Nghiên cứu độ ổn định của nước biển trong vùng biển Nam Trung Bộ : Luận văn ThS. Hải dương học: 60 44 97

Các quá trình động lực xảy ra trên biển và đại dương đều bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý như nhiệtđộ nước biển, độ muối và các yếu tố thứ sinh như mật độ và độ ổn định của nước biển …

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

………

Phạm Trí Thức

NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN TRONG

VÙNG BIỂN NAM TRUNG BỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phạm Trí Thức

NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN TRONG

VÙNG BIỂN NAM TRUNG BỘ

Chuyên ngành: Hải dương học

Mã số: 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Phạm Văn Huấn

Hà Nội - 2012

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành

và sâu sắc nhất tới PGS-TS Phạm Văn Huấn, bộ môn Hải dương học,

khoa Khí tượng, Thủy văn và Hải dương học đã định hướng và giúp đỡ

em tận tình về nhiều mặt.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn Hải

dương học và trong khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học; các

bạn học viên trong lớp; Cục Cán bộ - Bộ Quốc phòng đã chỉ dẫn và

đóng góp những lời quý báu, tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để em

hoàn thành khóa học và luận văn.

Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn, chắc không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong những ý kiến đóng góp của các thầy và

các đồng nghiệp để em hoàn thiện luận văn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2012

HỌC VIÊN

Phạm Trí Thức

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Nhiệt độ tỷ trọng cực đại và đóng băng phụ thuộc độ mặn 3 Bảng 1.2 Biến đổi nhiệt độ đoạn nhiệt khi độ sâu biến đổi………… 7 Bảng 2.1 Tính độ ổn định trạm ……(  = …;  = ….; ngày tháng

Bảng 3.1 Tọa độ của các trạm đo và độ sâu đo lớn nhất của các

trạm đo thuộc vùng biển Nam Trung Bộ……… 23 Bảng 3.2 Giá trị max và min độ ổn định của nước biển tại các trạm

Bảng 3.3 Giá trị max và min độ ổn định của nước biển tại các trạm

Bảng 3.4 Giá trị max và min độ ổn định của nước biển tại các trạm

đo trong 2 mùa (mùa đông và mùa hè) ……… 44

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc vào độ muối của nhiệt độ tỷ

trọng cực đại và nhiệt độ đóng băng ……… 4 Hình 1.2 Biến đổi của độ ổn định thẳng đứng theo độ sâu ………… 12 Hình 1.3 Sơ đồ tách các lớp có năng lượng bất ổn định ……… 15 Hình 3.1 Sơ đồ vị trí các điểm đo trong vùng biển Nam Trung Bộ 24 Hình 3.2 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước

Hình 3.14 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước

Hình 3.30 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước

Mục lục

MỞ ĐẦU ……… 1

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……… 3

1.1 Cơ sở lý thuyết về trường mật độ của nước biển ……… 3

1.2 Khái niệm nhiệt độ thế vị, mật độ thế vị, gradien mật độ của nước biển ……… 6

1.2.1 Nhiệt độ thế vị ……… 6

1.2.2 Mật độ thế vị và gradien mật độ của nước biển ……… 7

1.3 Điều kiện ổn định thẳng đứng của nước biển ……… 11

1.4 Năng lượng bất ổn định của nước biển ……… 14

Chương 2: CÔNG THỨC TÍNH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁCH TÍNH ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN …… 17

2.1 Công thức tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển ……… 17

2.2 Phương pháp nghiên cứu và cách tính độ ổn định theo phương thẳng đứng của nước biển ……… 20

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu ……… 20

2.2.2 Cách tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển ……… 20

Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN ……… 23

3.1 Khái quát và số liệu tại một số trạm đo trong vùng biển Nam Trung Bộ ……… 23

3.2 Phân tính đánh giá độ ổn định của nước biển theo phương thẳng đứng tại một số trạm đo thuộc vùng biển Nam Trung Bộ ……… 25

3.3 Ứng dụng nghiên cứu độ ổn định thẳng đứng của nước biển để đánh giá ảnh hưởng trong lĩnh vực hoạt động quân sự ……… 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 54

MỞ ĐẦU Các quá trình xảy ra trong biển và đại dương đều bị chi phối bởi các quy luật vật lý cơ bản của nước biển Các quá trình động lực xảy ra trên biển và đại dương đều bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý như nhiệt

độ nước biển, độ muối và các yếu tố thứ sinh như mật độ và độ ổn định của nước biển … Các chuyển động thẳng đứng do phân tầng mật độ đóng một vai trò hết sức quan trọng trong các quá trình hải dương học.

