®¹i häc quèc gia Hμ Néi Iu P §oronhin V Ë t l ý ® ¹ i d − ¬ n g Biªn dÞch Ph¹m V¨n HuÊn Nhμ XuÊt b¶n ®¹i häc quèc gia Hμ Néi МИНИСТЕРСТВО ОБРА3ОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИ[.]
Trang 1đại học quốc gia Hμ Nội
Iu P Đoronhin
V ậ t l ý
đ ạ i d − ơ n g
Biên dịch: Phạm Văn Huấn
Nhμ Xuất bản đại học quốc gia Hμ Nội
МИНИСТЕРСТВО ОБРА3ОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Ю П ДОРОНИН
ФИ3ИКА ОКЕАНА
Рекомендовано Министерством образования Российской федерации в качестве учебного пособия для студентов всыших учебных заведений, обучаюшихся по направлению ôГидрометеорологияằ, специальности
ôОкеанологияằ
Санкт-Петербург
2000
Trang 2Mục lục
1 Nhiệm vụ môn học vμ phương pháp nghiên cứu 7
2 Mối liên hệ giữa vật lý đại dương với các bộ môn
khoa học khác 10
3 Cấu tạo của nước như một vật thể vật lý 13
Tμi liệu tham khảo bổ sung 24
1.1 Những định nghĩa cơ bản của nhiệt tĩnh học nước
1.2 Phương trình trạng thái của nước biển 34
1.3 Các đặc trưng vật lý nhiệt của nước biển 40
1.4 Quá trình đoạn nhiệt 50
1.5 Các chỉ tiêu phân tầng mật độ trên phương thẳng
đứng của đại dương 55
Tμi liệu tham khảo bổ sung 59
Câu hỏi tự kiểm tra 60
Chương 2 Những định luật cơ bản về biến đổi các
2.1 Phương trình chuyển động của nước biển 61
2.2 Phương trình liên tục vμ phương trình khuếch tán
2.3 Các phương trình biến đổi năng lượng đại dương
như một hệ nhiệt động lực học 73
2.4 Phương trình biến đổi entropy vμ phương trình
truyền nhiệt 78
2.5 Hệ phương trình tổng quát nhiệt động lực học đại dương
84 Tμi liệu tham khảo bổ sung 88 Câu hỏi tự kiểm tra 88
Chương 3 Những tính chất cơ bản vμ mô tả về rối
trong đại dương
89 3.1 Định nghĩa rối 89 3.2 Lấy trung bình các phương trình nhiệt động lực học
95 3.3 Các hệ số trao đổi rối chất thể 103 3.4 Phương trình cân bằng năng lượng rối 110 3.5 Mật độ phổ của các đặc trưng rối 118 3.6 Rối quy mô vừa vμ quy mô lớn 132 3.7 Nguyên lý mô tả xác suất rối đại dương quy mô lớn 136 Tμi liệu tham khảo bổ sung 141 Câu hỏi tự kiểm tra 142
Chương 4 Những quy luật của các quá trình nhiệt
4.1 Phân tích bậc đại lượng của những số hạng trong các phương trình truyền nhiệt vμ khuếch tán muối 143 4.2 Các phương trình cân bằng nhiệt vμ cân bằng muối 152 4.3 Những quy luật trao đổi nhiệt vμ muối của đại dương với khí quyển 159 4.4 Biến đổi nhiệt độ vμ độ muối lớp trên của đại dương do trao đổi nhiệt vμ nước với khí quyển 173 4.5 ảnh hưởng của sự bất đồng nhất xáo trộn rối tới các trắc diện thẳng đứng của nhiệt độ vμ độ muối nước biển
185 4.6 Đối lưu tự do vμ cưỡng bức trong đại dương 189 4.7 Biến đổi nhiệt độ vμ độ muối của các dòng biển 208
Tμi liệu tham khảo bổ sung 217 Câu hỏi tự kiểm tra 218
Trang 3Chương 5 Những tính chất vật lý của băng biển 220
5.1 Sự hình thμnh vμ tăng trưởng của tinh thể băng 220
5.2 Thμnh phần pha của băng biển 227
5.3 Các đặc trưng vật lý nhiệt của băng biển 234
