NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN TRONG VÙNG BIỂN NAM TRUNG BỘ

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








LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

2
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


3
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 th
ức tính độ ổn định

th
ẳng đứng của n
ư
ớc biển ………………

17

2.2. Phương pháp nghiên c
ứu v
à cách tính đ
ộ ổn định theo ph
ương th
ẳng
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 th
ẳng
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

4
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:

5
- 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.

6
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
= 4
0
C, như vậy, khi nhiệt
độ giảm dưới 4
0
C và tăng lên trên 4
0
C 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‰

(
0
C)
(
0
C)
S‰

(
0
C)
(
0
C)
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 -1,40

0
C.

7
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,
0 5

10 15 20 25 30 35 40 S
0
/
00

-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0
C

τ
θ

8
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.
Mật độ nước biển S
4
t
trong hải dương học là tỷ số của trọng lượng 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:
3
101
4







t
S
t


Về trị số, mật độ nước biển được xác định theo trọng lượng riêng của
(1.1)

9
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:
,101
5,17
5,17
3
5,17







 S


.101
4
0
3
0






 S


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 (p
a
) bằng đoạn nhiệt.
 
 
   


p
a
p
dpSpGSpTS
a
pTS ,,,,,,,


Các tính toán cho thấy rằng biến đổi từ áp suất p sang áp suất khí quyển
(p
a
) 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:
(1.4)
(1.5)
(1.2)
(1.3)
10
z
o

TzT

 )(

Bằng cách sử dụng công thức tích phân nhiệt độ theo áp suất
(
p
o
C
aT
dP
dT


) và định nghĩa nêu trên ta có thể viết:
dp
c
a
T
a
p
p
p
o




exp

Bảng 1.2: Biến đổi nhiệt độ đoạn nhiệt khi độ sâu biến đổi.
Khoảng cách
từ đáy (km)
0 1 2 4 8
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




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.
 
),,(),,(,,
,
Spdp
p
SpSp
a

S
p
p
apot
a


















Xét biến thiên của mật độ theo độ sâu, ta có:
(1.6)
(1.7)
(1.8)
11
dp
p

dT
T
dS
S
d














Biết rằng T = θ + δT, ta có:
pdp
Td
Tdp
dS
Sdp
d

















)(

Trong điều kiện đại dương lý tưởng, nhiệt độ và độ muối không đổi
theo độ sâu:
0
dp
dS
dp
dT

và:
























pdp
d
ntS
ntT
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,,,,
p
TSpTS




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:
)(
0,,
,,
p
p
p
TS
pTS









So sánh với định nghĩa, hệ số nén tổng quát được viết dưới dạng sau:
p
k
pTS
pTS
p




,,
,,
1



thì:
(1.9)
(1.10)
(1.11)
(1.12)
(1.13)
(1.14)
(1.15)
12
p
p
p
k
p








1

Khi áp suất bằng 0 (p = 0) thì k
p
= α. Như vậy:


0,,
0,,
TS
TS
p



;
0,,
0,,
TS
TS
p







Bên cạnh hệ số nén tổng quát k
p
, ta có hệ số nén đẳng nhiệt.

ST
T
p
kk
,
1














và độ nén đoạn nhiệt:
S
p
k
,
1

















Với định nghĩa vận tốc lan truyền sóng âm, ta có:
S
p
c
,


















k
c
1
2


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:
0
dp
dS
;
0
dp
d


ta có:
G
Tpdp
dT
Tpp
AA































































trong đó G là gradien nhiệt độ đoạn nhiệt.
Gradien nhiệt độ toàn phần được thể hiện như sau:
(1.16)
(1.17)
(1.18)
(1.19)
(1.20)
(1.21)
(1.22)
13
pTS
GG
dp
d
dp
dT
,,



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).
A
TS
A
pTS
A
ppp



















































0,,,,

Một cách tổng quát có thể viết như sau:

,,0,,,, pSpTTSpTS
GGGG 

Trong trường hợp mật độ không đổi dρ = 0, ta có:
dT
T
dS

S








0





















S
T
dT
dS



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]
(1.23)
(1.24)
(1.25)
(1.26)
14
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
zzz
a












)()(

còn mật độ của môi trường xung quanh lại biến đổi khác.
z
dz
d
zzz 












)()(

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.
z
dz
d
dz
d
g
g
a
a



























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
(1.27)
(1.28)
(1.29)
15
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.




