Cho đến nay chưa có nhiều đề tài nghiên cứu về độ ổn định thẳng đứng của nước biển do: Các nhà khoa học chủ yếu quan tâm nhiều đến động lực học biển mà ít đề cập đến lĩnh vực tĩnh học nước biển Mặt khác

do nghiên cứu độ ổn định của nước biển chưa phải là lĩnh vực chủ đạo mà chỉ là phần tính toán nhỏ trong nghiên cứu hải dương học.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về trường thủy âm, trường sóng nội và nghiên cứu độ ổn định của nước biển cũng mới bắt đầu do một số ngành đặc thù quan tâm, như trong lĩnh vực Quân sự, khai thác Thủy sản, Kinh tế …

Luận văn “nghiên cứu độ ổn định của nước biển”: nghiên cứu sự

phân bố và thay đổi độ ổn định theo chiều thẳng đứng và theo mùa (mùa đông và mùa hè) có ý nghĩa lớn trong khi nghiên cứu các khối nước Đại dương Độ ổn định đặc trưng cho khả năng và cường độ xáo trộn nước Theo phân bố của độ ổn định có thể biết được vị trí và biên giới của các lớp nước có gradien mật độ lớn - lớp nhảy vọt mật độ, giới hạn của các khối nước có nguồn gốc khác nhau, các đới hội tụ và phân kỳ dòng, độ sâu xuất hiện đối lưu và các quá trình khác.

Nội dung luận văn bao gổm 03 chương, phần kết luận và phần các bảng phụ lục:

- Chương 1: Cơ sở lý thuyết.

Trình bày cơ sở lý thuyết về trường mật độ, gradien về mật độ nước biển, khái niệm về nhiệt độ thế vị, mật độ thế vị; điều kiện ổn định thẳng đứng và năng lượng bất ổn định của nước biển.

- Chương 2: Công thức tính và phương pháp tính độ ổn định thẳng

đứng của nước biển.

Trình bày công thức tính, phương pháp nghiên cứu và cách tính độ

ổn định thẳng đứng của nước biển.

- Chương 3: Kết quả tính toán và ứng dụng nghiên cứu độ ổn định thẳng đứng của nước biển.

+ Khái quát và số liệu vùng biển Nam Trung Bộ, phân tính đánh giá độ ổn định của nước biển theo phương thẳng đứng và theo mùa tại một số trạm đo thuộc vùng biển Nam Trung Bộ.

+ Ứng dụng nghiên cứu độ ổn định thẳng đứng của nước biển để đánh giá ảnh hưởng trong lĩnh vực hoạt động quân sự.

- Kết luận: Tóm tắt nội dung và kết quả nghiên cứu, một số nhận xét.

- Phần phụ lục: Các bảng kết quả tính độ ổn định của nước biển trong

vùng biển Nam Trung Bộ.

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Cơ sở lý thuyết về trường mật độ của nước biển

Tính chất vật lý của nước cất chỉ phụ thuộc vào hai tham số: nhiệt

độ và áp suất Tính chất vật lý của nước biển, ngoài ra, còn phụ thuộc vào

độ muối là đặc điểm đặc trưng nhất của nó Một số tính chất như độ nén,

độ dãn nở nhiệt, hệ số khúc xạ biến đổi ít khi độ muối thay đổi, trong khi

đó các tính chất như mật độ, nhiệt độ đóng băng, nhiệt độ ứng với mật độ cực đại v.v phụ thuộc đáng kể vào độ muối [3].

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 (  ) cũng như nhiệt độ đóng băng (  ) biến thiên tuỳ thuộc vào giá trị độ mặn.

Tính chất biến thiên này được biểu thị bằng giá trị ở bảng 1.1 và hình 1.1 dưới đây [4]:

Bảng 1.1 Nhiệt độ tỷ trọng cực đại và đóng băng phụ thuộc độ mặn.

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 [4].

Hình 1.1 Biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc vào độ muối của

nhiệt độ tỷ trọng cực đại và nhiệt độ đóng băng.

