Nghiên cứu độ ổn định của nước biển trong vùng biển Nam Trung Bộ : Luận văn ThS. Hải dương học: 60 44 97

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
21
năm )…………………………………………………….
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………………….
Bảng 3.2 Giá trị max và min độ ổn định của nước biển tại các trạm
gần bờ …………………………………………………….
Bảng 3.3 Giá trị max và min độ ổn định của nước biển tại các trạm
xa bờ ……………………………………………………...
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) …………………...

4

23
29
29
44


DANH MỤC CÁC HÌNH
STT
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 3.1
Hình 3.2

Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13

Nội dung
Trang
Biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc vào độ muối của nhiệt độ tỷ
trọng cực đại và nhiệt độ đóng băng ……………………...
4
Biến đổi của độ ổn định thẳng đứng theo độ sâu …………
12
Sơ đồ tách các lớp có năng lượng bất ổn định ……………
15
Sơ đồ vị trí các điểm đo trong vùng biển Nam Trung Bộ ..
24
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 25 ………………………………………………
26
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 56 ………………………………………………
26
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước

biển trạm 76 ………………………………………………
27
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 89 ………………………………………………
27
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 90 ………………………………………………
28
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 4 ……………………………………………….
31
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 5 ……………………………………………….
31
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 6 (đông) ………………………………………..
32
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 6 (hè) …………………………………………..
32
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 8 ……………………………………………….
33
Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 10 ………………………………………………
33
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) …………………………………………
Hình 3.15 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 15 ………………………………………………
Hình 3.16 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 23 ………………………………………………
Hình 3.17 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 24 ………………………………………………
Hình 3.18 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 26 ………………………………………………
Hình 3.19 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 27 ………………………………………………
Hình 3.20 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 28 ………………………………………………
Hình 3.21 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 29 ………………………………………………
Hình 3.22 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 30 ………………………………………………
Hình 3.23 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 33 (đông) ………………………………………
Hình 3.24 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 33 (hè) …………………………………………
Hình 3.25 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 35 (đông) ………………………………………
Hình 3.26 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 35 (hè) ………………………………………….
Hình 3.27 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước

biển trạm 36 ………………………………………………
Hình 3.28 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 38 ………………………………………………
Hình 3.29 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 39 ………………………………………………

6

34
35
35
36
36
37
37
38
38
39
39
40
40
41
41
42


Hình 3.30 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 57 ………………………………………………
Hình 3.31 Phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối và độ ổn định nước
biển trạm 67 ………………………………………………

Hình 3.32 Phân bố tại các tầng có độ ổn định nước biển cực đại ……
Hình 3.33 Nguyên lý lặn tĩnh của tàu ngầm …………………………

7

42
43
48
49


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 ……………………………………………….

8

54


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
5
10
15

3,95
2,93
1,86
0,77

0,00
- 0,27
- 0,53
- 0,80

20
25
30
35

-0,31
-1,40
-2,47
-3,52

-1,07
- 1,35

- 1,63
- 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
-1

τ

-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.
Mật độ nước biển S

t
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
 4 

(1.1)

Về trị số, mật độ nước biển được xác định theo trọng lượng riêng
của nước biển tại nhiệt độ 17,5C là S
Trọng lượng riêng S

0
17,5
hoặc tại nhiệt độ 0C là S

4
17,5

17,5
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
nước cất cùng nhiệt độ đó. Trọng lượng riêng S

0
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 ,
 17,5 

(1.2)

 0 
 0   S  110 3.
 4 

(1.3)

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
p
a

14

(1.4)


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)

  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

a o
dp
c
p
p

pa

  T exp 

(1.6)

Bảng 1.2: Biến đổi nhiệt độ đoạn nhiệt khi độ sâu biến đổi.

Khoảng cách
từ đáy (km)
δT(°C)

0

1

2

4

8

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


  
 pot    , p a , S    ( , p, S )     dp   ( , p a , S ) (1.8)
p 
pa 
 ,S
p

Xét biến thiên của mật độ theo độ sâu, ta có:
d 




dS 
dT 
dp
S
T
p

(1.9)

Biết rằng T = θ + δT, ta có:

d  dS  d (  T ) 



dp S dp T
dp
p

(1.10)

Trong điều kiện đại dương lý tưởng, nhiệt độ và độ muối không đổi
theo độ sâu:

dT dS

0
dp dp

(1.11)

 d 
  
 
  
cos nt
 dp TS cos
 p 
nt

(1.12)

và:

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
p

  S ,T , 0 (  p


)
p

(1.14)

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

16


kp  
thì:

1

 S ,T , p

 S ,T , p

p

(1.15)


p
kp 
1  p
p

(1.16)

Khi áp suất bằng 0 (p = 0) thì kp = α. Như vậy:

 S ,T ,0
p

  S ,T ,0 ;

 S ,T , 0
p




 S ,T , 0

(1.17)

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

kT  k 

1   
 
  p  T , S

(1.18)

và độ nén đoạn nhiệt:

k 

1   
 
  p  , S

(1.19)

Với định nghĩa vận tốc lan truyền sóng âm, ta có:

 p 
c   
    , S



c2 

1
k

(1.20)

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
0
dp

;

d
0
dp

(1.21)

ta có:
  
      dT 
     
      
     

G

p

p

T
dp

p

T




  A  

 A  
17

(1.22)


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
dp dp

(1.23)

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  A  S ,T , p  p  A  S ,T , 0
 p  A

(1.24)

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:

0



dS 
dT
S
T

  
 
dS
T
  

dT
  
 
 S 

(1.26)

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 

 ( z  z )   ( z )     z
 dz  a

(1.27)

còn mật độ của môi trường xung quanh lại biến đổi khác.

 d
 ( z  z )   ( z )  
 dz


z


(1.28)

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.

ga 

g


 d   d 
    z

 dz  a  dz 

(1.29)

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.

N2 

g


 d   d  

 
   
dz
dz



a 


Tần số này được gọi là tần số Brunt - Vaisialia.

20

(1.30)


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.
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:

  dT 
  dp 
 d 


 

 
 
 dz  a T  dz  a p  dz 

(1.31)

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

d  dT  dS  dp



dz T dz S dz p dz

(1.32)

Thay các biểu thức (1.31), (1.32) vào phương trình (1.30) ta có:

N2 

g


 

 T

 dT  dT    dS 


 


dz
dz

 a  S dz 


(1.33)

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

21


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 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 5oC 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.

22


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.
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:

dE ko  Mg (1 


) dz


(1.34)

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
23



 

dz
E ko  Mg  1 




z1
z2

(1.35)

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:

 w2
dw
dw
dE ko  M
dz  M
wdt  Md 
dt
dt
 2






(1.36)

từ đó:

 2E

w   ko  wo 
 M


(1.37)

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.

24


Chương 2: CÔNG THỨC TÍNH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ
CÁCH TÍNH ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN
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

25