5.4 Những quy luật chung trong sự tăng trưởng vμ tan
băng biển 243
5.5 Những tính chất cơ học của băng biển 257
5.6 Diễn biến của băng dưới tải trọng 266
Tμi liệu tham khảo bổ sung 274
Câu hỏi tự kiểm tra 274
6.1 Những tính chất điện từ vĩ mô của nước vμ băng
6.2 Các phương trình mô tả trường điện từ đại dương 286
6.3 Từ trường của Trái Đất 289
6.4 Trường điện từ đại dương bản chất động lực học do
sóng bề mặt gây nên 292
6.5 Sự phát sinh trường điện từ bởi các dòng biển 302
6.6 Lý thuyết về các dòng địa điện trong đại dương 311
Tμi liệu tham khảo bổ sung 318
Câu hỏi tự kiểm tra 319
7.1 Các định nghĩa cơ bản 320
7.2 Sự hấp thụ ánh sáng trong nước biển 323
7.3 Sự tán xạ ánh sáng trong nước biển 328
7.4 Sự suy yếu ánh sáng bởi nước biển 337
7.5 Sự phát quang của nước biển 341
7.6 Độ chiếu sáng của đại dương 347
7.7 Độ rọi của trường ánh sáng 356
7.8 Phương trình vận chuyển ánh sáng trong đại
7.9 Độ nhìn thấy của các đối tượng dưới nước 365
7.10 Mμu biển 372
Tμi liệu tham khảo bổ sung 377 Câu hỏi tự kiểm tra 378
8.1 Những định nghĩa cơ bản 380 8.2 Các phương trình lan truyền sóng âm 387 8.3 Các đặc trưng năng lượng của sóng âm 392 8.4 Truyền âm qua ranh giới các môi trường có mật độ khác nhau 396 8.5 Sự khúc xạ tia âm 401 8.6 Biến đổi cường độ âm với khoảng cách 408 8.7 Sự phản xạ vμ tán xạ sóng âm 417 8.8 Các nhiễu âm 423 Tμi liệu tham khảo bổ sung 431 Câu hỏi tự kiểm tra 431
Trang 4mở đầu
1 Nhiệm vụ môn học vμ phương pháp nghiên cứu
Vật lý đại dương nghiên cứu những tính chất vật lý cơ bản
của nước biển vμ những định luật đặc trưng cho trạng thái của
đại dương vμ các quá trình vật lý diễn ra trong nó; nghiên cứu
mối quan hệ qua lại giữa các tham số khác nhau của nước biển
vμ giữa các quá trình vật lý; xem xét mối phụ thuộc của các quá
trình đại dương vμo những nguyên nhân gây nên chúng Trong
đó không những cần xác lập một cách định tính mối liên hệ
nhân quả, mμ còn đưa ra biểu diễn toán học của mối liên hệ đó
Nhiệm vụ của môn học không chỉ lμ nghiên cứu các quá
trình, mμ còn xem xét những khả năng sử dụng các mối liên hệ
nhân quả để đưa ra dự báo các hiện tượng vật lý, bởi vì dự báo
lμ một trong những đỉnh cao cuối cùng mμ tất cả các khoa học
về Trái Đất vươn tới Bản thân dự báo không phải lμ nhiệm vụ
trực tiếp của giáo trình, nhưng những căn cứ để nghiên cứu các
phương pháp dự báo được đặt nền móng trong vật lý đại dương
Đỉnh cao thứ hai mμ các khoa học về Trái Đất muốn vươn
tới lμ những khuyến cáo về sử dụng tự nhiên vì lợi ích loμi người
mμ không lμm tổn hại sinh thái đối với trạng thái của nó Về
nguyên tắc, các khuyến cáo chỉ có thể có cơ sở khoa học một khi
vật lý của các quá trình được nghiên cứu kỹ lưỡng vμ những hệ
quả có thể nảy sinh do con người can thiệp vμo quá trình tự
nhiên được lμm sáng tỏ
Việc đảm bảo thông tin về các quá trình vật lý ở đại dương
