Các sóng dài trọng lực trong đại dương - Chương mở đầu pot

Theo nghĩa rộng của từ, các sóng dμi lμ những chuyển động sóng mμ qui mô khoảng cách của chúng nhiều lần lớn hơn độ sâu đại d‡ơng, tức các sóng với b‡ớc sóng từ một số trăm mét ở đới ven

Đại học quốc gia Hμ Nội

_

A B Rabinovich

Các sóng dμi trọng lực

_

Hiện t‡ợng bẫy sóng, cộng h‡ởng vμ phát xạ

Biên dịch: Phạm Văn Huấn

Nhμ xuất bản đại học quốc gia hμ nội

Mở đầ

Ch

ại d€ơng

nổi

hủy tĩnh dùng cho vùng thềm

Ch

67 2.1

p nền

76

100 2.6

vμ cảng

Ch

yển

165

của các quá trình khí quyển

ộ yển

vùng thềm tới sự phát sinh các sóng dμi 3.6 Sự kích động các sóng ven do kết quả tản mát thủy triều khí t‡ợng trên nền những bất đồng nhất ngẫu

3.7 Cấu trúc không gian của các sóng dμi trong đại d‡ơng

3.8 Những đặc điểm cộng h‡ởng của các sóng dμi trên vùng

3.9 Mô hình lý thuyết về phổ của các sóng dμi ở đại d‡ơng 265 3.10 Khảo sát dao động lắc ở những vùng ven bờ đại d‡ơng 272 3.11.ảnh h‡ởng của các dao động lắc tới sự hình thμnh phổ

3.12 Abiki, rissaga vμ các dao động lắc cực trị khác 311

Ch€ơng 4 Động lực học đới ven bờ vμ các sóng ngoại

4.1 Các chuyển động sóng dμi trong đới ven bờ: lịch sử công

4.2 Những đặc tr‡ng thống kê của dao động mạch động vỗ

bờ vμ sự liên hệ của chúng với các tham số sóng gió vμ

4.3 Sự hình thμnh các sóng ngoại trọng lực bởi cấu trúc nhóm của tr‡ờng sóng gió

Mục lục

€ơng 1 Quan trắc các dao động sóng dμi của mực

1.2 Những máy ghi mực n‡ớc đại d‡ơng nguyên lý phao

vμ sử dụng chúng để đo các sóng dμi

1.3 Các máy đo sóng dμi t

19 26 1.4 Các dụng cụ đặt d‡ới sâu để đo mực n‡ớc đại d‡ơng

1.5 Quan trắc sóng dμi ở ngoμ

34 45

i khơi đại d‡ơng 1.6 Những đặc điểm phổ của các dao động sóng dμi của mực

n‡ớc ở vùng khơi đại d‡ơng vμ vùng thềm lục địa 54

€ơng 2 Lý thuyết tuyến tính về các sóng dμi trên

thềm lục địa vμ ở vùng khơi đại d€ơng

2.2 Các sóng ven của Stokes: nghiệm cho tr‡ờng hợ

đáy thoải vô tận

2.3 Các sóng dμi bị bẫy ở đại d‡ơng có vùng thềm độ sâu

g đổi

khôn

2.4 Những đặc điểm của sóng ven đối với các dạng địa hình

khác nhau

83

92 2.5 Định luật Snellius, góc Bruster vμ sự cộng h‡ởng thềm

Tính toán các sóng ven vμ sóng phát xạ đối với những

thủy vực thực

Các sóng dịch chuyển tron

111

124

3.1 Một số đặc điểm lý thuyết của các sóng trong khí qu 151 3.2 Những đặc tr‡ng phổ của áp suất khí quyển vμ gió

Liên hệ các dao động

3.4 Sự kích động trực tiếp các sóng dμi trong đại d‡ơng đ

4.4 Mạch động vỗ bờ vμ các sóng biên 368

4.5 Dâng n‡ớc trong sóng ở các vùng đại d‡ơng ven bờ 385

4.6 Hiện t‡ợng xô đẩy tầu trong các cảng vμ vùng cảng 392

4.7 Về ảnh h‡ởng của độ xoáy chất lỏng tới chuyển động

4.9 Địa hình dạng ren (feston), các bãi dạng l‡ỡi liềm vμ

(1962)

m2 [264] Nguyên nhân duy nhất có thể lμm tăng

uần hoμn kh

Mở đầu

“Các sóng dμi” ở đây đ‡ợc hiểu lμ những chuyển động với chu kỳ từ một số chu kỳ sóng lừng đến các chu kỳ dao

động triều, tức từ 0,5 phút đến 12 giờ Dải nμy bằng 10 gam bậc Đặc điểm đáng ngạc nhiên nhất của các sóng ở dải tần nμy lμ chúng không tồn tại.

