BÀI GIẢNG CẬP NHẬT QỸ QUAN QUẢN LÝ HÀNG HẢI

Hải đồ quét có một số đặc điểm sau: - Ảnh trên màn hình như hải đồ giấy tương ứng; - Có thể ứng dụng phần mềm tin học để kết nối hiển thị vị trí GPS trên hải đồ, - Có thể cập nhật hàng t

1 HẢI ĐỒ ĐIỆN TỬ

1.1 Giới thiệu chung

Sự phát triển của các Hệ thống vệ tinh dẫn đường GNSS (Global NavigationSatellite Systems) và công nghệ thông tin với máy tính rất phổ biến, giá rẻ đã trở thànhcông cụ mạnh mẽ hỗ trợ cho người đi biển Ban đầu Hải đồ điện tử ứng dụng kỹ thuật vitính, được sử dụng như là một công cụ phụ giúp cho hàng hải truyền thống bằng hải đồgiấy Sau đó, bản thân nó đã hoàn thiện dần và có thể thay thế cho hải đồ giấy với nhiềutính năng ưu việt Ngày nay, trên các tàu mới và hiện đại luôn được trang bị các thiết bịphục vụ điều khiển tàu với mức độ tự động hoá cao Thêm vào đó, sự phát triển của các

hệ thống như: Tự động nhận dạng tàu biển (Automatic Identification System – AIS),Dịch vụ giao thông tàu biển (Vessel Traffic Service – VTS) làm cho nhu cầu sử dụnghải đồ điện tử ngày càng cấp thiết Các hãng chế tạo thiết bị hàng hải trên thế giới đã chếtạo nhiều thiết bị hiển thị Hải đồ điện tử và các phần mềm tương ứng

1.1.1 Hải đồ quét - Raster Navigational Chart - RNC:

Là một ảnh quét từ hải đồ giấy có nguồn gốc hoặc được cấp từ một cơ quan thủyvăn được ủy quyền của chính phủ Sau khi quét, nó được số hóa theo từng điểm ảnh(pixel) và được sử dụng kết hợp hải đồ giấy

Hải đồ quét có một số đặc điểm sau:

- Ảnh trên màn hình như hải đồ giấy tương ứng;

- Có thể ứng dụng phần mềm tin học để kết nối hiển thị vị trí GPS trên hải đồ,

- Có thể cập nhật hàng tuần bằng mảnh quét riêng;

- Không có khả năng cảnh báo an toàn hàng hải;

- Không thể hiển thị số liệu có mật độ dày rõ rang khi thu nhỏ hải đồ;

- Không ghi chú, bổ sung được các thông tin cần thiết;

Hệ thống hải đồ quét (System Raster Navigational Chart – SRNC): xây dựng dựa

trên cơ sở dữ liệu tạo ra từ việc biến đổi và cập nhật Hải đồ quét – RNC bằng các phầnmềm và phương tiện phù hợp

1.1.2 Hải đồ vector - Electronic Navigational Chart - ENC:

Hải đồ vector không chứa đựng những hình ảnh đơn giản của hải đồ giấy Nó đượccấu thành bởi các dữ liệu bao gồm tất cả các chi tiết thủy, địa văn cho khu vực bao phủtrên hải đồ Hình ảnh hải đồ vector nhìn thấy trên màn hình máy tính với toàn bộ chi tiếtchứa trong cơ sở dữ liệu thông qua các điểm, đường và khu vực riêng biệt trên hải đồ, vìvậy được gọi là hải đồ vector

Các tư liệu thủy văn, địa văn đưa vào cơ sở dữ liệu của hải đồ vector thường đượclấy trực tiếp từ các nhà xuất bản hải đồ giấy tương ứng Thông thường, hải đồ vector do

cơ quan thủy văn được được chính phủ cho phép phát hành đều được thực hiện bằng cáchtham khảo các số liệu quan trắc gốc và bổ sung những chi tiết cần thiets không có trên hải

xác của các thông tin Với những lý do đó mà quá trình chế tạo hải đồ vector cần nhiềuthời gian và công sức hơn rất nhiều so với hải đồ raster.

So với hải đồ giấy và hải đồ điện tử raster, hải đồ vector cung cấp cho người sửdụng nhiều thông tin hơn Các số liệu trong Light Lists, List of Radio Signals, TideTables và Pilot Books… đều được thể hiện trên hải đồ vector Ngoài ra trên hải đồ vectorcũng có những thông tin bổ sung như chất lượng dữ liệu, nguồn gốc dữ liệu hoặc nhữngchi tiết hỗ trợ hàng hải như hình ảnh của hải đăng, phao tiêu

Hải đồ Vector - ENC là cơ sở dữ liệu được chuẩn hóa về nội dung, cấu trúc, định dạng vàđược cung cấp để sử dụng với Hệ thống thông tin và chỉ báo Hải đồ điện tử (Electronic

Chart Display and Information System – ECDIS) theo thẩm quyền của các cơ quan thủy

văn được chính phủ ủy quyền

Electronic Navigational Charts - ENC: Là hải đồ điện tử véc tơ chính thức, đượcchỉ báo dưới dạng Hệ thống thông tin và chỉ báo Hải đồ điện tử cùng với bố trí dự phòngthích hợp có thể được dùng chính thức cho hàng hải ENCs được lập theo tiêu chuẩn S-57của tổ chức thủy văn quốc tế (International Hydrographic Organization – IHO) Hải đồvector phải phù hợp với phân loại về sản phẩm và đảm bảo tính cập nhật nhằm thỏa mãncác qui định của IMO đối với hàng hải sử dụng ECDIS thay thế ấn phẩm hải đồ giấy.Hải đồ vector có một số đặc điểm sau:

- Hình ảnh khác hải đồ giấy;

- Ghi chú, bổ sung được các thông tin cần thiết;

- Cảnh báo được các nguy hiểm độc lập;