vμ xu thế của chúng cho các tổ chức kinh tế vμ những tổ chức khác đòi hỏi phải có tri thức về những quy luật phát triển của các quá trình đó Không phải bao giờ trình độ hiểu biết của chúng ta về những quá trình nμy hay quá trình kia trong đại dương cũng đủ cao Đôi khi, tư liệu thực nghiệm mới lμm người
ta phải xét lại những quan niệm đã hình thμnh trước đây về đặc
điểm diễn biến của quá trình vμ về những nguyên nhân gây nên
nó Trong giáo trình nμy trình bμy những quy luật của các quá trình vật lý diễn ra ở đại dương được phát hiện trên cơ sở tư liệu thực nghiệm thu thập được tới cuối thế kỷ 20 Thông tin mới có thể dẫn tới sự hoμn thiện hoặc xét lại những luận điểm đã được trình bμy Những tính quy luật chưa được lμm rõ đến cùng như vậy về các quá trình diễn ra ở đại dương hoặc phép mô tả còn rất gần đúng về nó sẽ được nêu ra trong sách giáo khoa nhằm lμm cho sinh viên khỏi có ấn tượng lμ đại dương đã được nghiên cứu đến tận cùng, để khơi dậy trong sinh viên niềm ham muốn
tự tham gia giải quyết nhiệm vụ đã được nêu lên
Khoa học chỉ đạt tới những kết quả đáng kể một khi nó sử dụng được công cụ toán học Điều nμy lμ do: thay vì mô tả quá trình tự nhiên một cách định tính gần đúng, toán học cho phép xác định những chỉ tiêu định lượng về cường độ của quá trình
vμ xác lập những mối liên hệ giải tích giữa nguyên nhân vμ hệ quả Vì vậy trong vật lý đại dương áp dụng rộng rãi công cụ toán học
Bởi vì các quá trình đại dương diễn ra trong những điều kiện địa lý tự nhiên cụ thể, có lẽ không có một công cụ toán học nμo có thể mô tả được thật chi tiết, nên trong khi mô tả quá
Trang 5trình bằng toán học người ta hay sử dụng phép trừu tượng hóa
bỏ đi những nét ít quan trọng Trừu tượng hóa cμng mạnh vμ
cμng rộng thì quy luật tìm ra được áp dụng đối với một lớp hiện
tượng cμng rộng hơn, nhưng đồng thời quá trình tính toán sẽ
cμng khác biệt với quá trình thực Ví dụ, đã biết quy luật tăng
nhiệt độ lớp trên của đại dương theo sự tăng lên của dòng bức
xạ Mặt Trời vμ nhiệt lượng từ khí quyển Tuy nhiên, biến thiên
nhiệt độ thực tế sẽ khác biệt với biến trình chung ở mức độ mμ
những đặc điểm địa phương của thủy vực chưa được kể tới trong
khi tính toán: sự phân tầng mật độ, độ dẫn nhiệt, bình lưu
nhiệt bởi các dòng biển v.v Mô tả quá trình bằng toán học đáng
quý chính lμ ở chỗ áp dụng trừu tượng hóa trong ví dụ nμy cho
phép sử dụng quy luật tăng nhiệt độ theo sự tăng lên của lượng
nhiệt đi tới đối với tất cả các đại dương vμ các biển Trong số các
nhân tố tác động muôn hình muôn vẻ chỉ cần nhận ra vμ tính
đến những gì quan trọng vμ bỏ đi những gì thứ yếu
Nhiều quá trình đại dương được mô tả bằng những phương
trình khá phức tạp, hiện chưa thể có được nghiệm dưới dạng
giải tích Trong trường hợp nμy máy tính điện tử các loại sẽ trợ
giúp, chúng cho phép nhận được nghiệm cụ thể bằng số của bμi
toán Thay đổi các tham số khác nhau vμ những số hạng của các
