÓm t ¬ng ®èi cña nh÷ng dao ®éng ®· x¶y ra, vμ cã thÓ ® îc kÕt hîp víi c¸c m« h×nh thuû v¨n vμ m« h×nh nhiÖt ®Ó pháng ®o¸n cæ khÝ hËu. H×nh 3.7: §iÓm khëi ®Çu tõ gi¸ trÞ trung b×nh 130 n¨m cña P - E (® êng liÒn) vμ mùc hå (® êng ®øt) cña hå Great Salt, Utah. D÷ liÖu th« th«ng th êng ® îc lμm tr¬n cïng víi 5 sè h¹ng, sù di chuyÓn trung b×nh (James 1985; Morrisette 1988; b¶n tãm l îc d÷ liÖu khÝ t îng häc NOAA). Trong t×nh tr¹ng v¾ng c¸c ho¹t ®éng kiÕn t¹o vμ sù t¸c ®éng cña con ng êi c¸c hå h íng tíi mét kÝch th íc hoÆc mùc c©n b»ng hoÆc ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh víi sù c©n b»ng thuû v¨n trung b×nh. NÕu sù thay ®æi khÝ hËu x¶y ra vμ tån t¹i th× hå sÏ më réng hoÆc thu hÑp ®Ó ®¹t tíi mét tr¹ng th¸i æn ®Þnh míi. NÕu hå ch a ®ñ thêi gian ®Ó ®¹t tíi sù c©n b»ng víi tr¹ng th¸i c©n b»ng thuû v¨n míi cña nã tr íc khi sù thay ®æi kh¸c x¶y ra, th× nã sÏ ph¶i buéc tíi tr¹ng th¸i æn ®Þnh kÝch th íc kh¸c. Do ®ã lÞch sö cña kÝch th íc hå ® îc t¹o thμnh tõ nh÷ng dao ®éng phô thuéc vμo thêi gian mμ nh÷ng dao ®éng nμy cã c¸c biªn ®é vμ tÇn sè biÕn ®æi trong mét ph¹m vi réng. Sù ph¶n øng trë l¹i cña mét hå tíi biÕn ®æi khÝ hËu ®ù¬c quyÕt ®Þnh bëi sù thay ®æi nhiÒu nh©n tè nh ®Þa h×nh, ®Þa m¹o, thæ nh ìng vμ th¶m phñ thùc vËt cña l u vùc. C¸c biÕn ®æi cña l îng gi¸ng thñy, b«c h¬I trªn ph¹m vi l u vùc g©y ra do khÝ hËu t¹o nªn sù thay ®æi kÝch th íc cña hå. VÝ dô, d÷ liÖu lÞch sö tõ hå Great Salt, Utah (H×nh 3.6) tr×nh bμy sù biÕn ®æi chung, sù nghÞch biÕn gi÷a gi¸ng thuû vμ bèc h¬i. C¸c chu kú cã dao ®éng gi¸ng thñy lμ lín nhÊt còng cã dao ®éng vÒ bèc híi lμ lín nhÊt. DÔ thÊy nguyªn nh©n cña sù biÕn ®æi nμy h íng tíi cùc ®¹i thuû v¨n ph¸t sinh trong mÆt hå, lμ nh÷ng ®iÒu kiÖn khÝ quyÓn cã lîi cho gi¸ng thuû (m©y trªn bÇu trêi, ®é Èm cao) còng cã khuynh h íng gi¶m thiÓu bèc h¬i vμ do ®ã lμm t¨ng l îng Èm ít thùc. Sù biÕn ®æi t ¬ng ®èi cña ®é Èm ít thùc th êng ® îc sö dông ®Ó thiÕt lËp mèi t ¬ng quan cña nh÷ng dao ®éng mùc n íc hå víi khÝ hËu, ®Æc biÖt lμ trong c¸c nghiªn cøu cæ thuû v¨n. Qua c¸c thêi kú trung b×nh ®ñ dμi mèi t ¬ng quan nμy lu«n lu«n ®óng ®¾n. Tuy nhiªn, nÕu khÝ hËu tån t¹i trong thêi gian ng¾n th× sù thay ®æi trong P - E cã thÓ x¶y ra tr íc khi kÕt hîp víi thay ®æi trong mùc hå 107 http://www.ebook.edu.vn
(H×nh3.7). Do ®ã d íi nh÷ng ®iÒu kiÖn khÝ hËu t¹m thêi, gi¶ sö P - E vμ mùc mÆt hå t¨ng hoÆc gi¶m cïng nhau chØ ®óng cho c¸c l u vùc, mμ ë ®ã diÖn tÝch bÒ mÆt hå lμ lín so víi tæng diÖn tÝch l u vùc, hoÆc nh÷ng l u vùc cã l îng tr÷ nhá (trong ®Êt vμ b¨ng) vμ nh÷ng l u vùc bÞ ¶nh h ëng ®ång ®Òu bëi c¸c yÕu tè khÝ hËu. 3.3. c©n b»ng thuû v¨n Sù thay ®æi kÝch th íc hå cã thÓ ® îc tÝnh to¸n dùa trªn nh÷ng gi¸ tri ®· biÕt hay íc l îng cña c¸c thμnh phÇn trong c©n b»ng thuû v¨n. Mét ph ¬ng tr×nh chung cho sù thay ®æi theo thêi gian cña kÝch th íc hå cã thÓ viÕt d íi d¹ng sau: dV (1) PL E L AL Z PB E B AB Z R0 G1 G0 dt trong ®ã: V lμ thÓ tÝch hå, PL lμ l îng gi¸ng thñy trªn bÒ mÆt hå (L/T), EL lμ l îng