- Nội dung căn cứ vào nguồn dữ liệu hoặc hải đồ chính thức đảm bảo trách nghiệmpháp lý;

- Soạn thảo và mã hóa theo tiêu chuẩn quốc tế;

- Sử dụng hệ trắc địa WGS – 84;

- Cập nhật định kỳ với thông tin chính thức phân phối dưới dạng số hóa

Hình1.1: Hải đồ raster và vector

1.1.3 Hệ thống hải đồ điện tử - Electronic Chart System - ECS:

Hệ thống hải đồ điện tử là một hệ thống thông tin hàng hải chỉ báo vị trí tàu và các

dữ liệu hải đồ từ một cơ sở dữ liệu bằng điện tử trên một màn hình hiển thị ECS khôngthoả mãn các yêu cầu của IMO và SOLAS về thiết bị thay thế hải đồ giấy

Tuy nhiên, do có đặc điểm là giá thành rẻ, đơn giản nên ENC được ứng dụngnhiều trong hàng hải toàn cầu ENC có khả năng chỉ báo các loại dữ liệu hải đồ khácnhau được cung cấp từ cơ quan thủy văn hàng hải, nhà sản xuất thương mại hoặc ngườidùng và ECS thường được sử dụng kết hợp với hải đồ giấy

1.1.4 Hệ thống thông tin và chỉ báo hải đồ điện tử - Electronic Chart Display and Information System – ECDIS

ECDIS là hệ thống thông tin và chỉ báo điện tử hàng hải có thể được chấp thuậnphù hợp hải đồ cập nhật thay thế hải đồ giấy Đây là hệ thống thông tin hàng hải ưu việt,

hỗ trợ thời gian thật, cung cấp các thông tin chính xác và tin cậy về chuyển động của tàuhiển thị tương ứng trên hải đồ Một ưu điểm cơ bản của ECDIS là: sử dụng hải đồ giấyphải xác định vị trí tàu còn đối với ECDIS chúng ta liên tục có vị trí, ngoài ra còn đượccung cấp các thông tin hỗ trợ dẫn tàu an toàn

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống ECDIS

Cấu trúc chung của hệ thống ECDIS gồm các phần sau:

- Máy tính chuyên dùng, thiết bị hệ thống ECDIS và phần mềm ứng dụng;

- Thiết bị kết nối dữ liệu ngoại vi như: GPS, AIS, RADAR, ARPA, …

- Cơ sở dữ liệu hải đồ ENC, RNC và thông tin cập nhật

1.2 Cơ sở pháp lý của hệ thống ECDIS

Tiêu chuẩn của hải đồ điện tử - ECDIS

- Tiêu chuẩn tính năng kỹ thuật: Nghị quyết A167(19)

- Tiêu chuẩn chuyển tiếp dữ liệu thủy văn số hóa: IHO S57 Version 3

- Chi tiết kỹ thuật về nội dung và hiển thị hải đồ: IHO S52

- Vận hành, tính năng của ECDIS, phương pháp và kết quả thử nghiệm: IEC C1174Công ước Quốc tế về An toàn sinh mạng trên biển - SOLAS74 sửa đổi vào ngày05/6/2009 đưa ra yêu cầu về các trang thiết bị lắp đặt trên tàu đối với: Hệ thống thông tin

và chỉ báo hđồ điện tử - ECDIS (Electronic Chart Display and Information System)

SOLAS - Mandatory Requirements for ECDIS Introduction

On 1 January 2011 the amendments to SOLAS as adopted by IMO ResolutionMSC.282(86) entered into force These included a number of changes to SOLAS Chapter

V “Safety of Navigation”

Regulation 19 has been revised to include Electronic Chart Display and InformationSystems (ECDIS) and Bridge Navigation Watch Alarm Systems (BNWAS) New andexisting vessels must be fitted with these systems according to rolling timetables asdetailed below

Timetable

Paragraph 2.10 sets out a timetable for vessels engaged on international voyages to befitted with an ECDIS using Electronic Navigation Charts (ENCs):

 Passenger ships of 500 GT and upwards constructed on or after 1 July 2012

 Tankers of 3,000 GT and upwards constructed on or after 1 July 2012

 Cargo ships, other than tankers, of 10,000 GT and upwards constructed on or after

1 July 2013

 Cargo ships, other than tankers, of 3,000 GT and upwards but less than 10,000 GTconstructed on or after 1 July 2014

 Passenger ships of 500 GT and upwards constructed before 1 July 2012, not laterthan the first survey on or after 1 July 2014

 Tankers of 3,000 GT and upwards constructed before 1 July 2012, not later thanthe first survey on or after 1 July 2015

 Cargo ships, other than tankers, of 50,000 GT and upwards constructed before 1July 2013, not later than the first survey on or after 1 July 2016

 Cargo ships, other than tankers, of 20,000 gross tonnage and upwards but less than50,000 GT constructed before 1 July 2013, not later than the first survey on orafter 1 July 2017

 Cargo ships, other than tankers, of 10,000 GT and upwards but less than 20,000

GT constructed before 1 July 2013, not later than the first survey on or after 1 July2018

The term “first survey” is defined in MSC.1/Circ.1290 as being ‘the first annual survey,the first periodical survey or the first renewal survey whichever is due first after the datespecified in the relevant regulation or any other survey if the Administration deems it to

be reasonable and practicable, taking into account the extent of repairs and alterationsbeing undertaken For a ship under construction, where the keel is laid before, but theship is delivered after, the date specified in the relevant regulation, the initial survey isthe first survey.”