V Munk.Các sóng dμi trong đại doơng

Có vẻ hơi đùa một chút, nh‡ng Munk đã nói nh‡ vậy về những chuyển động mμ ông từng giμnh gần 20 năm cuộc đời mình

để nghiên cứu Thật vậy, phổ các sóng đại d‡ơng tại dải tần nμy thực tế lμ rỗng không (hình 0.1) Năng l‡ợng triều đặc tr‡ng

4 3

10

10 −

− cm2, năng l‡ợng các sóng gió − sóng lừng cũng khoảng

cỡ đó, trong khi tại các tần số trung gian tổng năng l‡ợng sóng chỉ bằng khoảng 1 c

đột ngột phần năng l‡ợng trong dải tần nμy − đó lμ sóng thần (“các sóng địa chấn biển” [67]) Thật vậy, các quan trắc sóng dμi liên tục trong thời gian dμi tại thềm lục địa California [268, 312] đã cho thấy rằng khi có các nhiễu khí quyển mạnh đi qua thì giá trị phổ các sóng đại d‡ơng có thể tăng lên 10 lần, còn khi sóng thần đi qua

− 100 − 1000 lần (ví dụ, đã quan trắc đ‡ợc nh‡ vậy trong thời gian sóng thần Kamchatka ngμy 5 tháng 11 năm 1952 vμ sóng thần Chilê ngμy 23 tháng 5 năm 1960 Song sóng thần mạnh− đó lμ một

hia thμnh hai loại chính: các sóng građien − xoáy (các sóng tựa địa

chuyển) vμ các sóng trọng lực Các sóng loại thứ nhất đ‡ợc hình

thμnh d‡ới ảnh h‡ởng của các lực xoay vμ đ‡ợc qui định bởi định

građien− xoáy lμ các sóng vùng thềm vμ các sóng Rossby Các sóng

građien

t‡ợng cực hiếm (1 lần trong 10 −15 năm); phần đóng góp tổng

cộng của sóng thần vμo phổ các sóng dμi nhỏ không đáng kể

Theo nghĩa rộng của từ, các sóng dμi lμ những chuyển động

sóng mμ qui mô khoảng cách của chúng nhiều lần lớn hơn độ sâu

đại d‡ơng, tức các sóng với b‡ớc sóng từ một số trăm mét (ở đới ven

bờ − từ vμi chục mét) đến hμng nghìn kilômét Theo đặc điểm của

các lực kéo trở lại vị trí cân bằng thì các sóng nμy có thể phân c

xoáy thế vị [50] Những ví dụ điển hình v

− xoáy chỉ có thể tồn tại ở các tần số d‡ới quán tính

(ω< f , ở đây f =2Ωsinϕ, f − tham số Koriolis, Ω− tần số quay

Trái Đất, ϕ− vĩ độ), tức tại các chu kỳ lớn hơn 12 giờ Các sóng

loại nμy đ‡ợc nghiên cứu chi tiết trong các chuyên khảo [14, 27, 51,

70] vμ không thuộc chủ đề công trình nμy Sau nμy, theo g‡ơng

Munk [264] chúng tôi dùng các thuật ngữ “các sóng dμi” hay “các

dao động sóng dμi” để ám chỉ các sóng dμi trọng lực với các tần số

thấp hơn các sóng thủy triều

Các sóng trọng lực đ‡ợc gây nên bởi lực trọng tr‡ờng hay lực

nổi Những sóng nμy qui định tính chất của những chuyển động ở

các tần số trên quán tính Trong công trình nμy sẽ xem xét các

sóng dμi chính áp, tức các chuyển động không phụ thuộc vμo

những biến thiên mật độ n‡ớc biển (ρ) vμ biểu lộ rõ nhất ở những

dao động của mực n‡ớc biển So sánh với thủy triều hay n‡ớc dâng

bão thì những dao động nμy lμ những dao động nền Các dao động

nền của mực n‡ớc đại d‡ơng (background sea−level oscillations)

