Thủy triều
Bởi:
PGS. TS. NGƯT Phạm Văn Huấn
6.1. Mực nước đại dương và biến động của nó
Về trung bình nhiều năm, mặt nước Đại dương Thế giới có thể coi xấp xỉ trùng với mặt
geoit (mặt trung bình của Trái Đất). Nhưng mặt đại dương thực tế tại những thời điểm bị
lệch khỏi vị trí trung bình này, và luôn luôn biến động do bị ảnh hưởng của nhiều lực,
nhiều quá trình. Những nhóm lực và các quá trình cơ bản sau đây làm biến đổi mực nước
đại dương:
a) Các lực tạo triều vũ trụ;
b) Các hiện tượng địa động lực và địa nhiệt ở vỏ Trái Đất (động đất, núi lửa, thăng giáng
của lục địa và chuyển động kiến tạo hiện đại);
c) Những tác động cơ học và lý hóa gây bởi bức xạ Mặt Trời và khí quyển (các quá trình
nhiệt trong đại dương, biến đổi áp suất khí quyển, gió, mưa, dòng bờ...).
Trong số những lực và quá trình đã nêu, các lực tạo triều vũ trụ gây nên những dao động
liên tục nhất, tuần hoàn đều đặn nhất của mặt biển. Dạng dao động này đã được nghiên
cứu kỹ và sẽ được trình bày trong những mục sau đây.
Tác động của các lực và các quá trình khác gây nên những dao động không có tính chất
tuần hoàn như:
a) Những dao động dâng rút mực nước liên quan với hoàn lưu nước do gió trong biển ở
những đới gần bờ;
b) Những dao động mực nước do sự biến đổi áp suất khí quyển (khi áp suất khí quyển
tăng 1 mb mực nước giảm 10 mm và ngược lại;
c) Những dao động mực nước liên quan tới tính không đồng đều trong chu trình tuần
hoàn nước (tức chênh lệch của các thành phần bốc hơi, giáng thủy, dòng bờ trong cân
bằng nước);
d) Những dao động mực nước do sự biến đổi của mật độ nước gây nên. Khi mật độ tăng
thì mực nước giảm, ngược lại khi mật độ giảm thì mực nước tăng. Mật độ nước biển
phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối.
Vì tất cả các đặc trưng hình thái của đại dương và biển có liên quan với vị trí mặt nước
đại dương (mực đại dương) nên người ta phải tiến hành quan trắc một cách liên tục và
Thủy triều - Thư viện Học liệu mở Việt Nam
http://voer.edu.vn/m/a1fdb43c/1 1 / 19
đầy đủ về chế độ dao động của nó tại những địa điểm có trang bị các máy ghi mực nước
hoặc các cọc đo mực nước, gọi là những trạm mực nước. Dựa vào những số liệu đo đó
người ta tính kực nước trung bình ngày – giá trị trung bình của tất cả các quan trắc trong
ngày, trung bình tháng – giá trị trung bình của các mực trung bình ngày và trung bình
nhiều năm, hay mực trung bình – giá trị trung bình của các mực trung bình năm. Mực
trung bình được tính dựa trên những quan trắc nhiều năm đủ bao quát tất cả những cực
trị của mực (những mực thấp nhất và cao nhất). Số lượng năm cần để tính mực trung
bình phụ thuộc vào quy mô các dao động của mực và tỷ lệ thuận với độ lệch cực đại so
với mực trung bình tại vùng biển.
Mực biển trung bình hiện nay được chấp nhận làm mặt mốc để tính các độ cao tuyệt đối
trên lục địa và các độ sâu tuyệt đối ở các biển, các thủy vực, vì vậy nó được gọi là số
không tuyệt đối. Mỗi quốc gia quy ước chấp nhận làm số không tuyệt đối mực biển
trung bình ở một trạm mực nước nào đó. Trong các biển có thủy triều, một mặt mốc có
ý nghĩa hàng hải, được gọi là số không hải đồ được chấp nhận. Đó là mực biển thấp
nhất có thể có do những điều kiện thiên văn.Ở mỗi trạm mực nước, người ta quy ước lấy
một mốc để đo độ cao mực nước sao cho các số đo nhận được là những số dương và
mốc đó được gọi là số không trạm.
6.2. Dao động thủy triều của mực nước biển
Do tác động của các lực tạo triều có tính chất tuần hoàn mà trong biển và đại dương
hình thành chế độ chuyển động tuần hoàn của nước gọi là hiện tượng thủy triều. Hiện
tượng thủy triều thể hiện ở hai quá trình biểu lộ rất rõ ở biển là:
a) Dao động tuần hoàn của mực nước biển mà người ta quan sát thấy tại các trạm mực
nước;
b) Dao động tuần hoàn của dòng chảy ngang quan trắc được bằng cách đo dòng chảy
biển tại các trạm hải văn.
