Luận văn thạc sĩ " NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN TRONG VÙNG BIỂN NAM TRUNG BỘ "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

116
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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, ngoài nguyên nhân chính là do các các yếu tố tạo nên chúng, còn 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...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ " 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
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 3
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, ngoài nguyên nhân chính là do các các yếu tố tạo nên chúng, còn 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: 4
- 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. 5
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. 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. 6
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 khác chỉ có thể xác định một cách gần đúng, 7
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 một 4 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:  t  t  S  110 3 (1.1)  4  Về trị số, mật độ nước biển được xác định theo trọng lượng riêng của 8
17,5 0 nước biển tại nhiệt độ 17,5C là S hoặc tại nhiệt độ 0C là S Trọng 17,5 4 17,5 lượng riêng S là tỷ số của trọng lượng một đơn vị thể tích nước biển tại 17,5 nhiệt độ 17,5C so với trọng lượng một đơn vị thể tích nước cất cùng nhiệt độ 0 đó. Trọng lượng riêng S là tỷ số của trọng lượng một đơn vị thể tích nước 4 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  3 0 S  110 . (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 a (1.4) p a 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: (1.5) 9
  T ( z )  Toz 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 pa a o   T exp  dp (1.6) p cp 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. 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: 10
   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          dp T cos nt  p  (1.12)   S cos nt   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: 1  S ,T , p (1.15) kp    S ,T , p p thì: 11
 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    (1.18) kT  k      p  T , S   và độ nén đoạn nhiệt: 1    (1.19) k      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               p             G (1.22)   A  p   T  dp  A  p   T  trong đó G là gradien nhiệt độ đoạn nhiệt. Gradien nhiệt độ toàn phần được thể hiện như sau: 12
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).                p       p      p  (1.24)   A  S ,T , p   A  S ,T ,0      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:        dS T 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. 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] 13
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, 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. 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 14
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. 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. 15
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:  d    dT    dp  (1.31)          dz  a T  dz  a p  dz  Trong khi gradien mật độ của môi trường có thể viết dưới dạng: d  dT  dS  dp    (1.32) dz T dz S dz p dz Thay các biểu thức (1.31), (1.32) vào phương trình (1.30) ta có: g    dT  dT    dS  N2        (1.33)   T  dz  dz  a  S dz  Đây là chỉ tiêu Hesselberg - Sverdrup được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn hải dương học. Trong công thức này, vai trò của gradien nhiệt độ và độ muối được tách rời, trong đó thành phần liên quan tới độ muối thường có một bậc lớn hơn thành phần liên quan tới nhiệt độ. Hai thành phần này cũng có giá trị ngược dấu nhau: sự tăng của độ muối theo độ sâu làm tăng độ ổn định, còn nhiệt độ tăng theo độ sâu làm giảm độ ổn định của nước biển. 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 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 16
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 5 oC trên 1 m, điều mà thực tế không bao giờ chúng ta quan sát thấy [8]. Chỉ tiêu độ ổn định được sử dụng rộng dãi trong thực hành hải dương học, để việc xác định chỉ tiêu độ ổn định được thuận tiện người ta đã lập ra các bảng hải dương học [2]. Tuy nhiên, khi sử dụng các bảng này cần nhớ rằng biến thiên mật độ theo nhiệt độ và độ muối trong đó được tính theo phương trình trạng thái của Knudsen. Nếu sử dụng phương trình trạng thái khác, thì các giá trị N2 có thể khác so với những gì dẫn trong các bảng hải dương học [8]. 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. 17
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:  (1.34) dE ko  Mg (1  )dz  Nếu ρv > ρ, thì phân tầng bất ổn định và sẽ có hiện tượng nước chìm xuống sâu và Eko > 0. Lấy tích phân biểu thức trên theo độ sâu từ z1 đến z2 (hình 1.3) ta tìm được biểu thức năng lượng bất ổn định trong lớp nước đó. Hình 1.3: Sơ đồ tách các lớp có năng lượng bất ổn định z2    E ko  Mg  1    dz (1.35) z1    18
Từ biểu thức này dễ nhận thấy rằng khi ρ > ρv phân tầng trong đại dương sẽ ổn định và Eko < 0. Năng lượng bất ổn định được thể hiện bằng diện tích được đánh dấu trên hình 1.3. 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. Thực vậy: dw dw  w2  dEko  M dz  M wdt  Md   (1.36) dt dt  2    từ đó:  2E  (1.37) w   ko  wo   M  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. Chương 2: CÔNG THỨC TÍNH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁCH TÍNH ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN 19
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 20