hay, nh‡ ng‡ời ta vẫn gọi lμ nhiễu sóng dμi tự nhiên vμ lμ đối

t‡ợng chính của công trình nghiên cứu nμy

Đặc điểm quan trọng của các dao động sóng dμi nền − đó lμ chúng phụ thuộc yếu vμo sự quay của Trái Đất Trong đại đa số các bμi toán khảo sát những dao động nμy có thể không tính đến sự quay của Trái Đất Nh‡ vậy trong số ba tham số chính của môi tr‡ờng biển quyết định tính chất của những chuyển động sóng trong đại d‡ơng: f , ρ vμ h [27]− chỉ có độ sâu của chất lỏng (h)

lμ có vai trò đáng kể trong sự hình thμnh nhiễu sóng dμi tự nhiên

Hình 0.1 Phổ các sóng trọng lực trong đại doơng

Th‡ờng ng‡ời ta cho rằng các dao động mực n‡ớc đại d‡ơng với chu kỳ từ một vμi chục giây đến một số giờ tạo thμnh nhiễu sóng dμi tự nhiên, đ‡ợc hình thμnh bởi những quá trình khí quyển, cả do tác động trực tiếp của những thăng giáng khí áp vμ gió lên

mặt đại d‡ơng lẫn do sự tán xạ các thμnh tạo sóng dμi vĩ mô hay

n‡ớc dâng bão trên những bất đồng nhất địa hình đáy vμ đ‡ờng bờ

(hình 0.2) Vì vậy ng‡ời ta gọi những dao động t‡ơng ứng của mực

n‡ớc đại d‡ơng lμ dao động gió áp Tuy nhiên, gần đây đã phát

hiện ra rằng một nguồn quan trọng của nhiễu sóng dμi lμ các sóng

gió Một nguồn bên ngoμi mạnh mẽ nh‡ sóng bão, do sự t‡ơng tác

phi tuyến sẽ truyền năng l‡ợng vμo các sóng dμi, hơn nữa trong

một số tr‡ờng hợp (ở những vùng n‡ớc nông vμ trong bão lớn)

những sóng nμy có thể đạt tới độ cao mấy chục xăng ti mét, còn

thông l‡ợng năng l‡ợng chuyển vμo các tần thấp diễn ra đến tận

những chu kỳ 35−40 phút Tuy nhiên, thông th‡ờng chu kỳ điển

hình của những dao động nμy bằng 0,5−5 phút vμ ở đới ven bờ

những dao động nμy đã đ‡ợc ng‡ời ta biết tới với tên gọi “mạch

động vỗ bờ” Lần đầu tiên những sóng nμy đ‡ợc Munk phát hiện

[263], ông đã cho rằng chúng hình thμnh ở đới sóng vỗ bờ do kết

quả phá hủy sóng gió (từ đó sinh ra tên gọi trên đây) Tuy ,

ở ng

ững sóng nμy

nhiên những quan trắc tiếp theo vμ nghiên cứu lý thuyết đã cho thấy

những sóng nh‡ vậy tồn tại vμ thậm chí có thể phát sinh trực tiếp

oμi khơi đại d‡ơng Trong phổ năng l‡ợng tổng quát của các

sóng đại d‡ơng, những sóng nμy chiếm một vùng ngay cạnh các

sóng trọng lực thông th‡ờng (sóng gió vμ sóng lừng) Vì vậy

Kinsman [225] đã đề xuất gọi chúng lμ các sóng ngoại trọng lực.

Ngμy nay thuật ngữ nμy đ‡ợc dùng chung để chỉ những sóng với

chu kỳ từ 30 giây đến một số phút

Trong công trình nμy, chúng tôi sẽ gọi những sóng có liên

quan trực tiếp về mặt phát sinh tới các quá trình khí quyển lμ các

sóng gió áp (sóng AB), còn những sóng dμi tạo thμnh do kết quả

t‡ơng tác phi tuyến của các sóng trọng lực ngắn lμ các sóng ngoại

trọng lực (sóng IG) (xem hình 0.2) Nếu sử dụng nguyên tắc phân

loại nguồn gốc phát sinh nμy thì các dải tồn tại của nh

có thể giao nhau, tuy nhiên chu kỳ vμ b‡ớc sóng điển hình của

các sóng AB vμ các sóng IG khác biệt nhau khoảng 1−2 bậc

Chính hai loại sóng nμy sẽ lμ đối t‡ợng chính trong nghiên cứu của chúng tôi Các qui mô đặc tr‡ng của sóng AB gần t‡ơng ứng với kích th‡ớc vùng thềm, còn qui mô đặc tr‡ng của sóng IG − kích th‡ớc đới ven bờ Sự trùng hợp nμy không phải ngẫu nhiên,

mμ liên quan tới cơ chế hình thμnh những chuyển động đó Vì vậy không có gì ngạc nhiên khi các sóng AB biểu lộ rõ nhất trong đới thềm, còn các sóng IG − ở gần bờ