It will be noted from the above schedule that there is no provision for cargo ships (otherthan tankers) of less than 10,000 GT to be fitted with ECDIS Flag States may alsoexempt a vessel from complying with the requirements if it is to be taken out of servicepermanently within two years of the applicable implementation date

Back-up Requirements

SOLAS Chapter V, Regulation 19/2.1.5 states that:

“All ships, irrespective of size, shall have back-up arrangements to meet the functionalrequirements of subparagraph 4, if this function is partly or fully fulfilled by electronicmeans” An accompanying footnote reads “An appropriate folio of paper nautical chartsmay be used as a back-up arrangement for ECDIS Other back-up arrangements forECDIS are acceptable (see appendix 6 to Resolution A.817(19), as amended).”

Resolution A.817(19) “Performance Standards for Electronic Chart Display andInformation Systems (ECDIS)” has been superseded by Resolution MSC.232(82) whichlists revised performance standards However, Resolution MSC.232(82), Appendix 6

“Back-up Requirements” does not specify acceptable alternatives Consequently approval

by the vessel’s Flag State will be necessary if alternative back-up arrangements are to beused Depending on the Flag State’s agreement, such arrangements may include:

 An ECDIS system using ENCs with an independent power supply

 An appropriate folio of corrected up to date paper charts for the present voyage

 A Raster Chart Display System (RCDS), also known as an Electronic ChartSystem (ECS) using Raster Navigational Charts (RNCs), with an independent

Systems

ECDIS systems use ENCs which have been published by an authorised hydrographicoffice An ENC, often referred to as a vector chart, is a database of informationpermitting chart data to be displayed according to the user’s requirements For example,the amount of detail shown on different scales may be specified Moreover, ENCs areseamless and there are no boundaries between charts An ENC may also includeadditional data, such as information contained in the applicable Sailing Directions; if anavigational aid such as a lighthouse is selected, further details may be displayed Thenature of the data contained in an ENC enables alarms to be set in the ECDIS system,such as for depth, triggering a warning if a proposed course will take the vessel into anarea where the required minimum depth of water will not be met When a vessel isnavigating in an area where ENC coverage is not available, the ECDIS will switch tousing RNC data

An RNC is a facsimile copy of a paper navigation chart It will display the same data as

on the paper chart and also has the same perimeter Alarms and warnings cannot be set inthe same manner as an ENC However, depending on the system it may be possible forthe user to set boundary alarms, such as for danger areas

An ECDIS may use RNCs, but when ECDIS is employed in this way IMO requires thesystem to be used together with an appropriate folio of up to date paper charts for thevoyage Likewise, when a RCDS is in use, paper charts will remain the principal means

of passage planning and position monitoring regardless of the type of electronic chartbeing used

In addition to ensuring that the principal and back-up means of passage planning,position plotting and monitoring comply with requirements of the vessel’s Flag State, theequipment must also be type approved by a recognised organisation

If new equipment is fitted, deck officers should be sufficiently trained before using itoperationally in order to comply with STCW and ISM Code requirements The vessel’sFlag State should also be consulted in case they have any further training requirements

In general, personnel should have completed IMO model course 1.27 – “Operational Use

of Electronic Chart Display and Information Systems” and have undergone specifictraining arranged by the manufacturer

Members should also consider which parts of their Safety Management System mayrequire updating to incorporate the use and maintenance of the new equipment, changesregarding the supply of new charts, chart corrections and the management of the chartfolios, and any additional training requirements

1.3 Chức năng của hải đồ điện tử ECDIS

Hải đồ điện tử là thiết bị tăng cường cho an toàn hàng hải, hỗ trợ quyết định hànhđộng dẫn tàu an toàn, giúp việc thực hiện công việc hàng hải thường xuyên thuận lợi hơn

so với hải đồ giấy ECDIS được coi là hợp pháp như hải đồ giấy theo qui định của

chương V điều 27 của SOLAS74 được sửa đổi bổ sung Hải đồ điện tử có các chức năngchính như sau:

1 Dữ liệu hải đồ - Chart DATA

- Dữ liệu vector chính thức: Cơ quan thủy văn phải tuân theo định dạng tiêu chuẩn

véc tơ quốc tế IHO-S57 khi lập dữ liệu Đây là một quá trình khó khăn và kéo dài nhiềunăm Một yếu tố nữa trong quá trình chuyển tiếp đó là các Cơ quan thủy văn phải chuyển

từ hải đồ giấy sang sản phẩm hải đồ số hóa

- Dữ liệu không chính thức: Khi dữ liệu véc tơ chính thức chưa phủ kín toàn cầu

nên nhiều dữ liệu hải đồ véc tơ không chính thức đang hiện hành và phủ dữ liệu trên toàncầu có xuất xứ từ các công ty riêng Hầu hết công ty này sản xuất dữ liệu bằng cách sốhóa các hải đồ giấy chính thức Tuy nhiên loại này không phải là hải đồ véc tơ chínhthức

- Độ chính xác: Hải đồ vector - ENC phải có chỉ báo về chất lượng dữ liệu, trong

đó cho phép định lượng độ chính xác của các đặc trưng quan trọng trên hải đồ trong việckết hợp xác định mức chính xác của vị trí từ thiết bị hàng hải vệ tinh để đánh giá khoảngcách an toàn từ các chướng ngại nguy hiểm, giúp nhận biết chất lượng thông tin được sửdụng Các Cơ quan thủy văn xử lý và duy trì tất cả dữ liệu cần thiết để xây dựng cơ sở dữliệu ENC

- Cập nhật hiện tại: Trách nhiệm của Cơ quan thủy văn quốc gia là thu thập và

duy trì nguồn dữ liệu chính thức nhận được từ các giám định thủy đạc

- Độ tin cậy của sản phẩm: Trách nhiệm của Cơ quan thủy văn một quốc gia là

đảm bảo rằng thông tin trong một hải đồ (hải đồ giấy hoặc điện tử) miêu tả chính xác vàphù hợp với địa hình và vị trí địa lý thực tế