Sự tồn tại của những hạt hòa lẫn trong nước tự nhiên làm thay đổi tính chất quang học, âm học và các tính chất khác Các quá trình truyền nhiệt, khuếch tán, ma sát xảy ra trong nước đứng yên chậm hơn hẳn trong nước chuyển động rối Vì vậy, giá trị các hệ số truyền nhiệt, khuếch tán,

độ nhớt nhận được đối với nước đứng yên trong phòng thí nghiệm, tức là đối với các quá trình phân tử, không còn đúng đối với những quá trình thực ở đại dương, mà ở đây đòi hỏi phải thay thế bằng những hệ số rối tương ứng Tuy nhiên cần chú ý rằng, nếu một số tính chất vật lý của nước biển có thể xác định với độ chính xác cao phụ thuộc vào tạp chất tồn tại trong nước biển và tính chất chuyển động, thì một số tính chất

khác chỉ có thể xác định một cách gần đúng, vì chúng thay đổi phụ thuộc vào độ biến đổi của lượng các hạt lơ lửng trong nước, vào tính chất chuyển động, mà đến nay chưa thể xác định đủ chính xác.

Không phải tất cả các tính chất vật lý của nước biển đều có ý nghĩa như nhau đối với việc nghiên cứu những quá trình xảy ra trong Đại dương Thế giới Những tính chất quan trọng nhất là mật độ, nhiệt dung, nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ ứng với mật độ cực đại Các tính chất khác như nhiệt độ sôi, độ nhớt phân tử, độ truyền nhiệt và khuyếch tán phân tử ít có

ý nghĩa hơn [3].

Mật độ nước biển và những đại lượng liên quan như trọng lượng riêng, thể tích riêng là những tham số vật lý quan trọng dùng nhiều trong các tính toán hải dương học Sự phân bố mật độ trong biển quyết định hoàn lưu theo phương ngang và theo phương thẳng đứng; sự trao đổi vật chất và năng lượng trong nó; nghiên cứu trường thủy âm, trường sóng nội; nghiên cứu độ ổn định của nước biển…

Xuất phát từ cơ sở dữ liệu về các yếu tố nhiệt độ, độ muối nước biển

sẽ tính toán những đặc trưng thứ sinh quan trọng của nước biển là mật độ nước, độ ổn định thẳng đứng của nước biển [3].

Dưới đây tóm tắt các định nghĩa về mật độ, trọng lượng riêng của nước biển chấp nhận trong các sách giáo khoa và chuyên khảo về hải dương học vật lý và quy ước dùng trong luận văn này.

310 1

Về trị số, mật độ nước biển được xác định theo trọng lượng riêng

của nước biển tại nhiệt độ 17,5  C là S

5 , 17

5 , 17

hoặc tại nhiệt độ 0  C là S

4 0

Trọng lượng riêng S

5 , 17

5 , 17

là tỷ số của trọng lượng một đơn vị thể tích nước biển tại nhiệt độ 17,5  C so với trọng lượng một đơn vị thể tích

nước cất cùng nhiệt độ đó Trọng lượng riêng S

4

0

là tỷ số của trọng lượng một đơn vị thể tích nước biển tại 0  C so với trọng lượng một đơn vị thể tích nước cất tại 4  C.

Trong thực hành sử dụng các đại lượng trọng lượng riêng quy ước xác định theo những biểu thức sau:

, 10 1 5 , 17

5 ,

5 ,

Nhiệt độ thế vị là nhiệt độ của hệ có thể thu được trong khi chuyển

áp suất thực tế (p) sang áp suất khí quyển (pa) bằng đoạn nhiệt.

         p   

a p

dp S p G S

p T S a p T

(1.3)

Các tính toán cho thấy rằng biến đổi từ áp suất p sang áp suất khí quyển (pa) tương đương chuyển từ độ sâu z (nơi có áp suất p) lên độ sâu

0, vì vậy nếu biết được chênh lệch nhiệt độ có thể tính được θ:

z o

T z

a T

a p

độ thì nhiệt độ thế vị phải khác nhau.

Nhiệt độ của nước biển đo được tại chỗ được gọi là nhiệt độ in situ, nhiệt độ này sẽ là tổng của nhiệt độ thế vị và biến đổi nhiệt độ do độ sâu (áp suất).

T =    T

Ví dụ: Nếu nhiệt độ in situ tại đáy H = 8 km là 4°C, loại nước này

sẽ có nhiệt độ 1,653°C tại 4 km và 1,015 °C tại độ sâu 2 km.

1.2.2 Mật độ thế vị và gradien mật độ của nước biển

Mật độ ứng với nhiệt độ thế vị được gọi là mật độ thế vị.

(1.5)

(1.6)

(1.7)

 , ,  ( , , ) ( , , )

,

S p dp

p S

p S

S

p

p a

dT T

dS S

T d

T dp

dS S dp

d

nt S nt T

cos cos

là gradien mật độ áp lực in situ.