Dòng chảy tuần hoàn do các lực tạo triều gây nên gọi là dòng triều và được xem xét tới
phần nào ở các mục sau và đặc biệt trong chương 7 về các hải lưu. Ở chương này chỉ chú
trọng nghiên cứu dao động triều lên xuống của mực nước.
Một đặc điểm quan trọng trong chế độ dao động triều tuần hoàn của mực nước là chu
kỳ dao động khác nhau tại những vùng biển khác nhau. Nếu trong một ngày, tại một vùng
nào đó quan trắc thấy một lần nước dâng lên cao đến cực đại – nước lớn và một lần
nước rút xuống thấp đến cực tiểu – nước ròng, thì người ta gọi thủy triều ở vùng đó là
thủy triều toàn nhật, tức một ngày có một chu kỳ dao động và chu kỳ dao động bằng
một ngày Mặt Trăng (24 h 50 ph). Nếu trong một ngày, tại vùng đó quan trắc thấy hai
chu kỳ dao động triều, tức hai lần nước lớn và hai lần nước ròng, thì thủy triều ở vùng đó
là thủy triều bán nhật và chu kỳ triều bằng nửa ngày Mặt Trăng (12 h 25 ph). Ở một số
vùng biển người ta quan trắc thấy thủy triều hỗn hợp, tức trong một số ngày của tháng thì
tồn tại chế độ thủy triều toàn nhật, trong số ngày còn lại thì tồn tại chế độ thủy triều bán
nhật. Nếu trong một tháng mà số ngày với triều toàn nhật nhiều hơn số ngày với triều
bán nhật, thì vùng nghiên cứu được gọi là vùng nhật triều không đều, trong trường hợp
ngược lại – vùng bán nhật triều không đều.
Thủy triều - Thư viện Học liệu mở Việt Nam
http://voer.edu.vn/m/a1fdb43c/1 2 / 19
Trong một chu kỳ triều, khoảng thời gian nước dâng từ nước ròng đến nước lớn gọi là
thời gian triều lên, khoảng thời gian nước rút từ nước lớn đến nước ròng gọi là thời
gian triều rút. Hiệu giữa độ cao của nước lớn hay nước ròng và mực triều trung bình
gọi là biên độ triều.
Ngoài chu kỳ triều, để so sánh quy mô chuyển động dao động mực nước ở những vùng
biển khác nhau, người ta còn dùng một đặc trưng gọi là độ lớn thủy triều tính bằng hiệu
giữa độ cao nước lớn và độ cao nước ròng kế tiếp nhau.
Nếu liên tục quan trắc biến thiên mực nước triều trong khoảng thời gian dài, thì có thể
dễ dàng thấy rằng thời gian triều lên, thời gian triều rút, thời gian xuất hiện nước lớn và
nước ròng cũng như độ lớn thủy triều biến đổi từ ngày này sang ngày khác. Hiện tượng
đó được gọi là triều sai; hiện tượng triều sai liên quan tới biến đổi thời gian của lực tạo
triều mà về phần mình lại phụ thuộc vào vị trí tương hỗ của Mặt Trăng, Mặt Trời và Trái
Đất.
Người ta phân biệt các loại triều sai sau đây:
Triều sai ngày được thể hiện ở sự sai khác về độ cao của hai nước lớn liền nhau và hai
nước ròng liền nhau trong một ngày và ở sự sai khác về khoảng thời gian triều lên và
triều rút trong ngày. Thành thử do ảnh hưởng của triều sai ngày, trong một ngày người ta
thấy có nước lớn cao và nước lớn thấp cũng như nước ròng cao và nước ròng thấp.
Triều sai ngày thể hiện mạnh nhất ở những vùng triều hỗn hợp, đặc biệt ở những vùng
bán nhật triều không đều: khi độ xích vĩ Mặt Trăng đạt giá trị lớn nhất thì nước thấp và
nước ròng cao có thể không còn quan trắc thấy nữa và bán nhật triều chuyển thành nhật
triều.
Triều sai nửa tháng do pha Mặt Trăng đặc trưng cho những vùng bán nhật triều. Loại
triều sai này thể hiện ở chỗ vào kỳ sóc vọng (những ngày trăng non, trăng tròn) thì thủy
triều đạt độ lớn triều lớn nhất (gọi là triều sóc vọng), vào kỳ trực thế - độ lớn triều nhỏ
nhất (gọi là triều trực thế). Tuy nhiên, do ảnh hưởng của điều kiện địa lý của trạm
nghiên cứu, triều sóc vọng không xảy ra đúng vào kỳ sóc vọng mà muộn sau một số
ngày gọi là tuổi bán nhật triều.