bèc h¬i tõ bÒ mÆt hå (L/T), AL(Z) lμ diÖn tÝch bÒ mÆt hå ë ®é cao Z (L2), PB lμ l îng gi¸ng thuû trªn vïng tËp trung n íc hå (L/T), EB lμ l îng bèc h¬i tõ vïng tËp trung n íc hå (L/T), AB (Z) lμ diÖn tÝch bÒ mÆt tõ vïng tËp trung n íc bªn ngoμi hå ë ®é cao Z (L ), R0 lμ dßng tho¸t tõ hå (L3/T), G1 lμ dßng ch¶y 2 ngÇm vμo trong hå (L3/T), G0 lμ dßng ch¶y ngÇm tõ hå (L3/T). Sè liÖu ®é s©u - diÖn tÝch, A(Z) ® îc lÊy tõ c¸c b¶n ®å ®Þa h×nh, hoÆc cã thÓ lÊy xÊp xØ d¹ng h×nh häc cña h×nh nãn, tø gi¸c hoÆc ® êng Parabol. Ph ¬ng tr×nh (1) phï hîp cho c¶ hå kÝn vμ hå hë. Mét ®iÒu quan träng lμ sù nh©n biÕt r»ng c¸c qu¸ tr×nh ® îc ®Æc tr ng bëi c¸c thμnh phÇn cña c©n b»ng thñy v¨n cã thÓ cã c¸c thêi gian ph¶n øng tíi biÕn ®æi khÝ hËu lμ rÊt kh¸c nhau (Xem vÝ dô, Szestay 1974 vμ Street – Perrolt vμ Harrison 1985 cho sù ph©n chia c¸c hå liªn quan tíi tÝnh chÊt, thμnh phÇn cña c©n b»ng thuû v¨n). MÆc dï c¸c th¶o luËn sau ®©y cã thÓ ¸p dông víi c¸c hå më, nh ng träng t©m cña phÇn cßn l¹i ch ¬ng nμy lμ vÒ c¸c hå kÝn v× chóng ® îc nghiªn cøu réng h¬n nh lμ yÕu tè chØ thÞ cña biÕn ®æi khÝ hËu. §èi víi c¸c hå kÝn th«ng th«ng l îng dßng ngÇm cã thÓ coi nh b»ng 0 cho c¸c thêi ®o¹n xem xÐt. Ph ¬ng tr×nh (1) rót gän thμnh: dV (2) PL E L AL Z PB E B AB Z dt Theo ph ¬ng tr×nh (2) tèc ®é thay ®æi mùc n íc hå theo thêi gian cña mét hå kÝn ® îc x¸c ®Þnh bëi: AB Z dZ (3) PB E B PL E L AL Z dt Thay thÕ c¸c yÕu tè trªn: R = Ri = (PB – EB )AB(Z) vμ A = AL(Z), d¹ng rêi r¹c cña ph ¬ng tr×nh (3) cã thÓ viÕt d íi d¹ng sau: 108 http://www.ebook.edu.vn
R (4) Z PL EL t A Ph¶n øng cña mùc n íc hå tíi sù thay ®æi trong c©n b»ng thuû v¨n cã thÓ ® îc th¶o luËn b»ng viÖc sö dông ph ¬ng tr×nh (4). §Ó cho ®¬n gi¶n chóng ta gi¶ thiÕt r»ng PL - EL lμ cè ®Þnh vμ hå ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh víi sù c©n b»ng thuû v¨n ban ®Çu cña nã. T¹i thêi ®iÓm t0 hå ë ®é cao Z0 vμ diÖn tÝch bÒ mÆt A0, mét sù thay ®æi khÝ hËu x¶y ra khi Rt > R0, trong ®ã Rt biÓu thÞ sù thay ®æi gi¸ trÞ dßng mÆt vμ R0 lμ gi¸ trÞ dßng mÆt ban ®Çu. V× PL - EL cè ®Þnh (trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch), nªn ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh míi diÖn tÝch bÒ mÆt At sÏ lín h¬n A0. Phô thuéc vμo ®é lín cña sù thay ®æi dßng ch¶y mÆt, vμo tr¾c l îng h×nh th¸i cña lßng ch¶o (nghÜa lμ diÖn tÝch bÒ mÆt t ¬ng ®èi theo chiÒu cao), sù thay ®æi mùc Z sÏ lín h¬n víi mçi b íc thêi gian t ngay sau khi khÝ hËu biÕn ®æi, vμ sau ®ã sÏ t¨ng víi tèc ®é gi¶m dÇn ®Õn khi diÖn tÝch bÒ mÆt hå dÇn dÇn tiÕn tíi mét tr¹ng th¸i æn ®Þnh diÖn tÝch bÒ mÆt míi At vμ sù kh¸c biÖt ®¹i sè gi÷a (R/At) vμ (PL - EL) tiÕn ®Õn 0 (nh×n chung PL > EL cho hå kÝn). Ng îc l¹i nÕu Rt > R0, th× At < A0 vμ hå sÏ b¾t ®Çu tr¹ng th¸i æn ®Þnh diÖn tÝch bÒ mÆt cña nã víi mét quü ®¹o ®Æc tr ng gièng nh tr êng hîp mùc n íc hå ®ã ®ang ® îc n©ng lªn. B¶n chÊt cña c¸c t¸c ®éng nμy tíi sù thay ®æi thuû v¨n gîi ý r»ng quü ®¹o cña mùc n íc hå kÝn khi tiÕn tíi tr¹ng th¸i æn ®Þnh cã d¹ng ® êng