phương trình sẽ tạo cơ hội đánh giá vai trò của một tham số hay
của một nhân tố nμo đó trong quá trình vật lý được mô phỏng
Đối với nhiều quá trình vật lý thậm chí còn chưa biết được
những quy luật phát triển chung vμ những mối liên hệ của
chúng với môi trường địa lý xung quanh ở giai đoạn phát triển
nhận thức hiện nay của chúng ta, thì với những quá trình như
vậy hợp lý nhất lμ nghiên cứu bằng mô hình hóa hiện trường,
khi mô hình tái tạo thật tỷ mỉ các điều kiện tự nhiên ở một tỷ lệ thu nhỏ hơn vμ quá trình cần nghiên cứu được tái lập theo các tham số bên ngoμi Đương nhiên, trong đó phải chú ý tuân thủ những điều kiện đồng dạng giữa quá trình ở trong phòng thí nghiệm vμ quá trình đại dương hay biển tự nhiên
Như vậy, về phương diện phương pháp luận thì nhiệm vụ không chỉ lμ nghiên cứu các quy luật vật lý đại dương chủ yếu
đã biết, mμ còn lμ lμm quen với những phương pháp nghiên cứu
2 Mối liên hệ giữa vật lý đại dương với các bộ môn khoa học khác
Đại dương tiếp giáp với thạch quyển vμ khí quyển, vì vậy tất cả các quá trình ở đại dương phụ thuộc vμo sự trao đổi chất
vμ năng lượng với các môi trường đó Vật lý đại dương liên hệ mật thiết nhất với vật lý khí quyển, cả hai bộ môn cùng có nhiều nhiệm vụ khoa học vμ thực tiễn gần gũi với nhau Điều nμy được phản ánh ở chỗ khi nghiên cứu những vấn đề chung người ta liên kết hải dương học vμ khí tượng học vμo cùng một khái niệm “Khí tượng thủy văn”
Xét theo tính chất các nhiệm vụ cần giải quyết vμ những phương pháp nghiên cứu thì môn vật lý đại dương có thể xem như một bộ phận của vật lý, hay chính xác hơn, của địa vật lý ư môn khoa học đề cập tới tập hợp những hiện tượng vật lý xuất hiện trên hμnh tinh của chúng ta vμ nó bao gồm các bộ phận như vật lý khí quyển, vật lý thạch quyển, vật lý đại dương v.v Giữa các bộ phận đó có nhiều thứ chung, đặc biệt giữa vật lý khí quyển vμ vật lý đại dương, nhưng đồng thời chúng đề cập các
Trang 6ư tần số cao hơn với cực đại tại tần số vμi trăm Hz
Cực đại phổ nhiễu của nhuyễn thể, tôm nằm ở giới hạn từ
một số đơn vị đến vμi chục kHz
Hình 8.14 Các băng dao động âm thanh của sinh vật biển
a ư tôm , b ư họ cá vây rộng, c ư cá-ếch
Những tín hiệu của các loμi cá voi rất độc đáo, tạo thμnh
các phổ rất hẹp nằm ở khoảng một số Hz vμ ở dải tần kHz Tất
cả những phổ đó có hình dạng đặc biệt cho phép phân biệt
chúng thuộc về một đối tượng nhất định vμ áp suất âm cũng rất
đặc biệt
Cực đại áp suất trong phổ nhiễu của cá bằng Pa/Hz0,5, trong nhiễu của các loμi giáp xác ư nhỏ hơn một bậc Cá voi phát ra những âm thanh đặc biệt lý thú áp suất âm ở chúng quy dẫn về khoảng cách 1 m từ nguồn bằng 102ư104 Pa Cá phát ra nhiễu mạnh vμo thời kỳ đẻ trứng, tức tồn tại biến trình nhiễu chu kỳ năm, ngμy liên quan tới hoạt động của cá Việc nghiên cứu âm thanh do những đại diện động vật biển phát ra có ý nghĩa thực tế lớn trong hải dương học nghề cá, cho phép dùng phương pháp định vị thụ động, tức theo nhiễu phát hiện ra nơi tập trung cá