2 Lập tuyến đường - Route planning

Lập tuyến đường (Route Planning) tùy thuộc công nghệ của ECDIS, có thể tiến hành theo 2 phương pháp: Phương pháp truyền thống (dữ liệu như hải đố giấy và ấn phẩm hàng hải); Phương pháp dựa trên công nghệ ECDIS (dựa vào máy tính với các công cụ đồhọa, soạn thảo và cơ sở dữ liệu của ENC) Quy trình đơn giản như sau:

Hình 1.3: Lập tuyến trên hải đồ điện tử ECDIS

1 Thực hiện lập tuyến đường từ điểm A tới B;

2 Điều chỉnh tuyến đường như : Thực hiện các thao tác đối với điểm chuyển hướng

WPT trên tuyến bao gồm : thêm điểm (adding waypoint), xóa điểm (deleting

waypoints from a route), thay đổi vị trí (changing the position of a WPT), thay đổi thứ tự các điểm chuyển hướng (changing the order of the WPT)

- Thay đổi tuyến đường ;

- Cảnh báo đường đẳng sâu an toàn của tàu;

- Cảnh báo khu vực nguy hiểm;

- Xác định và báo động độ dạt

3 Giám sát an toàn tuyến đường - Route monitoring

Giám sát tuyến đường là một chức năng của ECDIS, trong đó thông tin vị trí hiện tại của tàu trên hải đồ được chỉ báo dưới sự kiểm soát của định vị vệ tinh

- Giám sát an toàn: tuyến được chọn và vị trí tàu phải xuất hiện trên vùng biển hàng hải;

- ECDIS đồng thời phải có khả năng hiển thị các vùng biển ngoài vị trí tàu để thực hiện chức năng cảnh giới và lập đường đi trong khi giám sát an toàn;

- Chức năng giám sát phải được thực hiện tự động và liên tục;

- Chỉ báo giám sát tức thời vùng quanh vị trí hiện tại của tàu cần thực hiện được nhanh chóng và đơn giản.

4 Hỗ trợ tránh chướng ngại vật - Objects avoidance

- Vùng có điều kiện đặc biệt, chướng ngại vật nguy hiểm: ECDIS sẽ phân biệt

và đưa ra báo động hoặc chỉ báo.

- ECDIS cho phép nhập tọa độ địa lý, biểu tượng của bất kỳ vị trí nào và chỉ báo vị trí đó theo yêu cầu Đồng thời phải có khả năng chọn điểm bất kỳ trong màn hình hiển thị và đọc được tọa độ địa lý của nó.

5 Dẫn tàu an toàn - Safety navigation

Hải đồ điện tử cung cấp cho người đi biển một bộ dữ liệu về điều kiện hàng hải với định dạng dễ hiểu hỗ trợ dẫn tàu an toàn, hiệu quả:

- Vị trí và vết tàu;

- Cập nhật thông tin cần thiết tự động hoặc thủ công;

- Vị trí dự đoán trong tiếp theo;

- Báo động CPA/TCPA;

- Kết quả điều động thử, …

6 Tu chỉnh hải đồ - Chart Update/corrections

- Phương pháp thay thế: Toàn bộ thông tin cũ bỏ đi và cập nhật thông tin mới vào may Yêu cầu phải thay thế toàn bộ tập file thông tin của hải đồ hoặc chỉ phần cần cậpnhật rieng biệt

- Cập nhật bổ sung; Tương tự như trên hải đồ giấy truyền thống Trên hải đồ gốc,

thông tin cập nhật được viết đè lên thông tin cũ.

- Cập nhật hàng tuần với hảo đồ điện tử của Anh: Cơ quan thủy văn Anh phát hànhcác thông báo cập nhật hàng tuần trên đĩa CD-ROM

- Cập nhật từ xa: Cơ quan thủy văn Anh cung cấp thông tin cập nhật hải đồ hàng hảiđiện tử ENC mới nhất liên tục trên các trang Web và E-mail

7 Tài liệu báo cáo - Documentations/reporting :

- Ghi chép dữ liệu và các sự kiện để thống kê và cho các mục đích liên quan tới pháp lý;

- Lập báo cáo chuyến hành trình.

- Lập báo cáo chuyến hành trình.

1.3 Đánh giá mức dộ tin cậy khi sử dụng hệ thống ECDIS

- Hải đồ điện tử ECDIS chỉ là một trong các thiết bị trợ giúp hàng hải: Trực

canh hàng hải không chỉ dựa vào duy nhất một hệ thống Người đi biển phải có khả năng đánh giá tính toàn vẹn của hệ thống ECDIS và mọi dữ liệu tại mọi thời điểm, đồng thời sử dụng các thiết bị trợ giúp khác để xác định thiết bị phù hợp đúng nơi, đúng lúc cần thiết đồng thời phải có khả năng hiển thị các vùng biển ngoài vị trí tàu để thực hiện chức năng cảnh giới và lập đường đi trong khi giám sát an toàn;

- Chức năng hoạt động không phù hợp: Rủi ro do chức năng hoạt động không

phù hợp của hệ thống, sự không chính xác của dữ liệu là tồn tại cố hữu trong hệ thống ECDIS chỉ là công cụ trợ giúp trong việc thực hiện các nhiệm vụ hàng hải Khi sử dụng ECDIS phải hiểu rõ các chức năng và làm chủ các sai số.

