Khí tượng hải dương học - Chương 4 pot

Sự phân chia bề mặt nước và lục địa trên trái đất Lục địa của trái đất không phải là một dải liên tục, bao bọc quanh các khối lục địa và các đảo là bồn nước mặn tương đối liên tục tạo th

Phần 2

HẢI DƯƠNG HÀNG HẢI

Chương 4 CÁC TÍNH CHẤT TĨNH HỌC CỦA NƯỚC BIỂN 4.1 Đại dương thế giới và các bộ phận của nó

4.1.1 Sự phân chia bề mặt nước và lục địa trên trái đất

Lục địa của trái đất không phải là một dải liên tục, bao bọc quanh các khối lục địa và các đảo là bồn nước mặn tương đối liên tục tạo thành Đại dương thế giới

Đại dương thế giới chiếm một diện tích lớn của vỏ trái đất Nếu diện tích bề mặt trái đất là 510 triệu km2 thì diện tích Đại dương thế giới là 361 triệu km2, chiến 70,8% diện tích bề mặt trái đất, còn diện tích lục địa chỉ còn 149 triệu km2

Trên mỗi bán cầu, diện tích đại dương phân bố không đều, tại Bắc bán cầu, đại dương chiếm 60,7% còn ở Nam bán cầu, đại dương chiếm tới 80,9% Xét về thể tích, toàn bộ khối nước của Đại dương thế giới vào khoảng 1.338,5 x 106 km3

4.1.2 Sự phân chia Đại dương thế giới

Các nhà Hải dương học Liên xô (cũ) năm 1935 đưa ra quan điểm phân chia thành bốn Đại dương dựa trên cơ sở các đặc trưng về địa mạo, ranh giới địa

lý và chế độ khí tượng thuỷ văn với tính độc lập, đó là: Bắc Băng Dương, Thái Bình Dương, Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương Cách phân chia này được hầu hết các nước sử dụng cho đến ngày nay

Ở một số nước lại áp dụng cách phân chia thành bảy đại dương: Bắc Băng Dương, Bắc Đại Tây Dương, Nam Đại Tây Dương, Bắc Thái Bình Dương, Nam Thái Bình Dương, Ấn Độ Dương và đại dương Nam Cực Sự phân chia này dựa

theo truyền thống các thông báo hàng hải toàn cầu, nhưng căn cứ để phân chia thiếu cụ thể, riêng đại dương Nam cực đã bị văn phòng thuỷ văn quốc tế tại Mô

TỈ LỆ %

SĐDTG

THỂ TÍCH (106 km3)

ĐỘ SÂU (m) NƠI ĐO

SÂU

TB Max Thái Bình Dương 178,7 49,5 723699 3957 11034 Vực

Mariana Đại Tây Dương 91 25,4 337699 3602 8385 Vực

Puecto- rico

Đại dương thế giới 361,3 100 1370323 3704 11034

Vị trí tương đối của các đại dương như sau: Thái Bình Dương là đại dương lớn nhất nằm trong khoảng nước rộng giữa hai bán cầu (kinh tuyến 1800gần giữa đại dương) Bờ Tây là rìa lục địa phía Đông Châu Á, bờ Đông là rìa Tây Châu Mỹ, phía Bắc tiếp giáp với Bắc Băng Dương qua eo biển Berin, kéo dài về phía Nam tiếp giáp với Ấn Độ Dương bằng cách phân chia qui ước bởi kinh tuyến 1200E và tiếp giáp với Đại Tây Dương bằng điểm nối giữa mũi Hom Nam Mỹ với doi đất Greizmơ ở rìa Tây Bắc Châu Nam Cực

Đại Tây Dương, đại dương lớn thứ hai ở Tây Bán Cầu, nằm ở giữa bờ lục địa phía Đông châu Mỹ và bờ Tây Âu - Phi Phía Đông tiếp giáp với Ấn Độ Dương bằng kinh tuyến qui ước 200E, phía Tây tiếp giáp với Thái Bình Dương

Ấn Độ Dương nằm phía Nam lục địa Châu Á, hai phía Đông-Tây tiếp giáp với Thái Bình Dương và Đại Tây Dương, phía Nam giới hạn bởi rìa Bắc Châu Nam Cực

Bắc Băng Dương, đại dương băng giá, nằm xung quanh vòng Bắc cực (giới hạn từ vĩ tuyến 660 N trở lên) và rìa phía Bắc các đại lục Mỹ - Âu - Á

b, Các bộ phận của Đại dương thế giới

Biển là phần của đại dương được giới hạn bởi mép các lục địa, các đảo hay vùng cao của đáy

Tuỳ thuộc vào vị trí mà biển được phân chia thành biển nội lục địa, biển ngoại lục địa (biển ven bờ), biển giữa các đảo

Biển nội lục địa nằm sâu trong lục địa và được nối với đại dương bởi một vài eo biển hẹp Vì vậy, chế độ thuỷ văn các biển nội địa khác nhiều với phần đại dương lân cận Biển nội lục địa còn được chia thành biển nằm trong lục địa, gần như tách biệt hẳn với đại dương như biển Đen (Bắc Hải), biển Ban Tích và biển giữa các lục địa như Địa Trung Hải, Caribe

Biển ven là phần nước ven các bờ lục địa được ngăn với các đại dương bởi các dãy đảo hay bán đảo lớn (biển Nhật Bản, Biển Đông Việt Nam) Các biển này có chế độ thuỷ văn ít khác biệt so với đại dương kế cận

