Các sóng dài trọng lực trong đại dương - Chương mở đầu pot

Đại học quốc gia H Nội
_____________________________________________________________
A. B. Rabinovich
Các sóng di trọng lực
trong đại d{ơng
_________________________________________________
Hiện tợng bẫy sóng, cộng hởng v phát xạ
Biên dịch: Phạm Văn Huấn
Nh xuất bản đại học quốc gia h nội

Mở đầ
Ch
ại dơng
nổi
hủy tĩnh dùng cho vùng thềm
Ch
67
2.1.
p nền
76
100
2.6.
2.7. g dòng dọc bờ ở dải ven bờ
v cảng
Ch
yển
165
3.3. sóng di của mực nớc đại dơng
của các quá trình khí quyển
ộ

yển
vùng thềm tới sự phát sinh các sóng di
3.6. Sự kích động các sóng ven do kết quả tản mát thủy
triều khí tợng trên nền những bất đồng nhất ngẫu
nhiên của địa hình
222
3.7. Cấu trúc không gian của các sóng di trong đại dơng
v quan trắc các sóng ven 240
3.8. Những đặc điểm cộng hởng của các sóng di trên vùng
thềm lục địa 254
3.9. Mô hình lý thuyết về phổ của các sóng di ở đại dơng 265
3.10. Khảo sát dao động lắc ở những vùng ven bờ đại dơng 272
3.11. ảnh hởng của các dao động lắc tới sự hình thnh phổ
các sóng di ở vùng Nam Kuril 289
3.12. Abiki, rissaga v các dao động lắc cực trị khác 311
Chơng 4. Động lực học đới ven bờ v các sóng ngoại
trọng lực
325
4.1. Các chuyển động sóng di trong đới ven bờ: lịch sử công
tác nghiên cứu 326
4.2. Những đặc trng thống kê của dao động mạch động vỗ
bờ v sự liên hệ của chúng với các tham số sóng gió v
sóng lừng 335
4.3. Sự hình thnh các sóng ngoại trọng lực bởi cấu trúc
nhóm của trờng sóng gió 353
Mục lục
u
6
ơng 1. Quan trắc các dao động sóng di của mực
nớc ở đới ven bờ v ngoi khơi đ

13
1.1. Lịch sử nghiên cứu vấn đề 14
1.2. Những máy ghi mực nớc đại dơng nguyên lý phao
v sử dụng chúng để đo các sóng di
1.3. Các máy đo sóng di t
19
26
1.4. Các dụng cụ đặt dớisâuđểđomực nớc đại dơng
1.5. Quan trắc sóng di ở ngo
34
45i khơi đại dơng
1.6. Những đặc điểm phổ của các dao động sóng di của mực
nớc ở vùng khơi đại dơng v vùng thềm lục địa 54
ơng 2. Lý thuyết tuyến tính về các sóng di trên
thềm lục địa v ở vùng khơi đại dơng
Các phơng trình cơ bản 68
2.2. Các sóng ven của Stokes: nghiệm cho trờng hợ
đáy thoải vô tận
2.3. Các sóng di bị bẫy ở đại dơng có vùng thềm độ sâu
g đổi khôn
2.4. Những đặc điểm của sóng ven đối với các dạng địa hình
khác nhau
83
92
2.5. Định luật Snellius, góc Bruster v sự cộng hởng thềm
Tính toán các sóng ven v sóng phát xạ đối với những
thủy vực thực
Các sóng dịch chuyển tron
111
124

2.8. Các dao động lắc trong vịnh, vũng 135
ơng 3. Các sóng gió áp trong đại dơng
150
3.1. Một số đặc điểm lý thuyết của các sóng trong khí qu 151
3.2. Những đặc trng phổ của áp suất khí quyển v gió
Liên hệ các dao động
với đặc điểm v cờng độ 181
3.4. Sự kích động trực tiếp các sóng di trong đại dơng đ
sâu không đổi bởi các quá trình khí qu 194
3.5. ảnh hởng của 204
3 4