a
dz
d

dz
dg
N




2

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.
(1.30)
16
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:

























dz
dp
pdz
dT
Tdz
d
a
a




Trong khi gradien mật độ của môi trường có thể viết dưới dạng:
dz
dp
pdz

dS
Sdz
dT
Tdz
d














Thay các biểu thức (1.31), (1.32) vào phương trình (1.30) ta có:


























dz
dS
Sdz
dT
dz
dT
T
g
N
a


2

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
(1.31)
(1.32)
(1.33)
17
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
o
C 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 N
2
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.
18
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:
dzMgdE
ko
)1(






Nếu ρ
v
> ρ, thì phân tầng bất ổn định và sẽ có hiện tượng nước chìm
xuống sâu và E
ko
> 0.
Lấy tích phân biểu thức trên theo độ sâu từ z
1
đến z
2
(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










2

1
1
z
z
ko
dzMgE




(1.34)
(1.35)
19
Từ biểu thức này dễ nhận thấy rằng khi ρ > ρ
v
phân tầng trong đại
dương sẽ ổn định và E
ko
< 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:










2
2
w
Mdwdt
dt
dw
Mdz
dt
dw
MdE
ko

từ đó:







o
ko
w
M
E
w
2

trong đó w
0
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
(1.36)
(1.37)
20
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
21
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
dzz

nước có độ muối
dSS

và nhiệt độ
dTT

.

Nếu di chuyển đoạn nhiệt, hạt nước từ độ sâu
z
tới độ sâu
dzz

thì do biến
đổi áp suất, mật độ của nó sẽ biến đổi một lượng
dp
p


do tác động trực tiếp
của áp suất và một lượng



d
T
do biến đổi nhiệt độ đoạn nhiệt một lượng

d

(khi nén hay khi nở). Do đó, ở độ sâu
dzz

mật độ của hạt nước di chuyển từ
độ sâu
z
tới sẽ là:







d
T
dp
p


Nước xung quanh ở độ sâu
z
dz

có mật độ là:
(2.1)
22
dS
S
dT
T
dp
p










Vậy hiệu mật độ

của nước xung quanh và của các hạt nước xáo trộn
bằng:
 
dS
S
ddT
T








Nếu
0


thì cân bằng ổn định,
0


thì cân bằng bất ổn định,
0




thì cân bằng phiếm định.
Đại lượng:
dz
dS
Sdz
d
dz
dT
Tdz
E













gọi là độ ổn định của các lớp nước biển. Dễ thấy rằng độ ổn định khác với
građien mật độ
dz
d


chỉ bởi đại lượng hiệu chỉnh đoạn nhiệt
dz
d
T




.
Vì có trị số nhỏ, độ ổn định thường được biểu thị dưới dạng
8
10.E
. Để
tính độ ổn định, trong "Bảng hải dương học" cho sẵn các bảng để tính các đại
lượng
T


,
S


và
dz
d

đã nhân với
4
10

. Những građien thẳng đứng của nhiệt
độ
dz
dT
và độ muối
dz
dS
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
8
10.E
.
Thông thường độ ổn định đạt giá trị lớn nhất ở lớp nhảy vọt mật độ vào
mùa nóng. Với độ sâu tăng lên, độ ổn định giảm và giảm tới những giá trị rất
nhỏ ở các độ sâu lớn. Những cực đại phụ của độ ổn định có thể thấy ở những
nơi tiếp giáp của các khối nước với những đặc trưng nhiệt độ và độ muối khác
nhau.
(2.2)
(2.3)
(2.4)
23
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 bảng
mẫu (bảng 2.1).
Bảng 2.1: Tính độ ổn định trạm ……( = ……;  = …….; ngày tháng năm )

Z

m

T
0
C

S
‰

t

t
b

S
t
b

dz
dT
10
4

Tra bảng
hải dương
dz
d

10
4

(7+
8+9
)
6 -10
Tra bảng hải
dương
T




10
4

(12
+13
+
11 * 15
z
S


10
4

Tra bảng hải
dương
S



10
4
(18
+19
+
17 * 21
E.10
8
(16+22)

Bảng

23
Bảng

24
Bảng

25
Bảng

20
Bảng
21
Bảng
22
Bảng
26
Bảng
27
Bảng
28
24
14)

20)

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 10
4
; cột 7-9 là biến
đổi của nhiệt độ thế vị theo biến đổi độ sâu trong các lớp nước mặt được nhân
với 10
4
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 10
4
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 10
4
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 10
4
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
10

4
; cột 18-20 là biến đổi của mật độ nước biển với biến đổi độ muối được
nhân với 10
4
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 10
4
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
25
cột 17*21); cột 23 là kết quả tính toán độ ổn định thẳng đứng của nước biển
đã được nhân với 10
8
(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 Nam Trung Bộ (hình 3.1), do vậy chúng có ý nghĩa
to lớn trong các lĩnh vực Hàng hải, Kinh tế và Quân sự quốc phòng, an ninh…