Biển giữa các đảo (quần đảo) được tách một cách tương đối ra khỏi đại dương một vùng nước bao bọc bởi các đảo và quần đảo gần khép kín : biển Java (Inđonexia), các biển xung quanh Philippin

Vịnh là vùng nước đại dương hay biển ăn sâu vào lục địa nhưng không tách khỏi bên ngoài bằng những miền đáy cao Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào cấu tạo bờ và nguồn gốc phát sinh mà có những tên gọi khác nhau như vũng (vụng), vịnh, fiort

Vì tính chất lịch sử nên có những khu vực địa lý có các đặc trưng giống nhau, song

có cách gọi khác nhau, nơi thì gọi là biển, nơi gọi là vịnh Chẳng hạn như các vịnh Mexico (Mếch Xích), vịnh Ba Tư thì nên gọi là biển Nhìn chung biên giới của đại dương, biển, vịnh v.v chỉ là sự qui ước

Theo luật hàng hải quốc tế, có điều luật qui ước để phân biệt vịnh và vụng như sau:

Vịnh là vùng nước có diện tích lớn hơn diện tích hình bán nguyệt mà đường kính được tạo bởi cửa vùng nước đó (Hình 4.1.a,b) còn vụng thì diện tích vùng nước nhỏ hơn diện tích hình bán nguyệt

Hình 4.1 Sơ đồ Vụng và Vịnh

4.2 Đặc điểm địa hình đáy và đất đáy đại dương

4.2.1 Các khu vực địa hình đáy đại dương

Hiện nay, các nhà nghiên cứu hải dương đã nhiều công trình nghiên cứu địa hình của đáy đại dương Căn cứ vào nguồn gốc hình thành và hình thái địa hình (địa mạo) mà phân chia thành các khu vực Về cơ bản, phần đáy đại dương được chia thành ba khu vực tính từ phần ngập nước ven bờ trở ra (hình 4.2)

Do cấu trúc địa hình vùng thềm lục địa như sự kéo dài địa hình bờ, vì vậy

bề rộng của thềm lục địa ở các vùng biển rất khác nhau Ở các vùng biển tiến, địa hình thoải, bề rộng thềm lục địa kéo dài hàng trăm km như vùng Đông Nam

Á thuộc Tây Nam Thái Bình Dương, còn ở vùng địa hình bờ dốc đứng thuộc bờ Tây châu Mỹ, bờ châu Phi, thềm lục địa có bề rộng không đáng kể Diện tích của vùng thềm lục địa chiếm từ 7,5% đến 8% diện tích đáy đại dương thế giới

Thềm lục địa giữ một vai trò hết sức quan trọng kể cả về tự nhiên, chính trị xã hội, giao thông vận tải, kinh tế và an ninh quốc phòng của các quốc gia có biển và có vùng thềm lục địa

Về tự nhiên, địa hình và cấu trúc đáy thềm lục địa phản ảnh khá cụ thể cấu trúc địa chất vùng bờ kế cận Vùng nước ở thềm lục địa luôn có sự thâm nhập của bức xạ mặt trời, hoạt động mạnh của sóng, dòng chảy và triều biên Các lớp nước luôn được xáo trộn cả theo phương thẳng đứng cũng như nằm ngang Khu vực thềm lục địa tiếp nhận hầu hết các trầm tích - chất vô cơ và hữu

cơ tải từ các sông ngòi đổ ra

Với những đặc điểm tự nhiên đó, thềm lục địa có ý nghĩa kinh tế lớn: khai thác khoáng sản đặc biệt là dầu khí, giao thông đường biển, khai thác hải sản v.v

Có thể nói, vùng thềm lục địa được coi như một lục địa nữa của các quốc gia với hơn 1/3 dân số thế giới sống ở khu vực gần bờ này

Cũng chính vì quyền lợi to lớn ở vùng thềm lục địa mang lại cho các quốc gia có biển mà vấn đề tranh chấp thềm lục địa liên quan đến an ninh, quốc phòng và chủ quyền quốc gia tại những khu vực chồng lấn thềm lục địa

Để bảo đảm quyền lợi cho các quốc gia có biển, công ước quốc tế ban hành về luật biển 1982 có bổ sung thêm một khái niệm khác, đó là:

“Thềm lục địa là phần đáy biển kéo dài một cách tự nhiên theo độ nghiêng của địa hình nằm trong phạm vi có thể khai thác tài nguyên, nơi nào độ nghiêng bị kết thúc thì kéo dài đến hết phần đặc quyền kinh tế rộng 200 hải lý tính từ đường cơ sở của quốc gia đó”

b, Sườn lục địa

Sườn lục địa (2) là phần đáy biển bắt đầu từ mép ngoài của thềm lục địa Độ dốc của nó biến đổi từ 30 đến 200 Ở gần các mép đảo núi lửa, độ dốc lớn, có thể tới

400 đến 450 Độ dốc trung bình của sườn lục địa trong khoảng từ 30 đến 60

Sườn lục địa đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của vỏ trái đất Phần lớn các trung tâm động đất bao trùm vùng ven bờ các đại dương và biển đều thuộc vùng thềm lục địa Tại đây thường có các phún trào nham thạch phun lên liên quan đến hoạt động kiến tạo, gây đột biến về nhiệt độ nước có lúc lên tới 560C và độ mặn tới 300 ‰