Nhiễu kỹ thuật do sóng âm phát ra từ những công trình khác nhau Đó lμ nhiễu từ tầu, các công trình kỹ thuật, công trình cảng, công trình trên bờ; trong khi vận hμnh các dao động nền đất được truyền cho nước Phần đóng góp lớn nhất vμo nhiễu ở biển khơi thuộc về các nhiễu tầu Chúng do nhiễu của chân vịt, rung chấn thμnh tầu vμ nhiễu lắc trong dòng nước sống tầu vμ sóng bọt mũi tầu gây nên Tồn tại mối liên hệ tỷ lệ thuận giữa tốc độ quay của chân vịt, số cánh chân vịt vμ tần số nhiễu dẫn tới đỉnh ở phần phổ tần thấp tại khoảng vμi chục Hz Quá trình tạo bọt khí gây nên nhiễu tần số cao hơn Tập hợp tất cả các quá trình đã liệt kê dẫn tới chỗ khoảng nhiễu tầu trải rộng từ 10 đến 103
Hz Từ hình 8.13 thấy rằng phổ nhiễu tầu khác biệt với các nhiễu khác, cho phép phân biệt chúng
Điều nμy được dùng rộng rãi trong khi phát hiện các tầu nổi vμ ngầm bằng phương tiện âm học Trong đó có thể xác định được loại tầu
Phổ của tất cả các loại nhiễu dẫn ở hình 8.13 tỏ ra khá phức tạp vμ chỉ có thể tách được nhiễu từ một đối tượng cụ thể
2
10ư ư ư
Trang 7trong trường hợp nó khác biệt về tần số vμ mức so với các nhiễu
khác vμ có thể lọc được
Tμi liệu tham khảo bổ sung
1 Акустика океана Под ред Л М Бреховских Части 1, 2, 9 М.,
Наука, 1974
2 Акустика океана Под ред Дж Де Санто Пер с англ Глава 2 М.,
Мир, 1982
3 Алексеев Г В Математические основы акустики океана
(Учеб-ное пособие) Главы 1, 2, 3 Владивосток, ДВГУ, 1988
4 Богородский А В., Яковлев Г В., Корепин Е А., Должиков А К
Гидроакустическая техника исследования и освоения океана
Главы 1, 2 Л., Гидрометеоиздат, 1984
5 Бреховских Л М., Лысанов Ю П Теоретические основы
акустики океана Л., Гидрометеоиздат, 1982 264 с
6 Бреховских Л М., Лысанов Ю П Акустика океана В кн.:
Океанология Т 2 Гидродинамика океана Глава 2 М., Наука,
1978
Câu hỏi tự kiểm tra
1 Tại sao trong thực tế để tính tốc độ âm ở đại dương không dùng
công thức giải tích chính xác mμ lμ những công thức gần đúng?
2 Những ưu điểm vμ nhược điểm của quan điểm sóng vμ quan điểm
tia mô tả sự lan truyền âm trong đại dương lμ gì?
3 áp suất âm vμ cường độ âm biến đổi với khoảng cách như thế nμo
đối với các sóng âm phẳng, hình trụ vμ hình cầu trong chất lỏng lý
tưởng?
4 Sự phân tầng đại dương ảnh hưởng như thế nμo tới quỹ đạo của tín hiệu âm vμ cường độ âm dọc quỹ đạo?
5 Các biên kênh âm ngầm được xác định như thế nμo vμ kênh âm ngầm có đặc trưng gì?
6 Các quy luật khúc xạ phương ngang của tín hiệu âm lμ gì?
7 Sự suy yếu âm trong đại dương phụ thuộc như thế nμo vμo tần số của tín hiệu phát?
8 Phương trình thủy định vị lμ gì?
9 Vì sao xuất hiện hiện tượng âm vọng trong đại dương?
10 Các nhiễu âm trong đại dương được phân biệt bằng những gì vμ giá trị thực tế của chúng lμ gì?
11 Bản chất của bộ phận của âm học gọi lμ thám âm lát cắt lμ gì?