tiÖm cËn (H×nh 8). H×nh 3.8: VÝ dô vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh quü ®¹o cña mùc hå (nh×n vμo bμi cho c¸c kÝ hiÖu) § êng tiÖm cËn ph¶n øng nμy ® îc ®Þnh l ¬ng hãa bëi mét khai triÓn to¸n häc chuÈn x¸c h¬n ph ¬ng tr×nh c©n b»ng thuû v¨n. Sù l îng hãa nμy cã thÓ thu ® îc bëi phÐp lÊy tÝch ph©n ph ¬ng tr×nh vi ph©n (3), vμ sau mét sè biÕn ®æi ®¹i sè, chóng ta cã nghiÖm Z* t * Z ss t 1 e kt (5) trong ®ã: Z * t Z t 0 lμ sù biÕn ®æi t ¬ng ®èi trong mùc Z(t) víi tr¹ng th¸i Zt æn ®Þnh mùc ban ®Çu Z(t0) ë thêi ®iÓm t0 (H×nh 3.8). Tr¹ng th¸i æn ®inh ban ®Çu ® îc quyÕt ®Þnh bëi: Q0AL(Z0) = R0AB(Z0) trong ®ã Q0 = EL – PL . Mét tr¹ng 109 http://www.ebook.edu.vn
th¸i æn ®Þnh míi thay ®æi trong mùc Z*ss ® îc íc l îng b»ng: AB Z 0 AL Z 0 Q * (6) Z ss Qt Rt trong ®ã: Q vμ R lμ sù biÕn ®æi thuû v¨n ë thêi ®iÓm t0, Qt = Q0 + Q, Rt = dA Z R0 + R vμ ë Z = Z0. Tèc ®é cña sù thay ®æi mùc k trong ph ¬ng tr×nh dZ (5) ® îc íc l îng b»ng : (7) k Qt Rt AL Z0 Tõ ph ¬ng tr×nh (6) râ rμng ta thÊy r»ng dï mét hå n©ng lªn hay h¹ xuèng vÉn h íng tíi mét sù c©n b»ng ® îc quyÕt ®Þnh bëi dÊu cña tö sè. NÕu R > 0 vμ Q < 0 (nghÜa lμ nh÷ng ®iÒu kiÖn Èm ít h¬n tõ l îng gi¸ng thuû cao h¬n hay bít l îng gi¸ng thuû ®i, hoÆc c¶ hai) th× tö sè sÏ d ¬ng (sù n©ng mùc). NÕu R < 0 vμ Q > 0 (nghÜa lμ, c¸c ®iÒu kiÖn kh« h¬n tõ l îng gi¸ng thuû bÞ gi¶m bít hay t¨ng l îng gi¸ng thuû, hoÆc c¶ hai) th× mÉu sè sÏ ©m (sù h¹ mùc). Thêi gian cÇn thiÕt ®Ó hå ®¹t ® îc tr¹ng th¸i æn ®Þnh cho bëi gi¸ trÞ 1/k (H×nh 3.8). Tèc ®é thay ®æi mùc hå k trong sù ph¶n øng trë l¹i víi sù thay ®æi thuû v¨n lμ mét hμm trong c©n b»ng thuû v¨n vμ cña phÐp ®o s©u hå. Tõ ph ¬ng tr×nh (6) vμ ph ¬ng tr×nh (7) cã thÓ kÕt luËn r»ng nh÷ng mÆt hå dèc ®øng ( nhá ) sÏ mang l¹i ¶nh h ëng tíi sù thay ®æi thuû v¨n chËm h¬n nh÷ng hå chiÕm kho¶ng réng lín, lßng ch¶o dèc thoai tho¶i ( lín ), víi tèc ®é ph¶n øng phô thuéc vμo mùc hå ban ®Çu (diÖn tÝch). TÊt c¶ c¸c nh©n tè kh¸c ®ang lμm cho c¸c lßng ch¶o c©n b»ng, më réng, dèc thoai tho¶i ( lín) vμ do ®ã c¸c ghi chÐp tèt h¬n cña th¸c ghÒnh, biªn ®é thay ®æi khÝ hËu thÊp, tr¸i l¹i ®é s©u c¸c hå trong c¸c lßng ch¶o hÑp ( nhá) th êng ® îc ghi chÐp tèt h¬n biªn ®é cao, sù thay ®æi tÇn suÊt thÊp. 3.4. M« h×nh thuû v¨n C¸c m« h×nh sè cña mÆt hå lμ c¬ së vËt lý (nghÜa lμ, kÕt hîp chÆt chÏ ph ¬ng tr×nh c©n b»ng thuû v¨n), thèng kª (tøc lμ, chØ sö dông tÝnh chÊt thèng kª cña mÆt hå ® îc ghi chÐp), hoÆc sù kÕt hîp cña mét vμi c¬ së ®ã. Mét m« h×nh ®¬n gi¶n cã lîi cho viÖc ®iÒu tra ph¶n øng cña mùc hå tíi sù thay ®æi trong gi¸ng thuû (P), bèc h¬i (E) vμ l îng n íc vμo cã thÓ ®¹t ® îc bëi sù liªn kÕt ph ¬ng tr×nh (4) vμo trong mét ch ¬ng tr×nh m¸y tÝnh. §©y lμ mét ch ¬ng tr×nh cã thÓ ® îc sö dông ®Ó x©y dùng l¹i vμ cung cÊp nh÷ng hiÓu biÕt s©u s¾c cã Ých cho ngμnh khoa häc ®éng lùc cña sù thay ®æi mùc hå (vÝ dô, Hostetler vμ Benson 1990). Phøc t¹p h¬n, c¸c m« h×nh hå ® îc x©y dùng bëi sù kÕt hîp chi tiÕt h¬n sù biÓu diÔn cña c©n b»ng thuû v¨n (vÝ dô, Stauffer 1985). Thay v× sö dông sè liÖu quan tr¾c hoÆc nh÷ng biÕn ®æi ®¬n gi¶n ®Çu vμo vμ ®Çu ra cña m« h×nh, c¸c m« h×nh theo c¬ së vËt lý kh¸c cã thÓ ® îc sö dông t ¬ng tù nh c¸c thμnh phÇn cña c©n b»ng thuû v¨n, nh dßng ch¶y ngÇm (Mïa 110 http://www.ebook.edu.vn