Giới hạn ngoài của sườn lục địa thường kết thúc ở độ sâu khoảng 2500 mét, diện tích vùng sường lục địa chiếm khoảng 11% diện tích đáy đại dương thế giới

c, Lòng chảo đại dương

Phần trũng còn lại với diện tích lớn của đáy đại dương được gọi là lòng chảo đại dương (3) Khu vực này nằm trong giới hạn độ sâu từ 2.500 mét đến

6000 mét Độ dốc ở đây rất nhỏ khoảng từ 4’ đến 6’ Diện tích vùng lòng chảo chiếm 78% diện tích đáy đại dương thế giới

Trong khu vực này, thực tế có thể chia ra làm ba nhóm địa hình, đó là: Lòng đại dương (đáy biển thẳm – bình nguyên đáy) được coi như mặt đáy phẳng, độ dốc nhỏ hơn 1: 1000

Vùng cao đại dương là một dạng địa hình lớn, kích thước ngang đến hàng trăm km, tương tự như cao nguyên trên lục địa, song chúng ngăn cách với vùng núi ngầm bởi các bậc trũng, các vực

Núi ngầm (5) là những khối nâng ít nhiều biệt lập của vùng đáy đại dương

có dạng tròn hay ellip với độ cao trên 1 km, với độ dốc lớn Cho đến nay, các nhà Hải dương học đã phát hiện trên 4200 núi ngầm trên khắp các đại dương, con số đó chắc chắn còn quá ít so với thực tế Người ta cho rằng chỉ riêng ở Thái Bình Dương đã có tới 104 núi ngầm tạo thành các chùm, dãy lớn từ 10 đến 100 núi như các quần đảo núi lửa ở Xamoa, Hawai

Ngoài ba khu vực đã nêu ở trên, các khu vực đáy đại dương có độ sâu trên 6 km là các vực thẳm đại dương Các vực này có bề rộng 5 đến 7 km, dài từ

500 đến 700 km (vực Curin – CamChátCa)

Thái Bình Dương có 25 trong tổng số 30 vực sâu của đại dương thế giới

Hình 4.2 Sơ đồ các khu vực địa hình đáy đại dương

4.2.2 Đất đáy đại dương

Việc nghiên cứu đất đáy đại dương và phân loại chất đáy có nhiều căn cứ khác nhau theo mục đích nghiên cứu, sử dụng Trong đó, nguồn gốc của chất đáy có thể bao gồm các yếu tố:

- Lắng đọng trầm tích từ các chất vô cơ, hữu cơ từ quá trình chuyển tải ở lục địa ra biển và đại dương Các sản phẩm lắng đọng này ở vùng thềm lục địa, sườn lục địa tạo nên chất đáy chủ yếu ở đây, chiếm từ 80% đến 90% thành phần chất đáy

Ngoài ra chất đáy có thể do các quá trình hoá học xảy ra trong đại dương,

do phún trào của núi lửa v.v

Vì vậy, phân loại chất đáy cũng có nhiều quan điểm: Phân loại theo nguồn gốc, theo tính chất hàm lượng hoá học, theo kích thước cơ học của các phần tử (các hạt thành phần) cấu tạo thành chất đáy

Trong hàng hải, phân loại chất đáy dựa trên cơ sở phân loại theo thành phần cơ học- tức kích thước, độ lớn của các hạt thành phần (mảnh vỡ)

Bảng 4.2 cho ta biết phân loại chất đáy sử dụng trong hàng hải

Bảng 4.2 Phân loại chất đáy theo kích thước phần tử

3: Lòng chảo đại dương

4: Vực sâu đại dương

3 Đá cục Lớn

Đá hòn Vừa

Nhỏ

Boulder Cobble

4 Đá Sỏi Lớn

Cuội Vừa

Đá Dăm Nhỏ

Pebbles Gramute

5,0 – 10 2,5 – 5,0 1,0 – 2,5

0,5 – 1,0 0,25 – 0,5 0,1 – 0,25

0,05 – 0,1 0,01 – 0,05

4.3 Các mực nước và độ sâu tương ứng

4.3.1 Các mực nước

a, Mực nước lý tưởng (Mực Gieoid): là mực nước khi đại dương hoàn toàn yên

tĩnh và tại mọi điểm trên bề mặt đều vuông góc với phương của trọng lực

b, Mực nước biển trung bình: là mực nước được xác định theo số liệu trung bình

các lần đo độ cao mực nước ở các trạm đo tại một khu biển và trong một khoảng thời gian nhất định

Thông thường, ở nhiều quốc gia người ta thường sử dụng mực nước biển trung bình nhiều năm ở vùng biển có chế độ thủy triều điển hình làm mực chuẩn

0 mét độ cao địa hình để xây dựng bản đồ địa hình trên đất liền.Vì vậy, mực nước này còn gọi là mực số 0 lục đồ (h0: độ cao đê biển)

c, Mực số 0 hải đồ: là mực nước được lấy từ mực nước thủy triều thấp nhất

trong lịch sử quan trắc (nước ròng thấp nhất) ở vùng biển của mỗi quốc gia

Người ta sử dụng mực nước này làm mực chuẩn 0 mét độ sâu ghi trên Hải đồ

làm cơ sở cho việc xây dựng bản đồ đi biển (Hải đồ)

