Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu độ ổn định của nước biển trong vùng biển Nam Trung bộ

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

80
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung luận văn bao gồm 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu độ ổn định của nước biển trong vùng biển Nam Trung bộ

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 1
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 2
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 3
DANH MỤC CÁC BẢNG STT Nội dung Trang 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 năm )……………………………………………………. 21 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 gần bờ ……………………………………………………. 29 Bảng 3.3 Giá trị max và min độ ổn định của nước biển tại các trạm xa bờ ……………………………………………………... 29 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 4
DANH MỤC CÁC HÌNH STT Nội dung Trang 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 biển trạm 25 ……………………………………………… 26 Hình 3.3 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 56 ……………………………………………… 26 Hình 3.4 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 76 ……………………………………………… 27 Hình 3.5 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 89 ……………………………………………… 27 Hình 3.6 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 90 ……………………………………………… 28 Hình 3.7 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 4 ………………………………………………. 31 Hình 3.8 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 5 ………………………………………………. 31 Hình 3.9 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 6 (đông) ……………………………………….. 32 Hình 3.10 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 6 (hè) ………………………………………….. 32 Hình 3.11 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 8 ………………………………………………. 33 Hình 3.12 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 10 ……………………………………………… 33 Hình 3.13 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 11 (đông) ……………………………………… 34 5
Hình 3.14 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 11 (hè) ………………………………………… 34 Hình 3.15 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 15 ……………………………………………… 35 Hình 3.16 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 23 ……………………………………………… 35 Hình 3.17 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 24 ……………………………………………… 36 Hình 3.18 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 26 ……………………………………………… 36 Hình 3.19 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 27 ……………………………………………… 37 Hình 3.20 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 28 ……………………………………………… 37 Hình 3.21 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 29 ……………………………………………… 38 Hình 3.22 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 30 ……………………………………………… 38 Hình 3.23 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 33 (đông) ……………………………………… 39 Hình 3.24 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 33 (hè) ………………………………………… 39 Hình 3.25 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 35 (đông) ……………………………………… 40 Hình 3.26 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 35 (hè) …………………………………………. 40 Hình 3.27 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 36 ……………………………………………… 41 Hình 3.28 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 38 ……………………………………………… 41 Hình 3.29 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 39 ……………………………………………… 42 6
Hình 3.30 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 57 ……………………………………………… 42 Hình 3.31 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước biển trạm 67 ……………………………………………… 43 Hình 3.32 Phân bố tại các tầng có độ ổn định nước biển cực đại …… 48 Hình 3.33 Nguyên lý lặn tĩnh của tàu ngầm ………………………… 49 7
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 8
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: 9
- 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. 10
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 t 0 = 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. S‰  (0C) (0C) S‰  (0C) (0C) 0 3,95 0,00 20 -0,31 -1,07 5 2,93 - 0,27 25 -1,40 - 1,35 10 1,86 - 0,53 30 -2,47 - 1,63 15 0,77 - 0,80 35 -3,52 - 1,91 Với giá trị của bảng 1.1, ta vẽ được biểu đồ ở hình 1.1 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. 11
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]. 0 C 4 θ 3 2 1 0 τ -1 -2 -3 -4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 S0/00 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 12
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. t Mật độ nước biển S trong hải dương học là tỷ số của trọng lượng 4 một đơn vị thể tích nước tại nhiệt độ quan trắc so với trọng lượng một đơn vị thể tích nước cất tại 4C. Như vậy đại lượng mật độ nước biển trong hải dương học không có thứ nguyên, nhưng có trị số bằng mật độ vật lý. Khi viết ngắn gọn người ta sử dụng tham số mật độ quy ước của nước biển  t tính bằng: 13