®«ng, tËp nμy), dßng ch¶y mÆt (Crowley 1990) vμ ® îc nghiªn cøu ë c¸c phÇn sau, sù bèc h¬i (vÝ dô, Adam cïng c¸c céng sù 1986, Hostetler vμ Bartlei 1990, Crowley 1989, Hostetler vμ Benson 1990). Trong m« h×nh c¸c thμnh phÇn thuû v¨n nμy kh«ng ®æi, ¶nh h ëng tíi sù ph¶n øng trë l¹i cña hÖ thèng hå quy ®Þnh c¸c ®iÒu kiÖn khÝ hËu vμ thuû v¨n ®· ®¹t ® îc, mÆc dï ë møc ®é nμo ®ã t×nh tr¹ng kh«ng bÒn v÷ng ® îc kÕt hîp víi gi¸ trÞ trong m« h×nh. C¸c m« h×nh thèng kª (chuçi thêi gian) ® îc sö dông lμm nÒn t¶ng cho sù x¸c ®Þnh c¸c ®Æc tÝnh (vÝ dô, tÝnh chu kú) trong ghi chÐp cña mùc hå lÞch sö (vÝ dô, Kuzel vμ Kesslar 1986; Woodbury vμ Padm©nbhal 1998). Nh÷ng ¸p dông cña c¸c m« h×nh mùc hå ® îc nghiªn cøu trong phÇn sau cña ch ¬ng nμy. 3.5. Ph¶n øng nhiÖt TÊt c¶ c¸c hå ë mét møc ®é nμo ®ã biÓu thÞ sù thay ®æi bÊt th êng trong nhiÖt ®é n íc phï hîp víi c¸c chu kú mïa cña khÝ hËu thÞnh hμnh. Sù ®iÒu khiÓn chñ yÕu theo chu kú cña nhiÖt ®é n íc ë mét vÜ ®é x¸c ®Þnh (H×nh 3.9) lμ chu kú mïa cña ®é ph¬i bøc x¹ (sãng ng¾n) thu ® îc ë vÜ ®é ®ã (H×nh 3.10). H×nh 3.9: Sù thay ®æi hμng n¨m cña nhiÖt ®é bÒ mÆt hå theo vÜ ®é ® îc quyÕt ®Þnh bëi ph ¬ng tr×nh thùc nghiÖm ( ® c¶i biÕn tõ Staskraba 1980). 111 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 3.10: §¸nh gi¸ sù thay ®æi hμng n¨m trong sù ph©n chia vÜ ®é cña thêi gian, bøc x¹ sãng ng¾n chung ë mÆt ®Êt ( ® c¶i biÕn tõ Staskraba 1980). Nh÷ng hå trong ®íi xÝch ®¹o ë chu kú n¨m nãng vμ thÓ hiÖn biªn ®é chu kú nhiÖt ®é t ¬ng ®èi thÊp. Tõ c¸c vÜ ®é trung b×nh h íng vÒ phÝa cùc, nhiÖt ®é hå trung b×nh n¨m gi¶m, nh ng biªn ®é cña vïng tuÇn hoμn nhiÖt t¨ng t ¬ng xøng víi ®é ph¬i bøc x¹ ®ã. Thªm vμo chu kú mïa cña nhiÖt ®é lμ thêi kú ng¾n (mét ®Õn vμi ngμy hoÆc h¬n), sù thay ®æi bÊt th êng ®ã x¶y ra trong sù ph¶n øng trë l¹i tíi tØ lÖ nhiÔu khÝ quyÓn lín vμ trung b×nh ch¼ng h¹n nh sù ®i qua cña front l¹nh (® êng ®i cña front l¹nh) (H×nh 3.11). Sù biÕn ®æi theo ngμy cña nhiÖt ®é n íc t¹o ra tõ sù kh¸c biÖt ngμy ®ªm trong th«ng l îng bøc x¹ mÆt trêi vμ nh÷ng ®iÒu kiÖn thêi tiÕt ®Þa ph ¬ng nh giã giËt vμ líp phñ m©y. KÕt hîp víi sù kh¸c biÖt theo vÜ ®é trong nhiÖt ®é lμ sù kh¸c biÖt t ¬ng tù trong tÝnh æn ®Þnh cña hå (lùc c¶n tíi nh÷ng hçn hîp bÞ giã cuèn ®i; Hutchinson 1975; Straskraba 61980; Wetzen 1983). Trong c¸c hå n íc ngät nμy ®é æn ®Þnh lμ mét hμm cña sù chªnh lÖch vÒ mËt ®é trong cét n íc xÊp xØ tíi bËc ®Çu tiªn ® îc quyÕt ®Þnh bëi nhiÖt ®é [C¸c ®Æc tÝnh vËt lý kh¸c nh sù t¸c ®éng cña ho¸ häc trong mËt ®é n íc, còng cã thÓ quan träng b»ng hoÆc h¬n trong sù ph©n tÇng ®Æc tÝnh cña mét sè hå (vÝ dô, Imboden vμ Wilest; theo tËp nμy)]. Khi lùc c¶n t¸c ®éng tíi hçn hîp, ®Æc ®iÓm næi bËt cña vßng tuÇn hoμn 112 http://www.ebook.edu.vn