4.3.2 Các độ sâu tương ứng thường dùng trong hàng hải

a, Độ sâu ghi trên Hải đồ - H0: là khoảng cách thẳng đứng từ mực số 0 Hải đồ

tới đáy biển Như vậy, ta có thể coi đây là độ sâu tối thiểu của hải điểm được thể hiện trên Hải đồ và tùy thuộc vào độ chính xác của Hải đồ, độ sâu này được coi

c, Độ sâu thực tế - H: từ những quy ước của hai độ sâu trên, ta có độ sâu thực tế

của mỗi hải điểm trên biển (từ mặt nước đến đáy biển) chính bằng tổng của hai

độ sâu trên

H = H0 + HT

Tuy nhiên cần hiểu độ sâu thực tế theo nghĩa đen của nó là: tại một thời điểm nhất định, độ sâu thực tế của mỗi hải điểm còn phụ thuộc vào trạng thái mặt biển (sóng biển, sự thay đổi khí áp) Vì vậy, ngoài việc xác định độ sâu thực

tế theo biểu thức trên, cần tính đến những yếu tố tham gia vào sự thay đổi giá trị của nó Các mực nước và độ sâu được mô tả ở hình 4.3

Hình 4.3 Sơ đồ các mực nước và độ sâu tương ứng 4.4 Các tính chất vật lý, hóa học của nước biển

4.4.1 Một số khái niệm hiện đại về cấu trúc phân tử của nước.

a, Các tính chất dị thường của nước

Nước bao gồm 11,9% Hydro (H) và 88,81% Oxy (O2), trong đó thể tích Hydro lớn hơn Oxy 2,00285 lần

Nếu xem nước là một vật thể vật lý, ta có thể nhận thấy nhiều đặc điểm dị thường của nước khác biệt với một số các vật thể vật lý khác Sau đây là một số tính chất quan trọng nhất

- Từ lý thuyết động học thấy rằng: khi nhiệt độ tăng từ 00C đến 40C, mật độ nước tăng và đạt cực đại tại 40C, nhiệt độ tiếp tục tăng thì mật độ nước lại giảm

- Khi đóng băng, thể tích nước sẽ tăng lên (khoảng 10%) Mật độ băng của nước ngọt khoảng 0,9 g/cm3 Trong khi đó mật độ của đa số các vật thể khác đều tăng khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn

- Nước có nhiệt dung riêng rất lớn Khi băng tan (00C) nhiệt dung riêng tăng từ 0,49 ở pha rắn lên tới 1,009 ở pha lỏng, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ đến

400C nhiệt dung riêng giảm sau đó mới bắt đầu tăng

- Băng có nhiệt nóng chảy cực lớn và bằng 79,4 cal/g tức là ở 00C năng lượng ẩn của nước và băng khác nhau khoảng 80 calo

- Nhiệt ẩn bốc hơi rất lớn và bằng 539 cal/g ở nhiệt độ 1000C

- Hằng số điện môi ε của nước tại nhiệt độ 200C bằng 81 đơn vị CGSE còn ở đa số các vật thể khác chỉ trong khoảng 2 đến 3 đơn vị

Như vậy, xét về tính chất hoá học với hằng số điện môi cao như vậy dẫn đến hậu quả trực tiếp là nước có tính chất dễ làm ion hoá (tức làm phân ly các chất hoà tan thành ion) và có khả năng hoà tan lớn

- Hệ số khúc xạ ánh sáng trong nước là n = 1,34 Trong khi đó theo lý thuyết sóng ánh sáng thì hệ số này phải bằng: n= ε =9

Các tính chất dị thường nói trên có thể giải thích trên cơ sở cấu trúc phân

tử nước Trong phạm vi tài liệu này, chúng ta không đi sâu phân tích cơ sở lý thuyết phức tạp này

b, Các đồng vị của Oxy và Hydro - nước nặng

Như trên đã nói, Oxy và Hydro là hai nguyên tố cơ bản của nước, quyết định trạng thái tập hợp và các tính chất cơ bản của nó

Trước những năm 30 của thế kỷ này, người ta cho rằng, tất cả các chất trong đó có Oxy và Hydro đều là những nguyên tố hoá học đơn giản hoặc là hợp chất của chúng Do lúc bấy giờ người ta không xác định được khối lượng tuyệt đối của hạt nhân nguyên tử mà chỉ xác định được trọng lượng nguyên tử qui ước

Sau này, khoa học phát triển, khi tiến hành thử nghiệm để xác định khối lượng hạt nhân nguyên tử, người ta phát hiện ra rằng, những chất mà trước đây cho là những nguyên tố hoá học đơn giản, thực ra là hỗn hợp của một số nguyên

tố các đồng vị có nguyên tử lượng hay khối lượng hạt nhân gần bằng nhau Sở dĩ

có sự khác nhau về khối lượng là do tính chất vật lý giữa các hạt nhân tuy cùng

có một số lượng Proton nhưng số lượng Nơtron khác nhau

Đến nay, người ta đã phát hiện Hydro có năm đồng vị, trong đó có ý nghĩa nhất là hai đồng vị H1 với số khối bằng 1, gồm 1 Proton được gọi là Hydro nhẹ Đồng vị H2 = D với số khối bằng 2, bằng tổng của 1 Proton và 1 Nơtron, được gọi là Đơteri

Đồng vị H3 = T với số khối bằng 3, bằng tổng của 1 Proton và 2 Nơtron, được gọi là Triti, là chất đồng vị phóng xạ Do nguyên tử không bền vững nên đồng vị này thực tế không thể phát hiện được trong nước tự nhiên