Triều sai nửa tháng do độ xích vĩ Mặt Trăng đặc trưng cho những vùng nhật triều, thể
hiện ở chỗ khi độ xích vĩ Mặt Trăng lớn nhất, thì độ lớn thủy triều lớn nhất (triều chí
tuyến), còn khi độ xích vĩ Mặt Trăng nhỏ nhất, thì độ lớn thủy triều nhỏ nhất (triều nhật
phân), (hay triều xích đạo). Do ảnh hưởng của điều kiện địa lý, triều chí tuyến xảy ra
muộn hơn thời điểm Mặt Trăng đạt độ xích vĩ cực đại một khoảng thời gian gọi là tuổi
nhật triều.
Triều sai tháng (triều sai thị sai) biểu hiện ở sự biến đổi độ lớn triều với chu kỳ tháng
tùy thuộc sự biến đổi khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng (góc thị sai Mặt Trăng):
khi khoảng cách nhỏ nhất thì thủy triều đạt độ lớn lớn nhất, khi khoảng cách lớn nhất –
độ lớn triều nhỏ nhất. Triều sai tháng cũng còn biểu hiện cả ở sự biến đổi các nguyệt
khoảng, tức là khoảng thời gian giữa thời điểm thượng đỉnh của Mặt Trăng trên kinh
tuyến nơi quan trắc và thời điểm xuất hiện nước lớn gần nhất.
Thủy triều - Thư viện Học liệu mở Việt Nam
http://voer.edu.vn/m/a1fdb43c/1 3 / 19
Những triều sai chu kỳ dài nửa năm, một năm trước hết là do những biến đổi của độ
xích vĩ Mặt Trời và khoảng cách Trái Đât – Mặt Trời trong năm gây nên. Triều sai chu kỳ
18,6 năm do biến đổi chậm của độ xích vĩ Mặt Trăng do quỹ đạo Mặt Trăng lệc so với
mặt phẳng hoàng đạo.
Hiện tượng thủy triều ở đại dương có nguyên nhân thiên văn, song những điều kiện địa
lý của những vùng biển riêng biệt có ảnh hưởng lớn đến đặc điểm và độ lớn của dao
động triều tại đó. Vì vậy ở những vùng biển khác nhau thì đặc điểm và độ lớn triều rất
khác nhau.
Hiện nay, những số liệu quan trắc trực tiếp mực nước ở khắp các vùng bờ Đại dương Thế
giới cho phép nhận xét về phân bố không gian của thủy triều ở các vùng bờ. Nhìn chung
bán nhật triều chiếm ưu thế, nó được quan sát thấy ở hầu khắp các bờ Đại Tây Dương,
Ấn Độ Dương và Bắc Băng Dương. Ở Thái Bình Dương thủy triều hỗn hợp chiếm ưu thế.
Ở đây, nhiều nơi có thể tồn tại thủy triều toàn nhật trong đó biển Đông là một thí dụ
điển hình.
Độ lớn triều rất khác nhau. Những biển nối với đại dương qua các eo hẹp thủy triều
thường yếu, độ lớn triều chỉ đạt cỡ một vài đêximet, thậm chí có những biển được xếp
vào loại biển không có thủy triều như Ban Tích, Hắc Hải. Ngược lại, những vịnh và vùng
biển ăn thông với đại dương với những đặc trưng hình dạng đường bờ, địa hình đáy, kích
thước thủy vực phù hợp điều kiện truyền triều, thuy triều có thể lớn hơn nhiều so với
những dải bờ thoáng trước đại dương. Vịnh Phanđi ở bắc Canađa là một thí dụ điển hình
với độ lớn triều đạt tới 18 m. Vịnh Bắc Bộ cũng là nơi có thủy triều mạnh với độ lớn
triều 4–5 m ở phía bắc.
Đặc biệt đáng chú ý là những vùng bờ nước nông, những vùng cửa sông (estuary), những
sông lớn đổ vào những biển với chế độ triều mạnh. Nơi đây xảy ra những hiện tượng
triều rất lý thú như thủy triều nước nông biến dạng, sinh con nước, borơ... trong chế độ
dao động mực nước. Và cũng chính ở những nơi này càng biểu lộ mạnh sự ảnh hưởng
của hiện tượng triều đến nhiều quá trình khác trong biển và hoạt động sinh sống, sản
xuất của con người.