nhiÖt ®é hå hμng n¨m lμ cÊu tróc cña sù ph©n tÇng th¼ng ®øng. 3.5.1. C©n b»ng n¨ng l îng vμ m« h×nh c©n b»ng n¨ng l îng L îng nhiÖt cña mét hå bÞ chi phèi bëi sù ph©n chia n¨ng l îng (nhiÖt) t¹i bÒ mÆt hå. NÕu sù truyÒn nhiÖt x¶y ra gi÷a n íc trong hå vμ c¸c trÇm tÝch n»m bªn d íi lμ kh«ng ®¸ng kÓ, vμ hå kh«ng ®ãng b¨ng, th× sù c©n b»ng n¨ng l îng bÒ mÆt (SEB) lμ: dq s 1 1 lw lw qle q h sw sw lu dt (8) dq s lμ sù biÕn ®æi l îng tr÷ trong hå ë tÇng mÆt [W/m2], trong ®ã: dt sw lμ albe®« sãng ng¾n (hÖ sè ph¶n x¹) cña bÒ mÆt hå ( kh«ng ®o ® îc), 2 sw lμ bøc x¹ sãng ng¾n tæng hîp (trùc tiÕp + khuÕch t¸n) [W/m ], lw lμ albe®« sãng dμi cña bÒ mÆt hå [kh«ng ®o ® îc], lμ bøc x¹ sãng dμi cña khÝ quyÓn [W/m2], lw lμ bøc x¹ sãng dμi tõ bÌ mÆt hå [ W/m2], lu qle lμ th«ng l îng Èn nhiÖt, d ¬ng nÕu t¸c ®éng cña hå liªn tôc [W/m2], qh lμ th«ng l îng Èn nhiÖt cã thÓ nhËn thÊy ® îc, d ¬ng nÕu t¸c ®éng tõ hå liªn tôc [W/m2]. NhiÖt ®é hå lμ phÐp ®o cña l îng nhiÖt tÝch tr÷ trong hå. S¾p ®Æt l¹i ph ¬ng tr×nh (8) ®Ó c©n b»ng nh÷ng biÕn ®æi riªng trong l îng nhiÖt dù tr÷ ë tÇng mÆt tíi c¸c thμnh phÇn c¬ b¶n cña SEB, vμ sù thay ®æi trong l îng nhiÖt dù tr÷ tíi sù thay ®æi trong nhiÖt ®é trªn mét l îng ®¬n vÞ thêi gian. 1 T 1 1 qlw qle q h sw sw lw lw t CZ (9) trong ®ã: T lμ sù biÕn ®æi nhiÖt ®é, t lμ sù gia t¨ng thêi gian, lμ mËt ®é cu¶ n íc, C lμ nhiÖt dung riªng cña n íc, Z lμ bÒ dμy cña tÇng mÆt. GÇn 40% bøc x¹ mÆt trêi ®i xuyªn qua tÇng mÆt vμ bÞ hÊp thô ë ®é s©u phï hîp cña Beer vÒ sù truÒn ¸nh s¸ng trong n íc. 1 1 Z Z Z e sw sw (10) trong ®ã: 113 http://www.ebook.edu.vn
lμ sù hÊp thô n¨ng l îng ë ®é s©u Z ( Z = 0 t¹i bÒ mÆt hå), tØ lÖ % cña bøc x¹ mÆt trêi bÞ hÊp thô trong tÇng mÆt ( Z m), lμ hÖ sè chiÕu s¸ng. Tèc ®é cña sù hÊp thô ® íc quyÕt ®Þnh bëi gi¸ trÞ hÖ sè t¾t ¸nh s¸ng, thay ®æi tõ mét gi¸ trÞ lín h¬n trong n íc ®ôc ngÇu ®Õn 0.02 trong n íc trong suèt. Ph ¬ng tr×nh (8 - 10) cung cÊp c¬ së cho c¸c m« h×nh nhiÖt ® îc nghiªn cøu trong phÇn sau cña ch ¬ng nμy. C¸c thμnh phÇn cña c©n b»ng n¨ng l îng ® îc quan tr¾c hoÆc tÝnh to¸n kh¸c nhau tõ c¸c tham sè khÝ t îng cã liªn quan (vÝ dô, Henderson – Sellers 1986, c¸c kü s binh chñng qu©n ®éi Mü 1986, Oke 1987, Tennessee Valley Authority 1972). Bøc x¹ mÆt trêi vμ bøc x¹ sãng dμi khÝ quyÓn cã thÓ tÝnh to¸n ® îc, nh ng v× bøc x¹ mÆt trêi nμy ® îc nhËp vμo m¸y tÝnh ®Ó tÝnh SEB, nªn khi vËn hμnh nã sÏ tèt h¬n so víi viÖc ®o ®¹c trùc tiÕp víi bøc x¹ kÕ. Bøc x¹ quay trë l¹i tõ bÒ mÆt hå ® îc tÝnh to¸n nh sau: 4 (11) Tw 273.15 lw trong ®ã: lμ ®é ph¸t x¹ ( 0.97 ), lμ h»ng sè Stefan - Boltmann (5,67.10-8 K-4 ), Tw lμ nhiÖt ®é bÒ mÆt ( 0C ). Th«ng l îng Èn nhiÖt trung b×nh hμng ngμy (sù bèc h¬i) cã thÓ ® îc tÝnh to¸n tõ ph ¬ng tr×nh truyÒn khèi (Brutsaert 1982): (12) qle LV N mt u 2 e0 ea trong ®ã: LV lμ Èn nhiÖt hãa h¬i , Nmt lμ hÖ sè truyÒn khèi, U2 lμ tèc ®é cña giã ë 2m, e0 lμ ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ t¹i nhiÖt ®é cña bÒ mÆt hå, ea lμ ¸p suÊt h¬i n íc trong kh«ng khÝ cña khÝ quyÓn. HÖ sè truyÒn khèi ® îc x¸c ®Þnh tõ mét hμm cña diÖn tÝch bÒ mÆt hå (Brutsuert 1982): 3.367 10 9 A 0.05 (13) N mt ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ ® îc tÝnh b»ng ph ¬ng tr×nh Richards (1971): 1.97t k2 3 0.1229t k4 101.325 exp 13.3185t k 0.6445t k (14) e0 víi tk = 1 – [ 373.15/(Tw + 273.15)]. ¸p suÊt h¬i n íc trong kh«ng khÝ cã thÓ ® îc tÝnh to¸n b»ng c¸ch thay ®æi nhiÖt ®é kh«ng khÝ Tw vμo ph ¬ng tr×nh (14) vμ sù gia t¨ng kÕt qu¶ bëi ® ¬ng l îng thËp ph©n cña ®é Èm t ¬ng ®èi. Sù biÕn ®æi hμng ngμy trong tÝnh æn ®Þnh cña líp biªn khÝ quyÓn cã thÓ t¸c 114 http://www.ebook.edu.vn
®éng m¹nh tíi th«ng l îng Èn nhiÖt (tèc ®é bèc h¬i). Khi líp biªn kh«ng khÝ æn ®Þnh (hå nãng h¬n kh«ng khÝ) th× th«ng l îng Èn nhiÖt ® îc n©ng lªn t ¬ng ®èi tíi ®iÒu kiÖn æn ®Þnh n»m bªn d íi. Mét ph ¬ng tr×nh truyÒn khèi l îng (Ryan vμ c¸c céng sù, 1974, Weisman, 1975) ®¸nh gi¸ cho tÝnh æn ®Þnh cña ®iÒu kiÖn lμ: 1/ 3 (15) qle b0 Tsv Tav N mt u 2 e0 ea trong ®ã: b0 lμ mét h»ng sè , Tsv lμ nhiÖt ®é ¶o cña mÆt n íc, Tav lμ nhiÖt ®é ¶o cña khÝ quyÓn. NÕu Tsv > Tav th× th«ng l îng Èn nhiÖt ® îc n©ng lªn. NÕu Tsv Tav th× khÝ quyÓn æn ®Þnh vμ cÇn ph¶i giíi h¹n c¸c nhiÖt ®é lμ tËp hîp b»ng 0 khi biÕn ®æi ph ¬ng tr×nh (15) vÒ ph ¬ng tr×nh (12). Th«ng l îng c¶m nhiÖt cã thÓ sö dông hÖ sè gÇn ®óng Bowen ®Ó tÝnh to¸n: q h Rle (16) trong ®ã hÖ sè Bowen ® îc x¸c ®Þnh bëi: R TW Ta / e0 ea (17) vμ lμ h»ng sè Èm kÕ. Mét chuçi thêi gian 3 n¨m cña sù thay ®æi khÝ hËu cho hå Pyramid, Nevada t¹o ra tõ m« h×nh ph©n gi¶i cao dùa theo khÝ hËu ®Þa ph ¬ng (RCM), ® îc biÓu thÞ trong h×nh 3.11. §óng víi chuçi thêi gian cña nhiÖt ®é n íc mÆt vμ c¸c thμnh phÇn cña SEB tÝnh to¸n tõ d÷ liÖu khÝ t îng ® îc tr×nh bμy trong h×nh 12. Bëi v× c©n b»ng n¨ng l îng ® îc ®iÒu chØnh bëi bøc x¹ mÆt trêi, v ît qu¸ chu kú vμi n¨m cña c¸c thμnh phÇn s½n cã trong SEB hoÆc nghÜa lμ chu kú t¸c ®éng cïng víi sù biÕn ®æi thùc tÕ trong n¨m. Sù c©n b»ng chuçi thêi gian cña nhiÖt ®é n íc mÆt cïng víi d÷ liÖu khÝ t îng vμ c¸c thμnh phÇn cña SEB ® îc lμm s¸ng tá: (1) thÊy r»ng sù biÕn ®æi tÇn suÊt cao, biªn ®é thÊp trong sè liÖu khÝ t îng vμ trong c¸c thμnh phÇn cña SEB ® îc lμm nhá ®i bëi chuçi nhiÖt ®é n íc theo thêi gian; (2) thÊy cã mét sù dÞch chuyÓn pha nhá gi÷a m¹ng l íi bøc x¹ rn 1 1 vμ nhiÖt ®é bÒ mÆt, nghÜa lμ, cùc ®¹i trong sw sw lw lw lu nhiÖt ®é hå x¶y ra muén h¬n trong n¨m lμm thμnh cùc ®iÓm trong rn vμ (3) thÊy r»ng cùc ®¹i trong th«ng l îng Èn nhiÖt (sù bèc h¬i) x¶y ra muén h¬n vμo mïa hÌ vμ h¹ thÊp h¬n cùc ®¹i trong nhiÖt ®é n íc vμ rn. Ba ®Æc tÝnh nμy lμ sù t¸c ®éng cña qu¸n tÝnh nhiÖt, ® îc kÕt hîp víi nhiÖt dung cao cña n íc ( ë 40C, 4.18 MJ, l îng nhiªt cÇn ®Ó t¨ng nhiÖt ®é 1m3 n íc s¹ch lªn 10C ). Trong khÝ hËu nãng sù bèc h¬i tõ c¸c hå cung cÊp c¸c ®Ønh nhiÖt æn ®Þnh trong 115 http://www.ebook.edu.vn