Xét biến thiên của thể tích riêng, thể tích đối với mật độ bằng 1, ta

có thể viết:

) 1 (

0 , , ,

0 , , ,

p T S p



thì:

p p

Khi áp suất bằng 0 (p = 0) thì kp= α Như vậy:







0 , , 0

, ,

T S T

0 , ,

T S

T S

T

p k

S

p c

dp

dT T p

trong đó G là gradien nhiệt độ đoạn nhiệt.

Gradien nhiệt độ toàn phần được thể hiện như sau:

p T S

G G dp

d dp

dT

, ,

A T

S A p

T S

,

Một cách tổng quát có thể viết như sau:

, ,

0 , , ,

(1.23)

(1.24)

(1.25)

(1.26)

Mật độ thế vị và građien mật độ đoạn nhiệt thường hay được dùng nhất khi xác định độ ổn định thẳng đứng của nước đại dương [8].

1.3 Điều kiện ổn định thẳng đứng của nước biển [6]

Nước biển và đại dương nhìn chung được phân bố tương đối ổn định theo phương thẳng đứng, nghĩa là lớp nước có mật độ thấp hơn được nằm trên lớp nước có mật độ cao Trong thực tế, do các tác động khác nhau, thường xẩy ra hiện tượng lớp nước có mật độ thấp hơn lại nằm dưới Tuy nhiên do quy luật vật lý thể hiện qua định luật về độ nổi Ascimed sẽ xẩy ra hiện tượng đi lên của loại nước nhẹ và đồng thời nước nặng hơn sẽ đi xuống.

Chỉ tiêu xác định mức độ ổn định và nhân tố quyết định cho cường

độ chuyển động thẳng đứng chính là tương quan giữa mật độ nước chuyển dịch theo độ sâu và mật độ nước bao quanh Mật độ của nước dịch chuyển sẽ biến đổi theo quy luật đoạn nhiệt.

z dz

d z

z z

d z

z dz

d dz

d g g

Nếu gradien đoạn nhiệt lớn hơn gradien môi trường thì khi Δz > 0 mật độ nước dịch chuyển sẽ lớn hơn mật độ môi trường sẽ chìm xuống, còn khi

Δz < 0 mật độ sẽ nhỏ hơn mật độ môi trường và tiếp tục đi lên, ta có thể nói nước phân tầng không ổn định Khi gradien đoạn nhiệt nhỏ hơn gradien môi trường thì nước dịch chuyển sẽ có xu thế quay về vị trí ban đầu vì khi Δz > 0, mật độ nhỏ hơn mật độ môi trường bắt buộc nước đi lên, còn khi Δz < 0 thì mật độ lại lớn hơn mật độ môi trường làm nước chìm trở lại Ta nói trường hợp này có sự phân tầng ổn định.

Hình 1.2 Biến đổi của độ ổn định thẳng đứng theo độ sâu

Khi phân tầng ổn định, thể tích nước bị đưa khỏi vị trí ban đầu và

có thể vượt qua vị trí đó khi quay trở lại do quán tính, từ đó làm xuất hiện các dao dộng quán tính Để xác định tần số dao động đó có thể sử dụng công thức (1.29) chia cho một đơn vị khoảng cách và lấy dấu ngược lại.

d dz

d g

Trên hình 1.2 cho ta kết quả tính toán phân bố của tần số này theo

độ sâu đặc trưng cho các đại dương Theo phân bố đó thì độ ổn định tăng lên từ mặt đến độ sâu nêm nhiệt mùa (thermocline) nơi nó đạt cực đại, sau đó độ ổn định giảm dần và trong lớp từ 0,5 km đến 5 km, tần số N giảm tuyến tính theo độ sâu.

Trong thực tế nhiều khi do việc sử dụng mật độ gặp khó khăn vì cần tính toán, người ta sử dụng trực tiếp các yếu tố như nhiệt độ T, độ muối S và áp suất p Từ kết quả đã dẫn ra tại các phần trên, ta có:

dT T dz

d

a a

dS S dz

dT T dz

dT dz

dT T

g N

Để đánh giá ảnh hưởng tương đối của građien nhiệt độ và độ muối tới độ ổn định của nước biển, chỉ cần theo phương trình trạng thái xác định sự phụ thuộc của mật độ nước vào nhiệt độ và độ muối, các đạo hàm

(1.31)

(1.32)