Hình 0.2 Sơ đồ phát sinh các sóng dμi trọng lực trong đại doơng

Mặc dù khác nhau về bản chất, các sóng AB vμ các sóng IG có rất nhiều nét giống nhau về cấu trúc vμ đặc điểm Có cùng những yếu tố sóng tham gia hình thμnh nên chúng: đó lμ các sóng ven inh ra bởi hiệu ứng “bẫy sóng” vμ “ống dẫn sóng” (đối với các sóng s

AB thì đới bẫy sóng vμ tập trung năng l‡ợng lμ vùng thềm, đối với

các sóng IG − vùng ven bờ), các sóng phát xạ (gây nên hiện t‡ợng

ộng h‡ởng thềm vμ cấu trúc các dao động đứng trên h‡ớng đ‡ờng

bờ), những hợp phần c‡ỡng bức thuần túy (đối với các sóng AB

những hợp phần nμy liên quan tới các sóng khí quyển, còn đối với

các sóng IG − các nhóm sóng gió) v.v Tất cả những điều đó cho

phép nghiên cứu hai loại sóng nμy theo những quan điểm thống

nhất, dĩ nhiên có tính tới những đặc thù riêng của chúng

Dao động lắc (setxi) lμ một kiểu dao động trọng lực quan trọng

đó lμ những dao động riêng của chất lỏng hình thμnh ở những

thủy vực tự nhiên kín hoặc kín một phần Chu kỳ điển hình của

dao động lắc ở các cảng, vũng vμ các vịnh không lớn, bằng từ vμi

chục giây đến một số giờ, tức t‡ơng ứng với dải chu kỳ đ‡ợc xem

ét trong công trình nμy Những nguyên nhân gây nên dao động

lắc có thể lμ rất nhiều, nh‡ng quan trọng nhất trong số đó lμ các

uá trình khí quyển, sóng gió vμ sóng thần Thông th‡ờng dao

động lắc trong các thủy vực có cửa mở đ‡ợc phát sinh không phải

o tác động trực tiếp của những nhân tố bên ngoμi tác động tới

vùng n‡ớc bên trong, mμ do các sóng đại d‡ơng đi tới qua cửa Nh‡

ậy, các sóng AB hình thμnh trên vùng thềm bên ngoμi, d‡ới tác

động của những nhân tố khí quyển, hay các sóng IG gây nên bởi sự

t‡ơng tác phi tuyến của sóng gió, khi xâm nhập vμo vùng n‡ớc bên

trong sẽ phát sinh ở đó những dao động lắc sộng h‡ởng Về ph‡ơng

diện nμy thì các sóng thần lμ mối đe dọa đặc biệt nhất, song trong

một số tr‡ờng hợp các dao động lắc do các sóng AB sinh ra cũng có

thể có tính chất gây thảm họa (196, 260] Vì vậy, nghiên cứu dao

động lắc gắn liền với các sóng áp vμ sóng ngoại trọng lực lμ hợp lí

Thực tế tất cả các só u kỳ từ một số giây đến

òng chảy

đó suy ra từ định của các sóng ngữ “các sóng sát thấy trên cũng đ‡ợc gộp

c

(

−

x

q

d

v

ng trong dải ch

ột số giờ lμ các sóng trọng lực Chúng đ‡ợc gọi lμ các sóng “chên

h” hay sóng “xoáy” tạo thμnh trong đới ven bờ khi ở đó có c

chênh lệch mạnh [128, 282] Sự tồn tại của những sóng

d

luật bảo tồn xoáy thế Những chu kỳ điển hình nμy lμ 10−15 ph, vì vậy đôi khi ng‡ời ta dùng thuật siêu ngoại trọng lực” [149] Các sóng nμy đ‡ợc quan nền những sóng trọng lực thông th‡ờng, vì vậy chúng vμo công trình nghiên cứu nμy