suèt mïa hÌ sau, h¹ xuèng vμ thËm chÝ sím h¬n mïa ®«ng trong khi bÒ mÆt hå nãng h¬n kh«ng khÝ n»m bªn trªn vμ c¸c møc h¬i Èm khÝ quyÓn tiÕn tíi gi¶m dÇn. H×nh 3.11: 11A – E. Sè liÖu khÝ t îng trung b×nh hμng ngμy trong ba n¨m cho hå Pyramid, Nevada, ® thu ® îc tõ mét m« h×nh khÝ hË víi sù ph©n gi¶i cao. A nhiÖt ®é kh«ng khÝ; B ¸p suÊt h¬i kh«ng khÝ; C tèc ®é giã ë 2 m; D bøc x¹ sãng ng¾n chung (cña mÆt trêi); E bøc x¹ sãng dμi khÝ quyÓn. 116 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 3. 12: 12A – E. NhiÖt ®é trung b×nh hμng ngμy vμ c¸c thμnh phÇn cña c©n b»ng nhiÖt cho hå Pyramid, Nevada trong ba n¨m, ® îc t¸i t¹o bëi m« h×nh x©y dùng trong c¸c ph ¬ng tr×nh (20) - (21). A nhiÖt ®é bÒ mÆt; B l íi bøc x¹; C th«ng l îng Èn nhiÖt; D th«ng l îng Èn nhiÖt cã thÓ c¶m nhËn ® îc; E sù thay ®æi trong l îng nhiÖt dù tr÷. 117 http://www.ebook.edu.vn
MÆc dï SEB vμ sù hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi d íi mÆt ®ñ ®Ó ®¸nh gi¸ cho hÇu hÕt c¸c hå, nh ng cã mét vμi ®iÒu ®Æt ra trong c¸c nguån nhiÖt vμ nh÷ng n¬i nhiÖt h¹ xuèng lμ c¸c thμnh phÇn quan träng cña c©n nhiÖt hμng n¨m. Mét sè hå thÓ tÝch lín (liªn quan tíi thÓ tÝch) dßng ch¶y vμo (dßng ch¶y ra) nãng hay l¹nh ®· t¸c ®éng ®Õn l îng nhiÖt vμo (ra) cña hå vμ do ®ã ph¶i ® îc xem xÐt trong c©n b»ng nhiÖt. Mét thμnh phÇn bæ sung cña c©n b»ng nhiÖt còng cÇn ® îc xem xÐt rong c¸c hå n«ng, ë n¬i mμ l îng nhiÖt ® îc truyÒn gi÷a n íc vμ trÇm tÝch n»m phÝa d íi bëi tÝnh dÉn nhiÖt. ë c¸c hå trong (s¹ch) c¸c trÇm tÝch cã thÓ ® îc lμm nãng trùc tiÕp bëi sù x©m nhËp bøc x¹ mÆt trêi. (Bøc x¹ mÆt trêi còng cã thÓ ph¶n x¹ trë l¹i (sù b¾n lªn) vμo trong n íc nÕu albe®« cña tÊt c¶ trÇm tÝch cao). Th«ng l îng nhiÖt ngang qua ®¸y hμng n¨m cã cÊu t¹o gÇn gièng nh ® êng h×nh sin xï x× vμ ® îc quyÕt ®Þnh bëi vßng tuÇn hoμn nhiÖt ®é n íc hμng n¨m vμ c¸c ®Æc tÝnh cña trÇm tÝch. TrÇm tÝch nãi chung lμ mét vïng lÇy ®Ó gi÷ nhiÖt h¹ xuèng trong suèt mïa ®«ng (Hutchinson 1975; Dutton vμ Bryson 1962; Hughes 1967). Cho c¸c hå mμ ph¸t triÓn líp phñ b¨ng vμo mïa ®«ng, c¸c sè h¹ng thªm vμo ph¶i bao gåm c¶ trong SEB ®Ó ®¸nh gi¸ cho n¨ng l îng cña sù kÕt b¨ng vμ sù tan b¨ng (vμ líp phñ tuyÕt). Sù h×nh thμnh, vμ sù tan b¨ng bÞ chi phèi bëi SEB, sù x©m nhËp cña bøc x¹ mÆt trêi vμ bëi l îng nhiÖt cung cÊp n»m phÝa d íi (Ragozkie 1978; de Bruin vμ Nessels 1988; Patterson vμ Humblin 1988). Trong c¸c nh©n tè nμy, SEB chiÕm u thÕ vμ h×nh th¸i b¨ng cã thÓ ® îc dù b¸o (Patterson vμ Hamblin 1988; Hostetler 1991): 1 qi q le q h Ts Tf (18a) sw sw lw lu 1 qi q le q Ts Tf (18b) sw sw lw lu dh h dt trong ®ã: qi lμ dßng nhiÖt chØ cã ë bÒ mÆt b¨ng (tuyÕt), Ts lμ nhiÖt ®é bÒ mÆt, Tf lμ nhiÖt ®é ®iÓm ng ng kÕt (®iÓm s ¬ng), lμ mËt ®é cña b¨ng (tuyÕt), L lμ Èn nhiÖt cña b¨ng (tuyÕt), dh lμ tèc ®é thay ®æi ®é dμy b¨ng theo thêi gian. dt Ph ¬ng tr×nh (18a) ® îc kÕt hîp v¬i sù h×nh thμnh b¨ng vμ ph ¬ng tr×nh (18b) ® îc kÕt hîp víi sù tan b¨ng (tuyÕt) t¹i bÒ mÆt. Sù h×nh thμnh vμ sù tan b¨ng t¹i mÆt ph©n c¸ch n íc - b¨ng ® îc x¸c ®Þnh bëi: dh L qi qw (19) pen dt trong ®ã: 118 http://www.ebook.edu.vn