Tương tự như vậy, bằng thực nghiệm, người ta cũng phát hiện được một

số đồng vị của Oxy

Đồng vị O16 với số khối 16 bằng tổng của 8 Proton và 8 Nơtron Đồng vị

O17 với số khối 17 bằng tổng của 8 Proton và 9 Nơtron Đồng vị O18 với số khối

18 bằng tổng của 8 Proton và 10 Nơtron Cũng qua thực nghiệm, người ta thu được các đồng vị không bền vững O15 và O19, thực tế không phát hiện thấy trong

Bảng 4.3 dưới đây sẽ trình bày hàm lượng phần trăm các thành phần của nước (theo nhà vật lý ĐiTơRích) để so sánh, ở cột cuối cùng của bảng ghi các nguyên tố hoà tan trong nước với các hàm lượng gần với hàm lượng các thành phần nước nặng tương ứng

Bảng 4.3 Các thành phần của nước

PHÂN TỬ

NƯỚC

% CỦA TỔNG THỂ TÍCH NƯỚC

% CỦA THỂ TÍCH NƯỚC NẶNG

NỒNG ĐỘ TƯƠNG ỨNG VỚI CHẤT HOÀ TAN TRONG NƯỚC BIỂN

Như vậy, theo bảng 4.3, nước nặng Oxy H12O18 chiếm ưu thế Hợp chất

phân tử H22O16 (D2O) được gọi là nước nặng Hydro Hợp chất phân tử Triti H3

(T) được gọi là nước cực nặng và trong đại dương chiếm một tỉ lệ nhỏ bé

Nước được coi như là một dung môi, có đặc tính hoà tan các chất khác nhau nhờ tính phân cực mạnh và mô men lưỡng cực lớn của các phân tử Như vậy, xét

về lý thuyết không có chất nào không hoà tan trong nước nếu không hạn chế về thời gian Vì thế, trong thiên nhiên không có nước tinh khiết về mặt hoá học

Nước biển khác với nước ngọt ở lục địa ở chỗ nó giàu thành phần các chất hoà tan hơn Vì vậy nên tất cả các tính chất của nó đều khác với nước ngọt Ảnh hưởng của các chất hoà tan làm biến đổi tính chất của nước biển đến mức có thể xem nước biển là một dung dịch yếu, do đó nó bị Ion hoá hoàn toàn, đồng thời chứa một lượng lớn các hạt lửng lơ Sự tồn tại của các tạp chất lơ lửng trong

nước có ảnh hưởng lớn đến các hiện tượng quang học, âm học và các hiện tượng

khác xảy ra trong đại dương

Nước tinh khiết H12O16 và các thành phần nước nặng có nhiều tính chất và

đặc điểm rất khác nhau Bảng 4.4 dưới đây của Fritsman thiết lập cho thấy sự

khác nhau về tính chất vật lý giữa nước tinh khiết H12O16 và nước nặng Hydrô

4.4.2 Thành phần hoá học và độ muối của nước biển

a, Thành phần hoá học của nước biển

Như trên đã nêu, về mặt lý thuyết có thể tìm thấy trong nước biển hầu hết các

chất có trong tự nhiên một số chất với hàm lượng rất nhỏ chỉ có thể tìm thấy trong

các cơ thể sống như : Coban, Niken, Thiếc có trong tôm hùm, sò

Ngoài các chất khoáng rắn, trong nước biển còn hoà tan một số chất khí

như Oxy, Nitơ, Argon, Axit Cacbonic, Đihydro Sunfua v.v và một số chất hữu

cơ có nguồn gốc ở lục địa hay đại dương

Số lượng trung bình các chất rắn hoà tan trong nước đại dương thế giới về

trọng lượng chiếm khoảng 3,5% (một số biển đạt tới 4% - Hồng Hải)

Các chất hoà tan có tỷ lệ trong nước biển đáng kể là: Clo - 1,9%, Natri:

1,06%, Magiê - 0,13%, Lưu huỳnh - 0,088%, Can xi - 0,04%, Ka li - 0,038% ,

Brôm - 0,0065%, Các bon - 0,003%

Các nguyên tố hoà tan trong nước quan trọng nhất thường tìm thấy dưới

dạng hợp chất (các muối) Trong đó các hợp chất cơ bản là:

- Các hợp chất có gốc Clorua: NaCl, MgCl2 với hàm lượng bằng 88,7%

tổng các muối hoà tan, chúng làm cho nước có vị mặn

- Các hợp chất có gốc Sunfat: MgSO4, CaSO4, K2 SO4 chiếm 10,8%

- Các hợp chất có gốc Cacbonat: CaCO3 chiếm 0,3%

Cho đến nay, trong suốt quá trình nghiên cứu đại dương thế giới tồn tại

cùng lịch sử trái đất, thành phần hoá học của nước biển thay đổi không đáng kể

thể hiện tính ổn định cao của nó

b, Độ muối của nước biển

Lượng các chất khoáng rắn hoà tan (các muối) tính bằng gam có trong

một ki lô gam nước biển được gọi là độ muối (hay độ mặn) của nước biển

Như vậy, độ muối được thể hiện qua mối quan hệ g/kg hay ‰ (phần

nghìn) và ký hiệu bằng S

Như phần trên đã nêu, các hợp chất khoáng rắn hoà tan chiếm thành phần

lớn nhất là các muối có gốc Clorua: 88,7% Qua phân tích các mẫu nước mặn ở

các vùng khác nhau của đại dương thế giới, người ta thấy rằng, hàm lượng Clo

chiếm không ít hơn 55,21% và không nhiều hơn 55,34% so với trọng lượng tất cả

các chất hoà tan Từ đó, người ta áp dụng phương pháp xác định độ mặn bằng

định lượng Clo trong nước biển Trong nước biển, các muối hoà tan phân ly thành

các Ion tích điện dương là các Cation (nguyên tử Hydro và các kim loại), các ion

tích điện tích âm là các anion (những nguyên tử còn lại sau khi phân ly)

Lượng ion chứa trong nước biển định lượng bằng phương pháp phân ly

được thể hiện trong bảng 4.5 dưới đây:

Bảng 4.5 Lượng các ion chính chứa trong nước biển

CÁC ION LƯỢNG ION (G) CÓ TRONG

1KG NƯỚC BIỂN VỚI S= 35‰ TỶ LỆ %Anion

Trên cơ sở đó, bằng thực nghiệm, các nhà Hải dương học đã thiết lập hệ

thức giữa độ muối và hàm lượng Clo bằng công thức (4.1)

S‰ = 0,030 + 1,8050 Cl (4.1)

Công thức (4.1) dùng để xác định độ mặn (độ muối) trên cơ sở định lượng

các ion Clo có trong 1 kg nước biển tính theo quan hệ g/kg hay ‰

Tuy vậy, ở các biển kín, thành phần muối có thể khác so với biển khơi

nên ở các biển này cần sử dụng các hệ thức phù hợp để lập bảng tính độ muối

tế Khi lập các bảng này, người ta dựa vào hệ thức quy ước giữa độ muối và độ Clo như sau:

S‰ = - 0,08996 + 28,29720R15 + 12,80832R215 -

- 10,67869R315 + 5,98624R415 - 1,32311R515 (4.5)

So sánh cách tính toán bằng phương pháp định lượng Clo theo các công thức (4.1), (4.2), (4.3) cho kết quả sai số với hàm lượng muối thực không quá 0,25%, còn theo phương pháp bình phương tối thiểu cho kết quả sai số không quá 0,002% - 0,005%

4.4.3 Dự trữ kiềm - phản ứng hoạt của nước biển

Do có các chất khí hoà tan trong nước dẫn đến xuất hiện các axit, trong đó chủ yếu là axit Cacbonic (H2CO3) được tạo thành do khí CO2 liên kết với nước:

Bicacbonat và các phân tử axit Cacbonic không bị phân ly

Hàm lượng Hydro có liên quan chặt chẽ với sự phân ly của axit Cacbonic cũng như với hàm lượng ion Cacbonat (CO3-) và Bicacbonat (HCO3-) tức là với

Đối với nước cũng như đối với bất kỳ chất điện phân nào, tồn tại tỷ số nồng độ giữa phần phân ly và phần không phân ly

[ ] [ ]

O H

OH H

2 2

=

− +

(4.9)

Ở đây, K H2O là hằng số số phân ly của nước Bằng thực nghiệm người ta

đã xác định nồng độ ion Hydrô trong nước bằng một phần mười triệu nồng độ chuẩn (dung dịch chuẩn các Ion Hydro là dung dịch 1 gam H+ trong một lít nước) Do đó, trong 1 lít nước trung tính có 10-7 gam ion Hydro

Vì vậy, nếu nồng độ ion Hydro (H+ ) bằng nồng độ ion Hydroxyn (OH-) thì có nước trung tính (H+ = OH- = 10-7 g), nếu số ion Hydro nhiều hơn (H+>10-7g) thì nước

có tính axit, còn nếu số ion Hydro nhỏ hơn (H+<10-7g) thì nước có tính kiềm

Người ta quy ước biểu diễn nồng độ ion Hydro qua số mũ luỹ thừa (hay logarit thập phân) của nó nhưng với dấu ngược lại và gọi là độ pH

độ khí Cacbonic tự do (CO2) giảm

Ở biển khơi, độ pH dao động giữa 7,8 và 8,8 Mùa hè, khi thực vật phù du tiêu thụ nhiều Cacbonic của lớp nước mặt độ pH tăng lên, mùa đông khi độ hô hấp trội hơn làm tăng CO2 thì pH giảm Theo độ sâu do sự tăng áp suất làm tăng

độ phân ly axit Cacbonic làm cho nước có tính axit nhiều hơn

4.4.4 Mật độ, trọng lượng riêng và thể tích riêng của nước biển

Một trong những đặc trưng quan trọng nhất là mật độ cùng với các khái niệm liên quan với nó là trọng lượng riêng và thể tích riêng

t

S Mật độ nước biển 0

04

t

S về trị số đúng bằng mật độ vật lý, vì khối lượng của 1 cm3 nước cất ở nhiệt độ 40C bằng 1 Tuy nhiên, theo định nghĩa trên, khái niệm mật độ nước biển không đồng nhất với khái niệm vật lý về mật độ và như vậy, nó không có thứ nguyên

Trong một số tài liệu, người ta sử dụng khái niệm mật độ là tỷ trọng

Mặc dù vậy, trong các tính toán vật lý có sử dụng mật độ nước biển cần đưa vào thứ nguyên của nó coi như mật độ vật lý là g/cm3

Giá trị của mật độ nước biển lớn hơn 1 (giá trị trung bình đối với các đại dương là 1,025 g/cm3), do vậy để đơn giản việc ghi chép, rút gọn trị số, người ta

đưa khái niệm mật độ qui ước biểu thị bằng δt

Theo qui ước này, phần giá trị đơn vị được bỏ đi và dấu phẩy sau hàng đơn vị được chuyển tới sau hàng thứ ba bên phải