 t   t   S  110 3 (1.1)  4  Về trị số, mật độ nước biển được xác định theo trọng lượng riêng 17,5 0 của nước biển tại nhiệt độ 17,5C là S hoặc tại nhiệt độ 0C là S 17,5 4 17,5 Trọng lượng riêng S là tỷ số của trọng lượng một đơn vị thể 17,5 tích nước biển tại nhiệt độ 17,5C so với trọng lượng một đơn vị thể tích 0 nước cất cùng nhiệt độ đó. Trọng lượng riêng S là tỷ số của trọng lượng 4 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:  17,5  3  17 ,5   S  110 , (1.2)  17,5   0   0   S  110 3. (1.3)  4  Trọng lượng riêng quy ước tại nhiệt độ 0C (   0 ) gọi là trọng lượng riêng chuẩn của nước biển [2]. 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 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   , S   T  , p , S  T  , p, S    G  , p, S dp (1.4) a p a 14
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:   T ( z )  Toz (1.5) Bằng cách sử dụng công thức tích phân nhiệt độ theo áp suất dT T o a (  ) và định nghĩa nêu trên ta có thể viết: dP Cp a o pa   T exp  dp (1.6) p c p Bảng 1.2: Biến đổi nhiệt độ đoạn nhiệt khi độ sâu biến đổi. Khoảng cách 0 1 2 4 8 từ đáy (km) δT(°C) 0 0,062 0,141 0,347 0,985 Trong bảng 1.2 đưa ra mức độ biến thiên đoạn nhiệt của nhiệt độ nước biển khi độ sâu biến đổi. Như vậy nếu hai loại nước ở hai độ sâu khác nhau có cùng nhiệt độ thế vị thì nhiệt độ thực tế sẽ khác nhau, ngược lại khi chúng có cùng nhiệt 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 (1.7) 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. 15
   p  pot    , p a , S    ( , p, S )     dp   ( , p a , S ) (1.8) pa  p   ,S Xét biến thiên của mật độ theo độ sâu, ta có:    d  dS  dT  dp (1.9) S T p Biết rằng T = θ + δT, ta có: d  dS  d (  T )     (1.10) dp S dp T dp p Trong điều kiện đại dương lý tưởng, nhiệt độ và độ muối không đổi theo độ sâu: dT dS  0 (1.11) dp dp và:  d          (1.12)  dp TS cos cos nt nt  p  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:  S ,T , p   S ,T , 0 (1   p ) (1.13) với α là hệ số nén trung tính. Để xem xét ý nghĩa của hệ số này cũng như các hệ số nén khác, lấy đạo hàm riêng hai vế theo áp suất p, ta có:  S ,T , p    S ,T , 0 (  p ) (1.14) p p So sánh với định nghĩa, hệ số nén tổng quát được viết dưới dạng sau: 16
1  S ,T , p (1.15) kp    S ,T , p p thì:  p p (1.16) kp  1  p Khi áp suất bằng 0 (p = 0) thì kp = α. Như vậy:  S ,T ,0  S ,T , 0    S ,T ,0 ;  (1.17) p p  S ,T , 0 Bên cạnh hệ số nén tổng quát kp, ta có hệ số nén đẳng nhiệt. 1    kT  k    (1.18)   p  T , S và độ nén đoạn nhiệt: 1    k    (1.19)   p  , S Với định nghĩa vận tốc lan truyền sóng âm, ta có:  p  1 c     c2  (1.20)     , S k Đối với đại dương thực tế mật độ là hàm của độ sâu và áp suất theo công thức (1.10). Đối với đại dương chuẩn, do không có sự biến đổi của độ muối và nhiệt độ thế vị theo áp suất nên: dS d 0 ; 0 (1.21) dp dp ta có:          dT                      G (1.22)    A   p p  T   dp   A  p  T  17
trong đó G là gradien nhiệt độ đoạn nhiệt. Gradien nhiệt độ toàn phần được thể hiện như sau: dT d   G  G S ,T , p (1.23) dp dp Biểu thức (1.22) cho ta gradien mật độ đoạn nhiệt. Để tính toán đại lượng này, người ta thường tính qua gradien đối với áp suất p = 0 và xem đại lượng này là áp suất khí quyển trên mặt biển (điều này không gây ra sai số lớn nếu so với giá trị p rất lớn ở các tầng sâu).                        (1.24)  p  A  S ,T , p  p  A  S ,T , 0  p  A Một cách tổng quát có thể viết như sau: G S ,T , p  G S ,T , 0  GT , p  G S , p ..... (1.25) Trong trường hợp mật độ không đổi dρ = 0, ta có:        T    dS 0 dS  dT  (1.26) S T dT       S  Đây là biểu thức đạo hàm nhiệt độ theo độ muối được xác định bằng tỷ số giữa độ giãn nở vì nhiệt và độ nén do muối. Thông thường tỷ số này được thay bằng ctg,  là góc hình của tiếp tuyến của đường đẳng mật độ trong hệ toạ độ T,S. Trong toán đồ TS với trục ngang là nhiệt độ T và trục tung là độ muối S, các đường cong đẳng mật độ cho phép ta xác định mật độ khi biết nhiệt độ và độ muối. Phân tích toán đồ này cho thấy ctg là một hàm của nhiệt độ và độ muối, khi nhiệt độ và độ muối thấp thì góc  không đổi, hay có mối liên hệ tuyến tính. 18
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.  d  (1.27)  ( z  z )   ( z )     z  dz  a còn mật độ của môi trường xung quanh lại biến đổi khác.  d   ( z  z )   ( z )   z (1.28)  dz  Nếu như tại vị trí ban đầu mật độ chúng như nhau thì do kết quả biến đổi khác nhau sẽ làm xuất hiện lực Ascimed (lực Ascimed là tổng của lực nổi và lực trọng trường), tạo ra gia tốc. g  d   d  ga       z (1.29)   dz  a  dz  Trong điều kiện khi gradien mật độ bằng gradien mật độ đoạn nhiệt thì lực Ascimed sẽ bằng 0 và phân tầng mật độ được xem là phiếm định. 19
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. g  d   d   N2          dz   dz a  (1.30) Tần số này được gọi là tần số Brunt - Vaisialia. 20