4.4. Mạch động vỗ bờ v các sóng biên 368
4.5. Dâng nớc trong sóng ở các vùng đại dơng ven bờ 385
4.6. Hiện tợng xô đẩy tầu trong các cảng v vùng cảng 392
4.7. Về ảnh hởng của độ xoáy chất lỏng tới chuyển động
sóng di trong cảng 407
4.8. Các dòng chảy đứt đoạn 415
4.9. Địa hình dạng ren (feston), các bãi dạng lỡi liềm v
những dạng địa hình t ác 422
Ti liệu tham khảo
434
(1962)
m
2
[264]. Nguyên nhân duy nhất có thể lm tăng
uần hon kh
Mở đầu
Các sóng di ở đây đợc hiểu l những chuyển động
với chu kỳ từ một số chu kỳ sóng lừng đến các chu kỳ dao

động triều, tức từ 0,5 phút đến 12 giờ. Dải ny bằng 10 gam
bậc. Đặc điểm đáng ngạc nhiên nhất của các sóng ở dải tần
ny l chúng không tồn tại.
V. Munk. Các sóng di trong đại doơng
Có vẻ hơi đùa một chút, nhng Munk đã nói nh vậy về
những chuyển động m ông từng ginh gần 20 năm cuộc đời mình
để nghiên cứu. Thật vậy, phổ các sóng đại dơng tại dải tần ny
thực tế l rỗng không (hình 0.1). Năng lợng triều đặc trng
43
1010 cm
2
, năng lợng các sóng gió sóng lừng cũng khoảng
cỡ đó, trong khi tại các tần số trung gian tổng năng lợng sóng chỉ
bằng khoảng 1 c
đột ngột phần năng lợng trong dải tần ny đó l sóng thần (các
sóng địa chấn biển [67]). Thật vậy, các quan trắc sóng di liên tục
trong thời gian di tại thềm lục địa California [268, 312] đã cho
thấy rằng khi có các nhiễu khí quyển mạnh đi qua thì giá trị phổ
các sóng đại dơng có thể tăng lên 10 lần, còn khi sóng thần đi qua
100 1000 lần (ví dụ, đã quan trắc đợc nh vậy trong thời gian
sóng thần Kamchatka ngy 5 tháng 11 năm 1952 v sóng thần
Chilê ngy 23 tháng 5 năm 1960. Song sóng thần mạnh đó l một
5 6

hiện
hia
thnh hai loại chính: các sóng građien xoáy (các sóng tựa địa
chuyển) v các sóng trọng lực. Các sóng loại thứ nhất đợc hình
thnh dới ảnh hởng của các lực xoay v đợc qui định bởi định
luật bảo tồn ề các sóng

građien xoáy l các sóng vùng thềm v các sóng Rossby. Các sóng
građien
tợng cực hiếm (1 lần trong 10 15 năm); phần đóng góp tổng
cộng của sóng thần vo phổ các sóng di nhỏ không đáng kể.
Theo nghĩa rộng của từ, các sóng di l những chuyển động
sóng m qui mô khoảng cách của chúng nhiều lần lớn hơn độ sâu
đại dơng, tức các sóng với bớc sóng từ một số trăm mét (ở đới ven
bờ từ vi chục mét) đến hng nghìn kilômét. Theo đặc điểm của
các lực kéo trở lại vị trí cân bằng thì các sóng ny có thể phân c
xoáy thế vị [50]. Những ví dụ điển hình v
xoáy chỉ có thể tồn tại ở các tần số dới quán tính
(
f<

, ở đây

sin2=f
,
f
tham số Koriolis,

tần số quay
Trái Đất,


vĩ độ), tức tại các chu kỳ lớn hơn 12 giờ. Các sóng
loại ny đợc nghiên cứu chi tiết trong các chuyên khảo [14, 27, 51,
70] v không thuộc chủ đề công trình ny. Sau ny, theo gơng
Munk [264] chúng tôi dùng các thuật ngữ các sóng di hay các
dao động sóng di để ám chỉ các sóng di trọng lực với các tần số

thấp hơn các sóng thủy triều.
Các sóng trọng lực đợc gây nên bởi lực trọng trờng hay lực
nổi. Những sóng ny qui định tính chất của những chuyển động ở
các tần số trên quán tính. Trong công trình ny sẽ xem xét các
sóng di chính áp, tức các chuyển động không phụ thuộc vo
những biến thiên mật độ nớc biển (