δt = ( 0

04

5,17

S hoặc trọng lượng riêng của nước biển ở nhiệt độ 00 so với nước cất ở nhiệt độ 40C:

Trên thực tế, để đơn giản việc ghi chép cũng như với mật độ qui ước,

người ta dùng khái niệm trọng lượng riêng qui ước ở nhiệt độ 17,50C là:

ρ17,5 = ( 0

05,17

5,17

Trọng lượng riêng qui ước ở nhiệt độ 00 là:

ρ0 = ( 0

00

tiện người ta dùng khái niệm thể tích riêng ở một nhiệt độ nào đó 0

04

t

α là đại lượng nghịch đảo của mật độ nước biển:

0

04

t

α =

0

04

1

t S

(4.14)

Vì mật độ nước biển (với giá trị độ mặn lớn hơn 6‰) ở bất kì nhiệt độ nào đều lớn hơn 1 nên thể tích riêng luôn ở giá trị 0,9 < 0

04

t

α < 1,0 Như vậy, cũng để tiện tính toán, người ta dùng thể tích riêng qui ước Vt

Vt = ( 0

04

t

Mật độ nước biển phụ thuộc vào độ mặn và nhiệt độ nước biển Khi độ mặn tăng, mật độ tăng vì trong nước có các chất hoà tan với trọng lượng riêng lớn hơn nước

Khi nhiệt độ biến thiên, mật độ nước biển thay đổi theo qui luật phức tạp hơn Đối với nước ngọt, mật độ cực đại ở t0 = 40C, như vậy, khi nhiệt độ giảm dưới 40C và tăng lên trên 40C mật độ giảm Nước biển do có độ mặn nên nhiệt

độ mật độ cực đại (θ) cũng như nhiệt độ đóng băng (τ) biến thiên tuỳ thuộc vào giá trị độ mặn

Tính chất biến thiên này được biểu thị bằng giá trị ở bảng 4.6 và hình 4.4 dưới đây:

Bảng 4.6 Nhiệt độ tỷ trọng cực đại và đóng băng phụ thuộc độ mặn

Với giá trị của bảng 4.6, ta vẽ được biểu đồ ở hình 4.4 cho thấy rằng khi

độ mặn tăng, cả hai nhiệt độ đều giảm hầu như theo đường thẳng Với trị số độ mặn bằng 25‰ (chính xác hơn là 24,695‰) hai đường biến thiên cắt nhau ở cùng giá trị nhiệt độ xấp xỉ -1,400C

Khi giá trị độ mặn nhỏ hơn 25‰, nhiệt độ tỷ trọng cực đại có trị số lớn hơn nhiệt độ đóng băng như nước ngọt Với độ mặn lớn hơn 25‰, nhiệt độ tỷ trọng cực đại thấp hơn nhiệt độ đóng băng Trong thực tế, thứ nước đó không

bao giờ lạnh tới nhiệt độ tỷ trọng cực đại vì nó đã đóng băng rồi Người ta qui ước nước có độ mặn nhỏ hơn 25‰ là nước lợ hay nước pha ngọt, còn cao hơn gọi là nước biển

Hình 4.4 Biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc vào độ muối của

nhiệt độ tỷ trọng cực đại và nhiệt độ đóng băng

4.4.5 Áp suất của nước biển, hệ số nén thực

a, Áp suất của nước biển (áp suất thủy tĩnh)

Áp suất của nước biển (hay còn gọi là độ nén) là áp lực của cột nước tác dụng lên một đơn vị diện tích tại một độ sâu nào đó. (áp suất thuỷ tĩnh)

Trong Hải dương học, người ta đo áp lực nước (P) bằng giá trị, cứ qua 10 mét độ sâu thì áp lực tăng lên 1 bar Tương tự như đo áp suất khí quyển, đơn vị

đo 1bar = 106 2

cm

dyn ; 1 dexibar = 10-1 bar; 1 milibar = 10-3bar Người ta còn đo

áp suất nước biển bằng đơn vị atmotphe (atm), 1atm = 1 bar Theo đó tăng độ sâu 10 mét thì áp suất tăng 1bar = 1 atm, tăng 1 mét, áp suất tăng 1 dexibar

Tỷ số giữa độ biến đổi thể tích riêng

dưới tác dụng của áp suất

dP

và giá trị của chính thể tích riêng α được gọi là

hệ số nén thực K của nước biển

d P K

μ

−

μ+

4.4.6 Các tính chất nhiệt của nước biển

a, Nhiệt dung riêng của nước biển

Nhiệt dung riêng là lượng nhiệt cần thiết để nung nóng 1 gam nước biển lên 1 0 C

Nhiệt dung riêng của nước biển phụ thuộc vào áp suất - nhiệt dung đẳng áp

CP và vào thể tích – nhiệt dung đẳng tích CV, ngoài ra các nhiệt dung đẳng áp, đẳng tích còn phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối Nhiệt dung đẳng áp CP là đặc trưng vật lý quan trọng nhất, nhiệt dung đẳng tích CV chỉ có ý nghĩa khi nghiên cứu quá trình truyền âm, vì khó đo đạc trực tiếp nên CV thường xác định theo CP Nhà Hải dương học N.N.Zubốp đã thành lập bảng tính nhiệt dung đẳng áp