- Độ chính xác của dữ liệu thủy văn: Dữ liệu chỉ báo trên màn hình không tin cậy hơn

so với căn cứ dữ liệu đã giám định Dữ liệu cảm biến được chỉ báo không tin cậy hơn sovới lần lượt các hệ thống cảm biến đưa vào Các sai số và sự thiếu chính xác trong một hệthống con có thể ảnh hưởng tới hoạt động của các hệ thống con khác truyền tới làm choECDIS mất đi tính hữu dụng

- Rủi ro kỹ thuật hưởng hoạt động chung: Mất tín hiệu kết nối từ thiết bị định vị

là một trong các rủi ro nguy hiểm đối với an toàn hàng hải Để giảm rủi ro này, ECDIS phải có khả năng kết nối với 2 hệ thống định vị để chuyển đổi khi sự cố xảy ra Sai số vị trí tàu trên chỉ báo phải được kiểm tra thường xuyên, hiệu chỉnh khi cần thiết Sai số la bàn phải được khai báo trong ECDIS, khi tàu chập tiêu gần

bờ phải dùng phương pháp phù hợp để xác định rõ sai số này Tín hiệu đo sâu kết nối vào ECDIS phải thường xuyên được kiểm tra đặc biệt khi tàu chạy trong khu vực gần bờ để đảm bảo rằng chức năng báo động “Avoiding ground” hoạt động phù hợp và chính xác.

- Yếu tố con người: Để đảm bảo an toàn hàng hải, cần phải duy trì trực canh, quan sát cảnh giới thoả đáng để thực hiện kiểm tra vị trí tàu đều đặn bằng các phương pháp độc lập với ECDIS Tàu trang bị hoặc không - hệ thống ECDIS, mọi hành động hàng hải phải tuân theo các nguyên tắc cơ bản và hướng dẫn cho các hoạt động Hàng hải đối với các sỹ quan trong một ca trực canh.

2 HÀNG HẢI TRONG VÙNG CỰC

2.1 Khái niệm chung về băng biển

Băng là trạng thái rắn của nước khi nhiệt độ khối nước bị hạ thấp xuống dưới mựchoá băng Băng có thể có màu sắc khác nhau từ trắng đến trắng xanh hoặc trắng xám, tùythuộc vào mức độ tạp chất trong băng cũng như sự có mặt của không khí giữa các tinhthể băng

Băng là yếu tố cần đặc biệt quan tâm trong hàng hải vì sự xuất hiện của băng làmhạn chế khu vực hàng hải hoặc đặt ra yêu cầu thay đổi hành trình một cách phù hợp.Băng có thể làm thay đổi hình dạng mục tiêu bờ, gây khó khăn cho việc lắp đặt và bảoquản các thiết bị trợ giúp hàng hải Băng biển làm thay đổi các đặc tính tuyến sóng vôtuyến, vì vậy gây ảnh hưởng tới hoạt động của các thiết bị vô tuyến trên tàu Đối với côngtác hàng hải thiên văn, băng làm thay đổi đặc tính khúc xạ của ánh sáng, làm thay đổi độcao đo của thiên thể

Băng cũng có thể hình thành ngay trên tàu, gây hư hỏng cho các trang thiết bị, máymóc trên tàu Nguy hiểm hơn, băng đóng trên tàu có thể gây tăng trọng lượng các cấutrúc thượng tầng, từ đó dẫn tới mất cân bằng hoặc mất ổn định tàu

Nếu không được phát hiện kịp thời, va chạm với băng có thể gây hậu quả đặc biệtnghiêm trọng đối với con người, con tàu và hàng hoá trên tàu hoặc ô nhiễm môi trường.Nếu hình thành từ nước ngọt, tỷ trọng của băng (tại nhiệt độ đóng băng) là0.917g/cm3 Trong giai đoạn mới hình thành từ nước biển, do sự tồn tại của muối, tỷtrọng băng tăng lên với giá trị trung bình được thừa nhận là 0.925g/cm3 Khi loại bỏ hếtmuối trong băng, tỷ trọng băng giảm xuống mức nhỏ hơn tỷ trọng băng hình thành từnước ngọt do có nhiều không khí, giữa các tinh thể băng Tỷ lệ thể tích không khí trongbăng có thể đạt tới 8% (mức tối đa với băng hình thành trên biển) và vì vậy tỷ trọng băng

ở mức 0.845g/cm3

Băng hình thành trên lục địa có nguồn gốc là nước ngọt nên tỷ trọng băng cũng vàokhoảng 0.917g/cm3 Tuy nhiên, nếu là băng hình thành từ tuyết, do có không khí chènvào giữa các lớp tuyết khác nhau nên tỷ trọng băng giảm đi Chẳng hạn, tỉ trọng đo đượccủa tảng băng tại khu vực Grand Banks (New Foundland) là 0.899g/cm3

Như vậy, tỉ trọng băng nhỏ hơn tỉ trọng nước biển và băng có thể trôi tới các vùngnước xa địa cực hơn

Trong quá trình trôi biên biển, một phần của khối băng nổi lên trên mặt nước và mộtphần chìm xuống dưới mặt nước Tương quan giữa thể tích phần chìm và thể tích phầnnổi của băng có thể được xác định thông qua tỷ trọng của băng và tỉ trọng nước biển.Giả sử, tỉ trọng nước biển là 1.028g/cm3 (nước biển với nồng độ muối 350/00, tạinhiệt độ - 10C), tỉ trọng băng là 0.920g/cm3, khi đó, thể tích phần chìm của băng sẽ là:

% ,

.

.

5 89 895 0 028

Phân loại và đặc điểm của băng

Băng gặp trên biển có thể được chia làm 2 loại chính đó là: băng hình thành trên lụcđịa và băng hình thành trên biển (băng biển)

2.2.1 Băng lục địa

Băng lục địa hình thành do sự đóng băng của nước ngọt hoặc do tuyết rơi (cả lớptuyết nén chặt lại tạo thành băng dưới ảnh hưởng của trọng lượng bản thân lớp tuyết).Nếu hình thành trên địa hình dốc, băng lục địa sẽ trôi dần xuống khu vực độ cao thấp hơn

do ảnh hưởng của trọng lực tạo thành "sông băng" Tốc độ di chuyển tùy thuộc vào địahình, có thể đạt tới trên 30m/ngày nhưng thường nhỏ hơn rất nhiều Trong trường hợptrôi ra tới biển, do tác dụng của lực nổi Khối băng (hay sông băng) vỡ ra dần thành cácmảnh tạo thành các khối băng (Ice berg) khổng lồ Các khối băng này có thể cód ạng đỉnhnhọn hoặc đỉnh băng bằng phẳng và được gọi tên tương ứng như trong hình (hình vẽ).Các khối băng này tan dần hoặc vỡ ra tạo thành các tảng băng nhỏ hơn, trong đó cầnchú ý tới 2 loại như sau:

- Khối băng trung bình (bergy bit): độ cao từ 1 - 5m trên mực nước biển, kích thướctheo phương ngang khoảng 100-300m2

- Khối băng nhỏ (growler - băng kêu): độ cao dưới 1m trên mực nước biển, kíchthước theo phương ngang khoảng 20m2 Băng này được gọi là băng kêu do không khí với

bị giữ lại trong băng trong quá trình hình thành có thể thoát ra ngoài tạo thành tiếng kêu.Đối với các khối băng, cần lưu ý rằng hình dạng phần chìm khối băng có thể khácvới hình dạng phần nổi

Hình 2.1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến băng biển

Khi khối băng ở trong vùng nước ấm, phần chìm của băng tan nhanh nên kíchthước giảm đi nhanh hơn so với phần nổi Do vậy, băng có thể mất ổn định và bị "đổ".Ngược lại, do tác động của sóng, gió, mặt trời, phần nổi của băng có thể bị chảyhoặc vỡ ra, dẫn đến kích thước nhỏ hơn phần đáy Trong trường hợp này, tàu thuyền khi

ở gần có thể bị va vào phầm chìm của băng

2.2.2 Băng biển (Sea Ice)

Băng biển hình thành do sự đóng băng trên bề mặt biển Băng biển thường đượcphân loại dựa vào tuổi băng vì tuổi băng là nhân tố quan trọng, ảnh hưởng tới các tínhchất vật lý của băng Thực tế, độ bền (độ cứng) của băng phụ thuộc vào lượng muối tồntại trong băng Lượng muối trong băng lại giảm dần theo tuổi băng (đặc biệt vào mùa hạ

và mùa thu) Vì vậy, băng giá thường có độ bền lớn hơn băng non

Theo tuổi, băng biển được chia thành các loại như sau:

- Băng muối hình thành (New Ice): là thuật ngữ chung để chỉ các giai đoạn pháttriển đầu tiên từ nước biển ở trạng thái lỏng, bao gồm các giai đoạn sau:

+ Băng Frazil (Frazil Ice)

+ Băng dầu (Grcase Ice)

+ Băng bùn (Slush Ice)

Băng năm thứ nhất (First year Ice) là trạng thái băng phát triển từ băng non, vớithời gian phát triển không quá 1 năm Băng năm đầu có thể chia nhỏ thành:

+ Băng mỏng: độ dày 30 - 70cm, màu trắng

+ Băng trung bình: độ dày 70 - 120cm

+ Băng dày: độ dày trên 120cm và có thể lên tới trên 200cm

- Băng năm thứ 2: Là băng đã phát triển qua 2 năm (2 mùa đông) So với băng nămđầu, băng năm thứ 2 dày và có tỉ trọng nhỏ hơn, vì vậy, băng nhô lên khỏi mặt biển caohơn Độ dày băng vào khoảng 2 - 3m và có màu hơi xanh Bề mặt băng có các vùng đềuđặn

- Băng nhiều năm: Là băng đã trải qua quá trình phát triển /tan qua nhiều hơn 2năm Lúc này băng hầu như không chứa muối và mang màu xanh da trời Bề mặt băngkhông đều đặn và hình thành các rãnh rõ rệt Độ dày băng thường lớn hơn 3m

Ngoài ra, băng biển cũng có thể được phân loại theo hình dạng Theo đó, có các loạibăng biển là:

- Băng đống vụn (Brash ice)

- Mảng băng gắn liền bờ (fast ice)

- Băng mảng vụn (floe) gồm các mảnh băng liền kề, kích thước từ 20m tới trên10km.

- Băng bánh kép (pan cake ice)

- Băng bè (raft ice)

- Băng luống (ridge ice)

2.3 Sự hình thành và phát triển của băng

Hầu hết vật chất thông thường trên trái đất có đặc tính là mật độ tăng lên khi nhiệt

độ giảm Tuy nhiên, nước là một trường hợp đặc biệt, trái quy luật

Khi nhiệt độ của nước giảm xuống, ban đầu, mật độ phân tử nước tăng lên Tuyvậy, sự tăng mật độ này dừng lại khi nhiệt độ giảm xuống tới 40C (40F) Tại đây, mật độnước đạt giá trị lớn nhất Nếu tiếp tục giảm nhiệt độ, mật độ phân tử nước lại giảm đi.Quá trình hình thành mạng lưới tinh thể bắt đầu xảy ra khi nhiệt độ giảm xuốngdưới 40C khi các liên kết hydro (liên kết các phân tử nước cạnh nhau) dịch chuyển vị trí

để giữ cho các phân tử Oxy (điện tích âm) tách xa nhau Quá trình này hoàn thiện khinhiệt độ trên tới 00C và khi đó nước chuyển thành trạng thái băng

Trong trường hợp trong nước có chứa muối, nhiệt độ mà tại đó mật độ phân tử đạtgiá trị lớn nhất sẽ giảm đi Nhiệt độ đóng băng cũng giảm theo nhưng mức độ giảm nhỏhơn Mối liên hệ giữa nồng độ muối với nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ mà tại đó nồng

độ phân tử đạt cực đại được thể hiện trong hình (hình vẽ)

Ta thấy, 2đường đồ thị giao nhau tại vị trí ứng với nhiệt độ - 130C và nồng độ muối

là 24.70/00 Khi nồng độ muối trong nước cao hơn 24.70/00, nhiệt độ đóng băng và nhiệt độứng khi nước biển chưa chuyển sang trạng thái băng thì nồng độ phân tử sẽ tăng lên khinhiệt độ giảm