lμ bøc x¹ mÆt trêi xuyªn qua b¨ng vμ tuyÕt, pen Qw lμ th«ng l îng nhiÖt n»m bªn d íi tíi b¨ng. Sù ph©n tÇng nhiÖt ®é vμ sù hçn hîp hå chÞu t¸c ®éng bëi c¸c nh©n tè ngoμi khÝ hËu nh h×nh th¸i lßng ch¶o (diÖn tÝch bÒ mÆt vμ ®é s©u), lùc Coriolis b¾t nguån tõ sù quay cña tr¸i ®Êt, vμ c¸c ®Æc tÝnh vËt lý (vÝ dô, tÝnh chÊt ®ôc ), ho¸ häc (®é mÆn) cña n íc hå (Hutchinson 1957; Straskraba 1980; Wetzel 1983; Henderson – Sellers 1984; Krink 1988; Imboden vμ Wuest, trong tËp nμy). C¸c hå n«ng th êng kh«ng thÓ hiÖn sù ph©n tÇng nhiÖt ®é æn ®Þnh v× nã bÞ chÆn l¹i bëi ®é s©u toμn phÇn l îng nhiÖt mÆt trêi vμ hçn hîp bÞ giã cuèn ®i, n¬i t¹o ra c¸c ®iÒu kiÖn ®¼ng nhiÖt. Do ®ã sù ph©n tÇng vμ sù t ¬ng ph¶n nhiÖt ®é th¼ng ®øng trong c¸c hå n«ng, th êng tu©n theo cÊu tróc ngμy cña bøc x¹ mÆt trêi vμ giã. Trong c¸c hå ®ôc giμu chÊt dinh d ìng th× sù x©m nhËp cña bøc x¹ sãng ng¾n bÞ hÊp thô vμ t¸n x¹ ë gÇn bÒ mÆt, dÉn ®Õn kÕt qu¶ lμ líp nhiÖt ®é nh¶y vät ë c¸c b·i n«ng h¬n nãi chung ® îc t×m thÊy trong c¸c hå s¹ch n¬i mμ l îng nhiÖt líp d íi mÆt bÞ ph©n t¸n tíi c¸c ®é s©u lín h¬n (Henderson – Sellers 1984, 1988). 3.5.2. C¸c m« h×nh vμ m« h×nh hãa TÇm quan träng cña vßng tuÇn hoμn nhiÖt hå trong sù t¸c ®éng mét vïng quang phæ réng lín cña qu¸ tr×nh t¹o ®Çm hå ®· thóc ®Èy sù ph¸t triÓn cña c¸c m« h×nh vËt lý vμ thùc nghiÖm t¹o c¬ së cho viÖc tÝnh to¸n nhiÖt ®é hå. C¸c ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm cho sù tÝnh to¸n nhiÖt ®é bÒ mÆt hå lμ mét hμm cña vÜ ®é ®· t×m ® îc (vÝ dô, Straskraba 1980) vμ nhiÒu mèi quan hÖ thùc nghiÖm ®· ® îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ sù ph©n tÇng mïa hÌ nh mét hμm cña tr¾c l îng h×nh th¸i lßng ch¶o vμ giã thæi ®Õn (mÆt n íc kh«ng bÞ c¶n trë ® îc lé ra ®Ó giã thæi, xem Ragotzkie 1978, Arai 1984, Melack 1989). C¸c ph ¬ng ph¸p thùc nghÞªm cã thÓ cung cÊp h÷u hiÖu cho ph ¬ng ph¸p gÇn ®óng bËc nhÊt cña nhiÖt ®é hå hoÆc ®é s©u líp nh¶y vät nhiÖt ®é trung b×nh. Tuy nhiªn, c¸c ph ¬ng ph¸p nμy kh«ng phï hîp víi viÖc ®¸nh gi¸ t¸c ®éng cña sù thay ®æi khÝ hËu trong tr¹ng th¸i nhiÖt ®é cña mét hå, còng cã thÓ chóng kh«ng ® îc sö dông ®Ó ®iÒu tra ®éng lùc häc cña qu¸ tr×nh t¹o ®Çm hå. ¶nh h ëng khÝ hËu t¸c ®éng tíi tr¹ng th¸i nhiÖt cña hå cã thÓ ® îc t¸i t¹o bëi c¬ së vËt lý cña c¸c m« h×nh sè. Trong nhiÒu hå n«ng, n¬i mμ l îng nhiÖt dù tr÷ t ¬ng ®èi nhá h¬n vμ do ®ã vßng tuÇn hoμn nhiÖt ®é hμng n¨m nhanh hoÆc trÔ pha h¬n kh«ng khÝ n»m phÝa trªn. Mét m« h×nh “0 chiÒu” (0D) chØ c¨n cø vμo SEB (ph ¬ng tr×nh 7) cã thÓ cung cÊp cho sù t¸i t¹o ®Çy ®ñ nhiÖt ®é bÒ mÆt vμ sù bèc h¬i (Keijman 1974, Eggest vμ Tetzlaff 1978). Trong c¸c hå s©u h¬n sù tÝch tr÷ theo mïa vμ sù mÊt nhiÖt lμ mét phÇn quan träng cña c©n b»ng n¨ng l îng do ®ã ph¶i thªm vμo m« h×nh nhiÖt ®é n íc. C¸c m« h×nh hai vμ ba chiÒu cho dù ®Þnh nμy, nh ng m« h×nh mét chiÒu (1D) chØ ph©n tÝch sù thay ®æi nhiÖt ®é theo ph ¬ng th¼ng ®øng, ® îc sö dông réng r·i h¬n. M« h×nh mét chiÒu kÕt hîp víi c¸c qu¸ tr×nh vËt lý ®ã lμ quan träng nhÊt trong sù chi phèi nhiÖt ®é hå 119 http://www.ebook.edu.vn