(1.33)

của mật độ theo nhiệt độ và độ muối có mặt trong công thức (1.33) dưới dạng những nhân tử đứng trước các gradien tương ứng Nhân tử đứng trước gradien độ muối lớn hơn nhân tử đứng trước gradien nhiệt độ gần một bậc Do đó, mặc dù gradien độ muối nhỏ, nó có ảnh hưởng lớn tới phân tầng mật độ của đại dương Vì vậy, ở những vùng Đại dương Thế giới nơi có dòng nước sông, sự tan băng và giáng thủy làm ngọt hóa lớp nước mặt, thì phân tầng mật độ sẽ rất ổn định và thực tế khó có thể chuyển sang trạng thái bất ổn định chỉ do biến đổi của nhiệt độ Ví dụ, vào mùa hè của năm do tan băng làm ngọt hóa ở các biển Bắc Băng Dương mà gradien độ muối đạt tới trị số khoảng 0,5 %o trên 1 m Để khắc phục độ ổn định cao như vậy do độ muối chi phối, cần có gradien nhiệt độ không dưới 5oC trên 1 m, điều mà thực tế không bao giờ chúng

1.4 Năng lượng bất ổn định của nước biển [6]

Chỉ tiêu ổn định N mang tính đặc trưng cục bộ cho từng độ sâu, vì vậy nhiều khi gây bất tiện cho việc đánh giá cường độ xáo trộn phụ thuộc vào phân bố mật độ trong toàn bộ các lớp nước Một trong những chỉ tiêu phục vụ mục đích này là năng lượng bất ổn định của nước biển Năng lượng bất ổn định được xác định như công mà lực Ascimed có thể thực hiện trong quá trình dịch chuyển theo phương thẳng đứng của một đơn vị khối lượng nước.

Dưới sự tác động của lực nổi, các chuyển động của nước trong điều kiện phân tầng bất ổn định sẽ nhận thêm gia tốc mà không cần mất năng lượng Trong trường hợp đó năng lượng bất ổn định có giá trị dương Nếu nước biển phân tầng ổn định thì lực nổi thường xuyên có hướng ngược lại với hướng chuyển động thẳng đứng của nước Để bảo toàn chuyển động cần phải mất một công để chống lại lực đó Trong điều kiện này thì năng lượng bất ổn định có giá trị âm.

Trong điều kiện phân tầng phiếm định, năng lượng bất ổn định bằng 0 Đối với chuyển động thẳng đứng không ma sát, ta có thể thu được biểu thức năng lượng bất ổn định từ công thức (1.29) bằng cách nhân với khối lượng M chứa trong thể tích nước đã chọn và quãng đường dz Sau khi đơn giản hoá ta có:

dz Mg

Trên cơ sở số liệu về năng lượng bất ổn định ta có thể xác định được vận tốc cực đại mà thể tích nước dịch chuyển được theo độ sâu khi không có ma sát.

dw M dz dt

dw M

E

trong đó w0 là vận tốc thẳng đứng bắt đầu tại điểm xuất phát.

Như vậy, vận tốc dịch chuyển thẳng đứng của một thể tích cơ bản

tỷ lệ với căn của 2 lần năng lượng bất ổn định chia cho khối lượng của thể tích nước đó.

(1.35)

(1.36)

(1.37)

Chương 2: CÔNG THỨC TÍNH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁCH TÍNH ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN

2.1 Công thức tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển [2]

Độ ổn định của các lớp nước biển là gradien mật độ nước biển theo phương thẳng đứng, sau khi loại trừ biến thiên mật độ do biến đổi nhiệt

độ đoạn nhiệt gây nên Độ ổn định là đặc trưng định lượng của điều kiện cân bằng các lớp nước biển.

Như ta đều biết, trong khi xáo trộn các phần tử nước được chuyển dịch từ lớp nước này đến lớp nước khác Khi phần tử nước đi từ độ sâu bé đến lớn, mật độ sẽ tăng lên do áp suất tăng Đồng thời, còn xảy ra hiện tượng giảm mật độ do nhiệt độ tăng vì bị nén, hay còn gọi là sự tăng đoạn

nhiệt của nhiệt độ Nếu mật độ của phần tử nước ở độ sâu mới lớn hơn

mật độ môi trường xung quanh thì nó sẽ tiếp tục đi xuống, và quan trắc thấy điều kiện (trạng thái) cân bằng không ổn định của các lớp nước Nếu ngược lại, mật độ của nó nhỏ hơn môi trường xung quanh thì phần tử nước đó sẽ quay lại vị trí ban đầu (nâng lên) và quan trắc thấy điều kiện (trạng thái) cân bằng ổn định.

