Nghiên cứu độ ổn định của nước biển trong vùng biển nam trung bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
……………………

Phạm Trí Thức

NGHIÊN C ỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN
TRONG VÙNG BI ỂN NAM TRUNG BỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012
1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
....................................

Phạm Trí Thức

NGHIÊN C ỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN
TRONG VÙNG BI ỂN NAM TRUNG BỘ
Chuyên ngành: H ải 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 lu ận văn này, em xin g ửi lời cảm ơn chân thành
và sâu s ắc 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 H ải dương học; các
bạn học viên trong lớp; Cục Cán bộ - Bộ Quốc phòng đã ch ỉ dẫn và
đóng góp những lời quý báu, tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt để em
hoàn thành khóa h ọc và lu ận văn.
Trong quá trình học tập và th ực 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 thi ện luận văn.
Em xin chân thành c ảm ơn!
Hà N ội, ngày 10 tháng 12 năm 2012
HỌC VIÊN
Phạm Trí Thức

3


STT
Bảng 1.1 Nhiệt độ tỷ trọng cực đại và đóng băng phụ thuộc độ mặn.
Bảng 1.2 Biến đổi nhiệt độ đoạn nhiệt khi độ sâu biến đổi…………
Bảng 2.1

Tính độ ổn
năm )……
Bảng 3.1

Tọa độ của

trạm đo thu
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

4


STT
Hình 1.1

Nội
Biểu

trọn
Hình 1.2

Biến

Hình 1.3

Sơ đ

Hình 3.1

Sơ đ

Hình 3.2

Phâ

biển
Hình 3.3

Phâ

biển
Hình 3.4

Phâ

biển
Hình 3.5

Phâ

biển
Hình 3.6

Phâ

biển
Hình 3.7

Phâ

biển
Hình 3.8

Phâ

biển
Hình 3.9

Phâ

biển
Hình 3.10

Phâ

biển
Hình 3.11

Phâ

biển
Hình 3.12

Phâ

biển
Hình 3.13

Phâ

biển

5


Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16
Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22
Hình 3.23
Hình 3.24
Hình 3.25
Hình 3.26
Hình 3.27
Hình 3.28
Hình 3.29

6

Hình 3.30
Hình 3.31
Hình 3.32
Hình 3.33

7


Mục lục
MỞ ĐẦU …………………………………………………………...........
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ………………………………………..
1.1. Cơ sở lý thuyết về trường mật độ của nước biển ……………………
1.2. Khái niệm nhiệt độ thế vị, mật độ thế vị, gradien mật độ của nước
biển ………………………………………………………………………
1.2.1. Nhiệt độ thế vị …………………………………………......
1.2.2. Mật độ thế vị và gradien mật độ của nước biển …………….
1.3. Điều kiện ổn định thẳng đứng của nước biển ……………………….
1.4. Năng lượng bất ổn định của nước biển ………………………..........
Chương 2: CÔNG THỨC TÍNH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ
CÁCH TÍNH ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN …….
2.1. Công th ức tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển ………………
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 ……………………………………
2.2.2. Cách tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển ……………
Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ỨNG DỤNG NGHIÊN C ỨU ĐỘ
ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN …………………… 23
3.1. Khái quát và s ố liệu tại một số trạm đo trong vùng bi ển 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 bi ển 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 KI ẾN NGHỊ …………………………………………... 52
TÀI LI ỆU THAM KHẢO ………………………………………………. 54

8


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 y ếu 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 h ết sức quan trọng trong các quá trình hải dương học.
Cho đến nay chưa có nhiều đề tài nghiên c ứu 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 n ội và nghiên c ứu 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 ngh ĩa 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 gi ới của các
lớp nước có gradien mật độ lớn - lớp nhảy vọt mật độ, giới hạn của các
khối nước có ngu ồn gốc khác nhau, các đới hội tụ và phân k ỳ 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 s ố liệu vùng bi ển Nam Trung Bộ, phân tính đánh

giá độ ổn định của nước biển theo phương thẳng đứng và theo mùa t ại
một số trạm đo thuộc vùng bi ển 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 t ắt 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 bi ển 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 su ất. 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 4 0C 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 tr ị 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
5
10
15

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 tr ị 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 h ơn gọi là nước biển [4].
0

C
4

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

Hình 1.1. Biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc vào độ muối của
nhiệt độ tỷ trọng cực đại và nhi ệt độ đóng băng.

Sự tồn tại của những hạt hòa l ẫn 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 h ỏi 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 ph ải 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 t ử ít có
ý

ngh ĩa 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 nhi ều 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 kh ảo 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 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
tính bằng:
13



t


t





Về trị số, mật độ nước biển được xác định theo trọng lượng riêng
17,5
0
của nước biển tại nhiệt độ 17,5C là S
hoặc tại nhiệt độ 0C là S
17,5

Trọng lượng riêng S

17,5

4

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
0
nước cất cùng nhi ệt độ đó. Trọng lượng riêng S 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:

(1.2)

(1.3)


0

) gọi là trọng

Trọng lượng riêng quy ước tại nhiệt độ 0C
( lượng riêng chuẩn của nước biển [2].
1.2. Khái ni ệm 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.



 , S   T , pa


14


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:

Bằng cách sử dụng công thức tích ph
(

dT



T o a

dPC p

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

Khoảng cách
từ đáy (km)
δT(°C)
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 nhi ệt độ
thế vị thì nhiệt độ thực tế sẽ khác nhau, ngược lại khi chúng có cùng nhi ệt

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.


15


 , p , S   (, p, S ) 


pot

a

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



d 



Biết rằng T = θ + δT, ta có :

d



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

và:

 d 


 dp T 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 th ể viết:



S ,T , p



S ,T ,0

(1  p)

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 v ế theo áp suất p, ta có:


S ,T , p

p


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

16

kp
thì:

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



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

k
T

và độ nén đoạn nhiệt:

k 


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

c


(1.15)

(1.18)

(1.16)

(1.19)

(1.17)

(1.20)

Đối với đại dương thực tế mật độ là hàm c ủa độ sâu và áp su ất
theo công th ức (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:
(1.21)
ta có :



(1.22)








17


trong đó G là gradien nhiệt độ đoạn nhiệt.
Gradien nhiệt độ toàn phần được thể hiện như sau:

dT
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 su ất 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).



(1.24)








Một cách tổng quát có thể viết như sau:

G
S ,T , p

G

(1.25)

  GT,pGS,p.....

S ,T ,0

Trong trường hợp mật độ không đổi dρ = 0, ta có :
(1.26)

0

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 m ật 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 t ố 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 z)  



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

(z z)  

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.

 d 
g

Trong điều kiện khi gradien mật độ bằng gradien mật độ đoạn nhiệt
thì lực Ascimed sẽ bằng 0 và phân t ầng mật độ được xem là phiếm định.


19


Nếu gradien đoạn nhiệt lớn hơn gradien môi trường thì khi z > 0 mật độ
nước dịch chuyển sẽ lớn hơn mật độ môi trường sẽ chìm xuống, còn khi z
< 0 mật độ sẽ nhỏ hơn mật độ môi trường và tiếp tục đi lên, ta có th ể 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
z > 0, mật độ nhỏ hơn mật độ môi trường bắt buộc nước đi
lên, còn khi

z < 0 thì mật độ lại lớn hơn mật độ môi trường làm nước

chìm trở lại. Ta nói trường hợp này có s ự 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 th ể 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 th ức (1.29) chia cho một đơn vị khoảng cách và lấy dấu ngược lại.
2

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

20