Nhìn chung, khi nồng độ muối tăng 50/00, nhiệt độ đóng băng giảm khoảng 280C Ởcác vùng cực, nồng độ muối trung bình của nước biển vào khoảng 350/00, nhiệt độ đóngbăng sẽ là -180C (28.8F)

Vì mật độ phân tử của nước biển trên bề mặt (hoặc tỷ trọng) tăng lên khi nhiệt độgiảm, nước trên bề mặt nặng hơn sẽ chìm xuống phía dưới, đồng thời nước biển phíadưới ấm và nhẹ hơn sẽ trồi lên chiếm chỗ Quá trình này được gọi là đối lưu do tỷ trọng.Như vậy, nếu nồng độ muối không thay đổi theo độ sâu thì để xảy ra hiện tượng đóngbăng ở vùng cực, cả cột nước từ đáy biển tới bề mặt sẽ cần phải giảm nhiệt độ xuốngdưới nhiệt độ đóng băng và sẽ hình thành một cột băng

Tuy nhiên, thực tế có sự thay đổi nồng độ muối trong nước biển theo độ sâu, nướcbiển trên bề mặt có nồng độ muối thấp nằm ở phía trên lớp nước biển có nồng độ muốicao hơn ở bên dưới Khi nhiệt độ tiếp tục giảm xuống dưới nhiệt độ đóng băng thì lớpnước trên bề mặt sẽ đóng băng trong khi lớp nước ở bên dưới vẫn có nhiệt độ cao hơnmức đóng băng và vì vậy vẫn tồn tại ở dạng lỏng

Ở mực nước nông, nhiệt độ thấp có thể dược truyền xuống tới tận đáy biển và vìvậy, tinh thể băng có thể hình thành tại bất kỳ vị trí nào Do có tỉ trọng nhỏ, các tinh thểnày có xu hướng trồi lên bề mặt.

Cần lưu ý thêm rằng muối không gắn với tinh thể băng, vì vậy trong quá trình pháttriển của tinh thể băng, muối bị đẩy trở lại nước biển và các tinh thể băng khi nổi lên trên

bề mặt hầu như chỉ chứa nước tinh khiết Tại bề mặt các tinh thể này kết hợp lại với nhau,hình thành các dạng băng biển khác nhau tùy thuộc vào điều kiện môi trường thực tế Khikết hợp với nhau, các tinh thể băng lưu giữ muối lại ở giữa các tinh thể Trung bình, băngmới hình thành với chiều dày 15cm, chứa muối với nồng độ 5-100/00 Khi nhiệt độ thấphơn, quá trình đóng băng xảy ra nhanh hơn và theo đó lượng muối bị giữ lại trong băngnhiều hơn Muối này có thể tồn tại ở trạng thái lỏng hoặc kết đông Trong quá trình tồntại và tan 1 phần của băng mỗi khi nhiệt độ cao (mùa hè), muối do có tỉ trọng cao hơn,lắng dần xuống phía đáy băng và có thể thoát ra ngoài

Vì vậy, đối với băng có tuổi cao thì nồng độ muối giảm, do đó tỉ trọng của bănggiảm như trình bày trong phần 2.5.1)

Sự phát triển của băng biển phụ thuộc vào nhiều yếu tố khí tượng thủy văn khácnhau, bao gồm nhiệt độ không khí, tình trạng tuyết rơi, tốc độ gió, độ mặn nước biểncũng như chiều dày của lớp băng biển ban đầu Tuy nhiên, các thực nghiệm đã chứngminh được rằng có thể dự đoán tương đối chính xác mức độ phát triển của băng chỉ dựatrên nhiệt độ không khí

Dựa trên các số liệu quan trắc tại bắc cực, công thức được sử dụng tính độ dày băng

là (Zabov)



8 50

h: độ dày băng biển, tính bằng cm

: đại lượng đặc trưng cho số ngày mà nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ cơ sở 10C, đượctính theo đơn vị [độ x ngày] Với nhiệt độ cơ sở thường được dùng là 00C Chẳng hạn,nếu nhiệt độ trung bình mỗi ngày là -20 trong 3 ngày liên tiếp thì:

= 2 x 3 = 6 [

 = 2 x 3 = 6 [ 0C x ngày]

Các quan trắc của cơ quan theo dõi băng và hải dương của hải quân Hoa Kỳ chomối liên hệ giữa  và độ dày băng như trong hình (hình vẽ)

2.4 Sự hình thành băng trên tàu.

Quá trình hình thành băng trên tàu là quá trình phức tạp, phụ thuộc vào điều kiệnthời tiết, trạng thái xếp hàng, dao động của tàu cũng như vị trí và kích thước của các cấutrúc trên tàu

Các nguyên nhân chính của việc hình thành băng trên tàu bao gồm:

- Bụi nước: Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 00C, bụi nước là nguyên nhân hình thànhbăng chủ yếu Bụi nước xuất hiện từ các đỉnh sóng vỡ hoặc các hạt nước bị vỡ do tácđộng của tàu và được gió thổi tới các cấu trúc thượng tầng trên tàu Trong quá trình đó,

bụi nước lạnh dần với tốc độ lạnh đi phụ thuộc vào thời gian tồn tại trong không khí, kíchthước hạt nước, nhiệt độ không khí Bụi nước chủ yếu tác động tới các cột, cần cẩu, máymóc và cấu trúc thượng tầng trên tàu và đóng băng trên các cấu trúc này khi gặp nhiệt độthấp.