Trong Đại dương, nếu không có ngoại lực tác động, nước đại dương luôn luôn ở trong trạng thái phân tầng cân bằng: những lớp nước

có mật độ nhỏ hơn bao giờ cũng nằm ở phía trên, còn những lớp nước có mật độ lớn hơn thì nằm ở phía dưới Nói cách khác, mật độ nước trong đại dương tăng dần từ mặt xuống đáy Khi có những lực tác động hoặc những quá trình làm xáo trộn các lớp nước theo phương thẳng đứng, thì các hạt nước có thể bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng, từ tầng trên xuống tầng dưới hoặc từ tầng dưới lên tầng trên Khi bị dịch chuyển cưỡng bức như vậy, các hạt nước sẽ biến đổi mật độ của chúng do sự biến đổi của áp suất và sự biến đổi nhiệt độ đoạn nhiệt Tùy thuộc vào mức độ

phân tầng mật độ của nước biển (do phân tầng nhiệt độ và độ muối), mà

có thể xảy ra những trường hợp sau đây:

a) Nếu hạt nước từ một tầng nào đó dịch chuyển lên hoặc xuống một tầng mới, mà chênh lệch giữa mật độ của nó và mật độ ở tầng mới cho phép nó tiếp tục dịch chuyển theo hướng cũ, thì ta nói rằng phân tầng của nước biển là cân bằng bất ổn định.

b) Nếu hạt nước từ một tầng nào đó dịch chuyển tới tầng mới, mà chênh lệch mật độ nói trên không cho phép nó tiếp tục dịch chuyển theo hướng cũ, buộc phải quay về vị trí cân bằng ở tầng xuất phát, thì ta nói rằng phân tầng của nước biển là cân bằng ổn định.

c) Nếu khi dịch chuyển tới tầng mới, mật độ của nó không khác biệt với mật độ của tầng mới, thì hạt nước sẽ dừng lại ở tầng mới hoặc tiếp tục chuyển động theo quán tính và ta nói rằng phân tầng của nước biển là cân bằng phiếm định.

Như vậy, mức độ phân tầng có ảnh hưởng tới sự xáo trộn Trong phân tầng ổn định, sự xáo trộn bị cản trở; ngược lại, trong phân tầng bất

ổn định, sự xáo trộn xảy ra dễ dàng hơn.

Để đánh giá định lượng các điều kiện cân bằng, cần so sánh mật độ của các hạt nước xáo trộn tại mực mà ta quan tâm với mật độ của nước xung quanh.

Giả sử ở độ sâu z áp suất bằng p nước có độ muối S , nhiệt độ T

và mật độ  Còn ở độ sâu z  dz nước có độ muối S  dS và nhiệt độ dT

T  Nếu di chuyển đoạn nhiệt, hạt nước từ độ sâu z tới độ sâu z  dz

thì do biến đổi áp suất, mật độ của nó sẽ biến đổi một lượng  p dp

nhiệt một lượng d  (khi nén hay khi nở) Do đó, ở độ sâu z  dz mật độ

của hạt nước di chuyển từ độ sâu z tới sẽ là:

dS S

dT T

d dz

dT T dz

với građien mật độ dz

d 

chỉ bởi đại lượng hiệu chỉnh đoạn nhiệt dz

d T

xác định theo kết quả quan trắc nhiệt độ

và độ muối ở các trạm hải văn cũng cần được nhân với 4

10 để nhận được trị số độ ổn định E 108.

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Đơn vị của độ ổn định thẳng đứng của nước biển là 1/mét 

độ và độ muối khác nhau.

2.2 Phương pháp nghiên cứu và cách tính độ ổn định theo phương thẳng đứng của nước biển

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu

Cho đến nay chưa có nhiều phương pháp nghiên cứu độ ổn định thẳng đứng của nước biển Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu độ ổn định theo phương thẳng đứng của nước biển bằng phương pháp tính độ

ổn định thẳng đứng của nước biển theo công thức và dựa trên một mẫu bảng có sẵn, kết hợp việc tra các bảng hải dương học để hiệu chỉnh các biến đổi của mật độ nước biển theo nhiệt độ nước biển, theo độ muối và

áp suất nước biển (độ sâu) Ngoài ra, có thể xây dựng phần mềm trên máy tính để tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển.

Từ các giá trị đo được về nhiệt độ nước biển và độ muối tại các tầng sâu của một trạm đo trong vùng biển nghiên cứu, tiến hành tính độ ổn định thẳng đứng tại các tầng của mỗi trạm đo; bằng phần mềm vẽ Sufer

và Exell, dựng phân bố độ ổn định thẳng đứng của nước biển tại các trạm

đo và phân tích, đánh giá sự khác nhau về phân bố độ ổn định thẳng đứng của nước biển trong thời kỳ mùa hè và mùa đông; chỉ ra những trường hợp độ ổn định của nước biển do nhiệt độ hay độ muối giữ vai trò áp đảo.