CP phụ thuộc vào nhiệt độ và độ mặn nước biển theo bảng 4.7 dưới đây

Bảng 4.7 Nhiệt dung đẳng áp phụ thuộc vào t và s

độ mặn 34,85‰ và nhiệt độ 00C dưới áp suất 1000 dexibar (độ sâu 1000 mét)

có CP = 0,926 còn dưới áp suất 10.000 dexibar (10.000 mét), CP = 0,872

đô g

cal

. Nhiệt dung đẳng tích CV của nước biển nhỏ hơn nhiệt dung đẳng áp và có thể tích theo giá trị CP dựa trên các nguyên lý nhiệt động học thứ nhất, thứ hai và

phương trình trạng thái Công thức tính toán có dạng:

I K

e T C

α 2

−

Trong đó: T - nhiệt độ tuyệt đối; α - thể tích riêng; e - hệ số giãn nở nhiệt;

K - hệ số nén thực; I - đương lượng cơ của công

Thông thường trong tính toán, người ta sử dụng tỷ số giữa hai nhiệt dung :

γ dùng để tính vận tốc truyền âm trong nước biển

Đối với nước cất ứng với nhiệt độ 40C (mật độ cực đại) và dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn γ = 1 Khi nhiệt độ tăng, γ tăng và đạt 1,1022 ở 900C

Đối với nước mặn, theo tính toán của nhà Hải dương học Ekman, với độ muối 34,85‰, dưới áp suất khí quyển, γ tăng từ 1,0004 ở 00C lên 1,0207 ở

300C Khi áp suất tăng, γ tăng Ví dụ: ở 00C dưới áp suất 10.000 dexibar thì

b, Độ dẫn nhiệt của nước biển

Độ dẫn nhiệt của nước biển là lượng nhiệt truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với hướng của gradien nhiệt độ khi gradien nhiệt độ có giá trị bằng đơn vị

Nó được đặc trưng bởi hệ số dẫn nhiệt phân tử H, nếu sự truyền nhiệt được thực hiện bởi các phân tử nước trong chuyển động hỗn loạn của chúng hoặc bởi hệ số dẫn nhiệt rối, nếu sự truyền nhiệt được thực hiện bởi những khối nước trong chuyển động cuộn xoáy (rối) của chúng

Tổng lượng nhiệt Q chuyển vận do truyền nhiệt phân tử, được xác định bởi công thức:

dt là gradien nhiệt độ theo phương thẳng đứng

Trong đại dương, sự biến đổi nhiệt độ hay gradien nhiệt độ theo phương thẳng đứng là lớn nhất, nó lớn hơn theo phương ngang 106 đến 107 lần Tuy vậy, phương thức truyền nhiệt thẳng đứng cũng xảy ra rất chậm vì hệ số dẫn nhiệt phân tử H rất nhỏ Chẳng hạn đối với nước cất ở nhiệt độ 150C, hệ số đó bằng

1,39 10-3 Cal/cm.độ còn với nước mặn có giá trị nhỏ hơn (khoảng 1,33.10-3) và

hệ số dẫn nhiệt này sẽ tăng khi nhiệt độ và áp suất tăng

Kết quả tính toán bằng thực nghiệm cho thấy rằng, nếu nhiệt độ trên mặt biển bằng 00C sau đó tăng lên 300C rồi giữ nguyên không đổi thì bằng phương thức truyền nhiệt phân tử phải qua 1000 năm sau, nhiệt độ nước ở độ sâu 300 mét chỉ bằng 30C

Độ dẫn nhiệt phân tử chỉ có ý nghĩa khi biển ở trạng thái ổn định hoặc các hạt nước chuyển dịch dưới dạng song song Trong thực tế, trong lòng biển và đại dương, các trạng thái trên hầu như không tồn tại Vì vậy, trong thực tế nước trong đại dương luôn thực hiện dạng xáo trộn rối dẫn đến sự dẫn nhiệt rối, còn dẫn nhiệt phân tử có thể bỏ qua

c, Ẩn nhiệt bốc hơi - tiềm nhiệt đóng băng

Ẩn nhiệt (nhiệt ẩn) bốc hơi là lượng nhiệt tính bằng calo chi phí cần thiết

để biến 1 gam nước thành hơi nước ở cùng một nhiệt độ (quá trình này ngược với ẩn nhiệt ngưng kết tức là ngưng tụ 1 gam hơi nước)

Đối với nước cất trong khoảng nhiệt độ từ 00C đến 300C, ẩn nhiệt bốc hơi tính bằng công thức:

L = 596 - 0,52 t

g

cal

(4.20)

Công thức này cũng được áp dụng để tính lượng bốc hơi của nước biển

Qua công thức (2.20) ta thấy ẩn nhiệt hoá hơi của nước biển rất lớn, với nhiệt độ nước biển < 1000C, giá trị này cũng lớn hơn 590 cal/g Ẩn nhiệt hoá hơi đóng vai trò quan trọng trong cân bằng nhiệt của mặt phân cách giữa đại dương

và khí quyển Lượng nhiệt này cùng với hơi nước truyền vào khí quyển với thành phần dương và là phần âm của đại dương

Ẩn nhiệt tạo băng (tiềm nhiệt đóng băng) là lượng nhiệt tính bằng calo toả ra khi chuyển 1 gam nước thành băng ở cùng nhiệt độ. Cũng lượng nhiệt như vậy, để biến 1 gam băng chảy thành nước được gọi là nhiệt ẩn nóng chảy của băng Đối với nước ngọt, lượng nhiệt này bằng 79,67 cal/g ở 00C

Bảng 4.8 Lượng nhiệt (cal) cần thiết để làm nóng chảy

1 gam băng biển ở nhiệt độ t và độ muối s (N.N.Zubốp)