- Nước tràn lên boong: Hiện tượng nước tràn lên boong xảy ra khi gặp sóng cao.Thông thường, nước chảy qua bề mặt boong không có đủ thời gian để kết băng kể cả khinhiệt độ thấp Thậm chí, nước biển còn có tác dụng làm tan băng đang tồn tại trên mặtboong Tuy nhiên, khi nước này bị đọng lại trên boong, gặp nhiệt độ thấp sẽ hình thànhbăng

- Mưa hoặc sương mù lạnh: Băng hình thành do nguyên nhân này thường ít quantrọng vì khối lượng băng nhỏ Tuy nhiên, việc hình thành băng có thể gây trơn trượt chocác cầu thang và lối đi trên tàu

- Tuyết rơi trên tàu: Trong trường hợp tuyết là khô, hạt tuyết sẽ bị thổi khỏi tàu Nếutuyết ướt hoặc bị ướt do gặp bụi nước, tuyết có thể đọng lại trên tàu và đóng băng, gây raviệc tăng trọng lượng băng đáng kể

Hình dạng băng đóng trên tàu phụ thuộc vào hình dạng của cấu trúc mà ở đó xảy rahiện tượng đóng băng, kích thước hạt nước và tốc độ gió

Khi tốc độ gió nhỏ và kích thước hạt nước nhỏ, hạt nước sẽ đóng băng khi đóng lạitrên cấu trúc tàu, trước khi hạt nước tiếp đón gió như hình (hình vẽ)

Với kích thước hạt nước và tốc độ gió lớn hơn, hạt nước không đóng băng ngay lậptức mà di chuyển dần về phía dưới gió, đồng thời bị chảy xuống dưới tạo nên hình dạngnhư hình (hình vẽ)

Khi kích thước hạt nước tiếp tục tăng, lượng nước bị thổi về phía dưới gió và chảyxuống thấp trước khi bị đóng băng tăng lên Vì vậy, băng có hình dạng như trong hình(hình vẽ)

Như vậy, quá trình hình thành băng chịu ảnh hưởng nhiều của đặc tính kết cấu tàu

và hướng tương đối của tàu so với sóng, gió

Thông thường, dễ xảy ra hiện tượng đóng băng trên tàu khi nhiệt độ giảm xuốngdưới -220C và tốc độ gió đạt trên 17kts

Ở vùng nước ngọt, hiện tượng đóng băng xảy ra ngay khi nhiệt độ hạ xuống 00C vàbăng cũng tích tụ nhanh hơn so với tại vùng nước mặn

Sự phụ thuộc của mức độ đóng băng vào tốc độ gió (khi gặp nhiệt độ phù hợp) cóthể tóm tắt như sau:

- Gió cấp 5: Đóng băng nhẹ

- Gió cấp 7: Đóng băng trung bình

- Gió cấp 8 trở lên: Đóng băng nghiêm trọng

Trong các điều kiện này, sự đóng băng xảy ra mạnh nhất khi tàu chạy ngược sóng,gió Nếu tàu chạy ngang gió, mạn trên gió đóng băng nhanh hơn, có thể gây nghiêng tàu

Vì vậy, để giảm tác động của hiện tượng đóng băng trên các cấu trúc thượng cần, có

2.5 Sự dịch chuyển của băng.

2.5.1 Sự di chuyển của băng biển.

Nhân tố chính quyết định sự di chuyển của băng biển là gió trên bề mặt Tuy nhiên,

do ảnh hưởng của lực Coriollis, hướng di chuyển của băng biển không trùng với hướnggió mà lệch đi 1 góc từ 180 tới gần 900 Lực này làm băng lệch về phía tay phải so vớihướng gió (ở BBC) và lệch về phía trái ở NBC Khi gió nhẹ, độ lệch này lớn hơn so vớigió mạnh như được thể hiện trong hình (hình vẽ) Ở các vĩ độ cao hơn, độ lệch này lớnhơn

Tốc độ dịch chuyển phụ thuộc vào mật độ băng và độ nhám bề mặt và thường nằmtrong giới hạn từ 0,25% tới 8% tốc độ gió ở độ cao 6m trên mặt băng Băng có mật độthấp và bề mặt gồ ghề di chuyển nhanh hơn băng có mật độ cao, bề mặt nhẵn

Ta biết, hướng tốc độ gió phụ thuộc vào hình dạng các đường đẳng áp Như vậy từhình dạng, vị trí các đường đẳng áp, ta cũng có thể dự đoán được sự di chuyển của băngbiển

2.5.2 Sự di chuyển của băng tảng (khối băng).

Khác với băng biển (trải đều trên bề mặt), băng biển có phần chìm dưới nước lớntrong khi diện tích hứng gió phía trên mặt nước nhỏ Vì vậy, dòng chảy gần bề mặt mới

là nguyên nhân gây nên sự di chuyển của khối băng chủ yếu Tuy nhiên, tác độ của giócũng rất quan trọng và trong nhiều trường hợp có mức độ tương đương với dòng chảy.Ngoài ra, hai yếu khác ảnh hưởng tới sự di chuyển của các khối băng là:

- Lực làm lệch Coriollis

- Lực Gradient áp suất do sự nghiêng của mực nước biển

Ảnh hưởng của gió tới sự di chuyển của băng tảng không chỉ bởi áp lực gió lênphần nổi của băng mà còn bởi sóng và dòng chảy do gió gây ra

Ngoài nguyên nhân bởi gió, dòng chảy có thể phát sinh từ nhiều yếu tố khác, tácđộng tới sự di chuyển của băng như dòng chảy do triều, dòng chảy do gradient

Nếu chỉ do gió, tốc độ di chuyển và góc lệch của băng tảng gần đúng được chotrong bảng (bảng), ứng với kích thước tảng băng nhỏ, trung bình và lớn tương ứng

2.5.3 Vùng bao phủ của băng biển.

Vùng bao phủ của băng biển ở xung quanh Bắc cực và Nam cực đương nhiên phụthuộc vào mùa trong năm tại mỗi bán cầu này như được thể hiện trong hình 2.2