Để có khái niệm về phân bố thủy triều ở các vùng khơi đại dương và biển, người ta phải
dùng những phương pháp tính toán kết hợp với một số những quan trắc chưa nhiều về
mực và dòng chảy tại những nơi đó. Những bản đồ triều, trên đó thể hiện những đường
đẳng độ lớn thủy triều và góc pha nhận được bằng các phương pháp đó, cho phép nhận
xét bức tranh lan truyền sóng triều trong đại dương. Đặc điểm nổi bật là trên các đại
dương đều tồn tại những điểm vô triều, tại đó độ lớn triều bằng không hoặc rất nhỏ, các
sóng triều chạy vòng quanh những điểm vô triều chủ yếu theo chiều ngược với kim đồng
hồ ở bắc bán cầu và theo chiều kim đồng hồ ở nam bán cầu.
6.3. Cơ sở lý thuyết thủy triều
Để giải thích sự xuất hiện của lực tạo triều, chúng ta xét tác dụng của các lực lên mỗi
phần tử của Trái Đất trong trường hợp Trái Đất tham gia chuyển động trong hệ thống
Trái Đất – Mặt Trăng (trường hợp chuyển động của hệ thống Trái Đất – Mặt Trời cũng
hoàn toàn tương tự).
Thủy triều - Thư viện Học liệu mở Việt Nam
http://voer.edu.vn/m/a1fdb43c/1 4 / 19
Tác động lên mỗi phần tử của Trái Đất gồm các lực: trọng trường của Trái Đất, hấp dẫn
của Mặt Trăng, ly tâm xuất hiện khi hệ thống Trái Đất – Mặt Trăng quay xung quanh
trọng tâm chung của chúng. Trọng lực đối với các điểm của Trái Đất là như nhau, không
đổi, có thể bỏ qua. Các lực hấp dẫn tại những điểm riêng biệt của Trái Đất không bằng
nhau, mà phụ thuộc vào khoảng cách từ mỗi điểm đến Mặt Trăng. Trong khi hệ thống
Trái Đất – Mặt Trăng quay xung quanh trọng tâm chung của chúng ở khoảng cách 0,71
bán kính Trái Đất trên đường thẳng nối tâm Trái Đất với tâm Mặt Trăng, thì tại mọi thời
điểm, các lực ly tâm ở mọi điểm của Trái Đất đều bằng nhau về độ lớn và hướng song
song với đường nối tâm Trái Đất và tâm Mặt Trăng về phía ngược lại với chiều tới Mặt
Trăng. Trên hình 25 điểm M size 12{M} {} là tâm Mặt Trăng, O size 12{O} {} là tâm
Trái Đất và P size 12{P} {} là điểm bất kỳ trên bề mặt Trái Đất. Các lực hấp dẫn của
Mặt Trăng lên các phần tử của Trái Đất ở O size 12{O} {} và P size 12{P} {} được
biểu diễn bằng những mũi tên mảnh hướng về phía tâm Mặt Trăng. Các lực ly tâm tại các
điểm được biểu diễn bằng những mũi tên đậm cùng hướng về phía xa Mặt Trăng có độ
lớn bằng nhau và bằng lực hấp dẫn của Mặt Trăng lên điểm ở tâm Trái Đất. Tổng của lực
hấp dẫn và lực ly tâm ở một điểm P size 12{P} {} bất kỳ sẽ là lực tạo triều:
F→=P→P+F→C size 12{ { vec {F}}= { vec {P}} rSub { size 8{P} } + { vec {F}}
rSub { size 8{C} } } {},
hay
F→=P→P−P→0 size 12{ { vec {F}}= { vec {P}} rSub { size 8{P} } - { vec {P}}
rSub { size 8{0} } } {}. (73)
Như vậy lực tạo triều được biểu diễn bằng hiệu giữa lực hấp dẫn của Mặt Trăng lên điểm
đang xét và lực hấp dẫn của Mặt Trăng lên tâm Trái Đất. Biểu thức cuối cùng cho phép
dễ dàng tính được lực tạo triều cho mọi điểm trên mặt Trái Đất. Kết quả tính cho thấy,
ở các điểm gần Mặt Trăng nhất và xa Mặt Trăng nhất trên đường thẳng nối Mặt Trăng –
Trái Đất, các lực tạo triều xấp xỉ bằng nhau về độ lớn, hướng theo bán kính ra khỏi tâm
Trái Đất, ở các điểm trên vòng sáng Trái Đất, các lực tạo triều có độ lớn nhỏ hơn và
hướng vào phía tâm Trái Đất, còn ở những điểm trung gian thì các lực tạo triều có
hướng và độ lớn chuyển tiếp từ hai trường hợp trên.
Các lực tác dụng lên những phần
tử của Trái Đất trong chuyển động quay của hệ thống Trái Đất – Mặt Trăng và biến dạng
của vỏ nước của Trái Đất dưới tác dụng của lực tạo triều
Thủy triều - Thư viện Học liệu mở Việt Nam
http://voer.edu.vn/m/a1fdb43c/1 5 / 19