2.2.2 Cách tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển

Tính độ ổn định của nước biển theo công thức trong phần 2.1 tại một trạm đo được thực hiện theo trình tự các cột có đánh số từ 1-23 trong 1

d 

104(7+8 +9)

Bảng24

Bảng25

Bảng20

Bảng21

Bảng22

Bảng26

Bảng27

Bảng28

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Trong đó: cột 1-3 là độ sâu, nhiệt độ, độ muối xác định được tại một trạm đo (giá trị tức thời); cột 4-5 là giá trị trung bình nhiệt độ và độ muối,

lấy trung bình từ giá trị nhiệt độ và độ muối tại hai tầng đo liên tiếp nhau;

cột 6 là giá trị gradien thẳng đứng của nhiệt độ và được nhân với 104; cột

7-9 là biến đổi của nhiệt độ thế vị theo biến đổi độ sâu trong các lớp nước

mặt được nhân với 104 và lượng hiệu chỉnh của nó do nhiệt độ, áp suất,

độ muối (Tra trong bảng Hải dương học của N.N Zubôp) Số thứ tự các

bảng ghi trong các cột, tương ứng với số thứ tự các bảng trong “Bảng Hải

dương học” của N.N Zubôp mà từ đó số liệu được lấy ra; cột 10 là biến

đổi của nhiệt độ thế vị theo biến đổi độ sâu trong các lớp nước mặt được

nhân với 104 sau khi đã hiệu chỉnh (bằng tổng cột 7+8+9); cột 11 là hiệu

số giữa gradien thẳng đứng của nhiệt độ và biến đổi của nhiệt độ thế vị

theo biến đổi độ sâu trong các lớp nước mặt sau khi đã hiệu chỉnh (bằng

hiệu cột 6-10); cột 12-14 là biến đổi của mật độ nước biển khi biến đổi

nhiệt độ được nhân với 104 và lượng hiệu chỉnh của nó do nhiệt độ, áp

suất, độ muối (Tra trong bảng Hải dương học của N.N Zubôp); cột 15 là

biến đổi của mật độ nước biển khi biến đổi nhiệt độ được nhân với 104

sau khi đã hiệu chỉnh (bằng tổng cột 12+13+14); cột 16 là giá trị của biến

đổi của mật độ nước biển khi biến đổi nhiệt độ (cột 15) nhân với hiệu số giữa gradien thẳng đứng của nhiệt độ và biến đổi của nhiệt độ thế vị theo biến đổi độ sâu trong các lớp nước mặt sau khi đã hiệu chỉnh (bằng tích cột 11*15); cột 17 là giá trị gradien thẳng đứng của độ muối và được nhân với 104; cột 18-20 là biến đổi của mật độ nước biển với biến đổi độ muối được nhân với 104 và lượng hiệu chỉnh của nó do nhiệt độ, áp suất,

độ muối (Tra trong bảng Hải dương học của N.N Zubôp); cột 21 là biến đổi của mật độ nước biển với biến đổi độ muối được nhân với 104 sau khi

đã hiệu chỉnh (bằng tổng cột 18+19+20); cột 22 là giá trị của biến đổi của mật độ nước biển với biến đổi độ muối (cột 21) nhân với gradien thẳng đứng của độ muối (bằng tích cột 17*21); cột 23 là kết quả tính toán độ ổn định thẳng đứng của nước biển đã được nhân với 108 (bằng tổng cột 16+22).

Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU

ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN

3.1 Khái quát và số liệu tại một số trạm đo trong vùng biển Nam Trung Bộ

Vùng biển Nam Trung Bộ là vùng biển nước sâu có đường đẳng sâu

100 mét chạy sát mép bờ biển, do vậy chúng có ý nghĩa thực tiễn trong các lĩnh vực Hàng hải; khai thác, nuôi trồng thủy hải sản và Quân sự quốc phòng, an ninh…

Vị trí các trạm đo được thể hiện trên hình 3.1 và chủ yếu là các trạm

đo có độ sâu trong khoảng từ 800-2000 mét Các trạm đo được ký hiệu từ T1 đến T90, xong do trong vùng biển có nhiều trạm đo trùng nhau về vị trí nên tác giả chọn ra một số trạm đại diện ở mỗi vị trí khác nhau và chọn những trạm đo có độ sâu lớn Số liệu tại các trạm đo được tiến hành đo đồng thời độ muối và nhiệt độ nước biển tại các tầng đo và thời gian khác nhau Tất cả các số liệu đo được lưu dữ trong cơ sở dữ liệu tại Bộ môn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội Cụ thể các trạm đo được tác giả chọn tính và thời gian đo của các trạm như trong bảng 3.1.