) v biểu lộ rõ nhất ở những
dao động của mực nớc biển. So sánh với thủy triều hay nớc dâng
bão thì những dao động ny l những dao động nền. Các dao động
nền của mực nớc đại dơng (background sealevel oscillations)
hay, nh ngời ta vẫn gọi l nhiễu sóng di tự nhiên v l đối
tợng chính của công trình nghiên cứu ny.
Đặc điểm quan trọng của các dao động sóng di nền đó l
chúng phụ thuộc yếu vo sự quay của Trái Đất. Trong đại đa số các
bi toán khảo sát những dao động ny có thể không tính đến sự
quay của Trái Đất. Nh vậy trong số ba tham số chính của môi
trờng biển quyết định tính chất của những chuyển động sóng
trong đại dơng:
f
,

v
h
[27] chỉ có độ sâu của chất lỏng (
h
)
l có vai trò đáng kể trong sự hình thnh nhiễu sóng di tự nhiên.
Hình 0.1. Phổ các sóng trọng lực trong đại doơng
Thờng ngời ta cho rằng các dao động mực nớc đại dơng

với chu kỳ từ một vi chục giây đến một số giờ tạo thnh nhiễu
sóng di tự nhiên, đợc hình thnh bởi những quá trình khí quyển,
cả do tác động trực tiếp của những thăng giáng khí áp v gió lên
7 8

mặt đại dơng lẫn do sự tán xạ các thnh tạo sóng di vĩ mô hay
nớc dâng bão trên những bất đồng nhất địa hình đáy v đờng bờ
(hình 0.2). Vì vậy ngời ta gọi những dao động tơng ứng của mực
nớc đại dơng l dao động gió áp. Tuy nhiên, gần đây đã phát
hiện ra rằng một nguồn quan trọng của nhiễu sóng di l các sóng
gió. Một nguồn bên ngoi mạnh mẽ nh sóng bão, do sự tơng tác
phi tuyến sẽ truyền năng lợng vo các sóng di, hơn nữa trong
một số trờng hợp (ở những vùng nớc nông v trong bão lớn)
những sóng ny có thể đạt tới độ cao mấy chục xăng ti mét, còn
thông lợng năng lợng chuyển vo các tần thấp diễn ra đến tận
những chu kỳ 3540 phút. Tuy nhiên, thông thờng chu kỳ điển
hình của những dao động ny bằng 0,55 phút v ở đới ven bờ
những dao động ny đã đợc ngời ta biết tới với tên gọi mạch
động vỗ bờ. Lần đầu tiên những sóng ny đợc Munk phát hiện
[263], ông đã cho rằng chúng hình thnh ở đới sóng vỗ bờ do kết
quả phá hủy sóng gió (từ đó sinh ra tên gọi trên đây). Tuy ,
ởng
ững sóng
ny
nhiên
những quan trắc tiếp theo v nghiên cứu lý thuyết đã cho thấy
những sóng nh vậy tồn tại v thậm chí có thể phát sinh trực tiếp
oi khơi đại dơng. Trong phổ năng lợng tổng quát của các
sóng đại dơng, những sóng ny chiếm một vùng ngay cạnh các
sóng trọng lực thông thờng (sóng gió v sóng lừng). Vì vậy