Bảng 3.1: Tọa độ của các trạm đo và độ sâu đo lớn nhất của các trạm đo thuộc

vùng biển Nam Trung Bộ Tên trạm Vĩ độ Kinh độ Thời gian đo

Hình 3.1: Sơ đồ vị trí các điểm đo trong vùng biển Nam Trung Bộ

Về đặc điểm nhiệt độ và độ mặn khu vực biển Nam Trung Bộ cho thấy: vùng nước ven bờ Nam Trung Bộ là khu vực có nền nhiệt thấp trên toàn vùng biển Việt Nam, giá trị nhiệt độ luôn thấp hơn 270C theo số liệu thống kê nhiều năm và có thể gặp giá trị thấp nhất đến 24-260C theo số liệu khảo sát của các tàu Liên Xô và của các đề tài thuộc chương trình, nguyên nhân là hoạt động nước trồi gió mùa tây nam.[5]

Vùng ngoài khơi Nam Trung Bộ nói chung duy trì độ mặn cao trong toàn năm: trong mùa đông lưỡi nước lạnh có độ mặn cao 33,4%o xậm nhập xuống sát vùng này, còn trong mùa gió tây nam, đường đẳng mặn 33%o và cao hơn cũng áp sát vào dọc bờ biển do hoạt động của nước trồi gió mùa tây nam [5]

3.2 Phân tính đánh giá độ ổn định của nước biển theo phương thẳng đứng tại một số trạm đo thuộc vùng biển Nam Trung Bộ

Các kết quả tính toán độ ổn định thẳng đứng của nước biển tại một

số trạm thuộc vùng biển Nam Trung Bộ được thể hiện trong các bảng ở phần phụ lục và tổng hợp cho thấy:

Thông thường, theo tính toán của tần số Brunt - Vaisialia thì độ ổn định thẳng đứng của nước biển tăng lên từ mặt đến độ sâu nêm nhiệt mùa (thermocline) nơi nó đạt cực đại, sau đó độ ổn định giảm dần đ ến đáy Tuy vậy, tại các trạm gần bờ thuộc vùng biển Nam Trung Bộ, độ ổn định của nước biển tăng và giảm trái quy luật trên từ mặt biển (0 mét) cho đến

độ sâu khoảng 300-400 mét Sau đó giảm dần cho đến độ sâu lớn hơn (hình 3.2 - 3.6).

Sự giảm của nhiệt độ nước biển cùng với sự tăng của độ muối từ mặt xuống đáy đã thể hiện được quy luật phân bố của độ ổn định thẳng đứng của nước biển tuy nhiên đối với các trạm đo gần bờ thì trong lớp nước từ

0 đến 300-400 mét, độ ổn định tăng và giảm trái quy luật, biến đổi phức tạp hơn Có thể là sự ảnh hưởng của các cửa sông đổ ra biển làm độ muối thay đổi bất thường và ảnh hưởng của bức xạ nhiệt vùng bờ làm nhiệt độ nước biển của các tầng sâu thay đổi trái quy luật (tầng sâu hơn có nhiệt

độ cao hơn) Các tầng sâu lớn hơn thì nhiệt độ nước biển và độ muối ổn định hơn.

Các trạm đo gần bờ, độ ổn định đạt max tại tầng từ 10-30 mét, và đạt min tại tầng từ 700-800 mét, giá trị độ ổn định đạt max bằng 4725.5 (trạm T76) và đạt min bằng 21.0 (trạm T76), xong chênh lệch về giá trị độ ổn định giữa max và min là không lớn, tổng hợp trong bảng 3.2.

Bảng 3.2: Giá trị max và min độ ổn định của nước biển tại các trạm gần bờ

Tên trạm Giá trị max của độ ổn định

của nước biển (nhân 108)

Giá trị min của độ ổn định của nước biển (nhân 108)

Bảng 3.3: Giá trị max và min độ ổn định của nước biển tại các trạm xa bờ

Tên trạm Giá trị max của độ ổn định

của nước biển (nhân 108)

Giá trị min của độ ổn định của nước biển (nhân 108)

số trạm ở tầng sát đáy, (hình từ 3.7 - 3.31).