Kinsman [225] đã đề xuất gọi chúng l các sóng ngoại trọng lực.
Ngy nay thuật ngữ ny đợc dùng chung để chỉ những sóng với
chu kỳ từ 30 giây đến một số phút.
Trong công trình ny, chúng tôi sẽ gọi những sóng có liên
quan trực tiếp về mặt phát sinh tới các quá trình khí quyển l các
sóng gió áp (sóng AB), còn những sóng di tạo thnh do kết quả
tơng tác phi tuyến của các sóng trọng lực ngắn l các sóng ngoại
trọng lực (sóng IG) (xem hình 0.2). Nếu sử dụng nguyên tắc phân
loại nguồn gốc phát sinh ny thì các dải tồn tại của nh
có thể giao nhau, tuy nhiên chu kỳ v bớc sóng điển hình của
các sóng AB v các sóng IG khác biệt nhau khoảng 12 bậc.
Chính hai loại sóng ny sẽ l đối tợng chính trong nghiên
cứu của chúng tôi. Các qui mô đặc trng của sóng AB gần tơng
ứng với kích thớc vùng thềm, còn qui mô đặc trng của sóng IG
kích thớc đới ven bờ. Sự trùng hợp ny không phải ngẫu nhiên,
m liên quan tới cơ chế hình thnh những chuyển động đó. Vì vậy
không có gì ngạc nhiên khi các sóng AB biểu lộ rõ nhất trong đới
thềm, còn các sóng IG ở gần bờ.
Hình 0.2. Sơ đồ phát sinh các sóng di trọng lực trong đại doơng
Mặc dù khác nhau về bản chất, các sóng AB v các sóng IG có
rất nhiều nét giống nhau về cấu trúc v đặc điểm. Có cùng những
yếu tố sóng tham gia hình thnh nên chúng: đó l các sóng ven
inh ra bởi hiệu ứng bẫy sóng v ống dẫn sóng (đối với các sóngs
9 10

AB thì đới bẫy sóng v tập trung năng lợng l vùng thềm, đối với
các sóng IG vùng ven bờ), các sóng phát xạ (gây nên hiện tợng
ộng hởng thềm v cấu trúc các dao động đứng trên hớng đờng
bờ), những hợp phần cỡng bức thuần túy (đối với các sóng AB
những hợp phần ny liên quan tới các sóng khí quyển, còn đối với

các sóng IG các nhóm sóng gió) v.v Tất cả những điều đó cho
phép nghiên cứu hai loại sóng ny theo những quan điểm thống
nhất, dĩ nhiên có tính tới những đặc thù riêng của chúng.
Dao động lắc (setxi) l một kiểu dao động trọng lực quan trọng
đó l những dao động riêng của chất lỏng hình thnh ở những
thủy vực tự nhiên kín hoặc kín một phần. Chu kỳ điển hình của
dao động lắc ở các cảng, vũng v các vịnh không lớn, bằng từ vi
chục giây đến một số giờ, tức tơng ứng với dải chu kỳ đợc xem
ét trong công trình ny. Những nguyên nhân gây nên dao động
lắc có thể l rất nhiều, nhng quan trọng nhất trong số đó l các
uá trình khí quyển, sóng gió v sóng thần. Thông thờng dao
động lắc trong các thủy vực có cửa mở đợc phát sinh không phải
o tác động trực tiếp của những nhân tố bên ngoi tác động tới
vùng nớc bên trong, m do các sóng đại dơng đi tới qua cửa. Nh
ậy, các sóng AB hình thnh trên vùng thềm bên ngoi, dới tác
động của những nhân tố khí quyển, hay các sóng IG gây nên bởi sự
tơng tác phi tuyến của sóng gió, khi xâm nhập vo vùng nớc bên
trong sẽ phát sinh ở đó những dao động lắc sộng hởng. Về phơng
diện ny thì các sóng thần l mối đe dọa đặc biệt nhất, song trong
một số trờng hợp các dao động lắc do các sóng AB sinh ra cũng có
thể có tính chất gây thảm họa (196, 260]. Vì vậy, nghiên cứu dao
động lắc gắn liền với các sóng áp v sóng ngoại trọng lực l hợp lí.
Thực tế tất cả các só u kỳ từ một số giây đến
mh
lệc ác
òng chảy
đó suy ra từ định
của các sóng
ngữ các sóng
sát thấy trên

cũng đợc gộp
c
(

x
q
d
v
ng trong dải ch
ột số giờ l các sóng trọng lực. Chúng đợc gọi l các sóng chên
h hay đó có csóng xoáy tạo thnh trong đới ven bờ khi ở
chênh lệch mạnh [128, 282]. Sự tồn tại của những sóngd
luật bảo tồn xoáy thế. Những chu kỳ điển hình
ny l 1015 ph, vì vậy đôi khi ngời ta dùng thuật
siêu ngoại trọng lực [149]. Các sóng ny đ
ợc quan
nền những sóng trọng lực thông thờng, vì vậy chúng
vo công trình nghiên cứu ny.
11 12