Vorobiev hai duong hoc dai cuong phan 2 cac qua trinh dong luc

V. N. VOROBIEV, N. P. SMIRNOV

HẢI DƯƠNG HỌC ĐẠI
CƯƠNG
Phần 2 – Các quá trình động lực học

NXB Đại học Quốc gia Hà Nội - 2006

Biên dịch: Phạm Văn Huấn

Từ khóa: Dịng chảy, hồn lưu nước, lực nội sinh, lực ngoại sinh, dịng chảy qn tính, dịng chảy địa chuyển, dịng chảy trơi,
mực nước, thủy triều, triều sai, sóng gió, sóng nội, sóng thần, dao động lắc, tài nguyên sinh vật, tài ngun khống vật, năng
lượng sóng, năng lượng thủy triều, năng lượng dòng chảy.

Tài liệu trong Thư viện điện tử Trường Đại học Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho
mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ
các mục đích khác nếu khơng được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả


®¹i häc quèc gia Hμ Néi

МИНИСТЕРСТВО ОБРА3ОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

V. N. Vorobiev, N. P. Smirnov

В. Н. ВОРОБЬЕВ, Н. П.

Hải dơng học

đại cơng



Phần 2: Các quá trình động lực học

2.

Biên dịch: Phạm Văn Huấn









,
ôằ,
ôằ

Nh Xuất bản ®¹i häc quèc gia Hμ Néi

Санкт-Петербург
1999


Mục lục
Lời nói đầu...............................................................................4

Mở đầu..................................................................................... 5
Chơng 1 - dòng chảy v hon lu nớc đại dơng..............9
1.1. Những lực cơ bản tác động trong đại dơng..............9
1.1.1.............................................................Các lực nội sinh
9
1.1.2..........................................................Các lực ngoại sinh
12
1.1.3.............................................................Các lực thứ sinh
13
1.2. Các dòng chảy quán tính............................................. 17
1.3. Các dòng chảy địa chuyển.........................................20
1.3.2. Độ nghiêng của các mặt đẳng thể tích trong dòng
chảy. 21
1.3.3. Phơng pháp động lực tính dòng chảy địa chuyển
22
1.4. Lý thuyết dòng chảy trôi ổn định..............................27
1.4.1........................Lý thuyết của Ekman đối với biển sâu
27
1.4.2.....................Lý thuyết của Ekman đối với biển nông.
31
1.4.3............................Sự phát triển của các dòng chảy trôi
33
1.5. Lý thuyết các dòng chảy građien................................34
1.6. Các hiện tợng dâng rút ở đới ven bờ.......................36
1.7. Hon lu nớc đại dơng........................................... 39
1.7.1......................................Các hệ thống hon lu chính
39
1.7.2.. . .Các đặc điểm biến tính hon lu nớc theo độ
sâu..........................................................................44

3

1.7.3. Đặc trng tóm tắt về các dòng chảy của Đại dơng
Thế giới............................................................................47
1.8. Những đặc điểm hon lu nớc ở đới xích đạo của Đại
dơng Thế giới...................................................................... 53
1.9. Hon lu nớc Bắc Băng Dơng.................................56
1.10................................................Các xoáy trong đại dơng
57
1.11. Các front đại dơng...................................................62
Chơng 2 - Sóng trong đại dơng.......................................65
2.1. Phân loại sóng v những yếu tố cơ bản của sóng......65
2.2. Cơ së lý thuyÕt sãng tr«c«it........................................ 68
2.3.

4


Năng lợng sóng trôcôit 74
2.4. Lý thuyết cơ sở về c¸c sãng dμi
75
2.5. C¸c nhãm sãng
78
2.6. Sù xt hiƯn vμ ph¸t triĨn cđa sãng giã
80
2.7. Phơ thc cđa sãng giã vo tốc độ, thời gian tác động
của gió v đ
84
2.8. Các đặc trng thống kê của sóng gió
86

2.9. Sự biến dạng của sóng gió khi tiến về phía bờ
88
2.10. Những độ cao sóng quan trắc đợc trong đại dơng
91
2.11. Sóng nội.
94
2.12. Dao động lắc
96
2.13. Sóng thần
98
Chơng 3 - Thủy triều trong đại dơng
...............................................................................................
100
3.1. Những quy luật vật lý cơ bản hình thnh thủy triều
100
3.1.1................................................................................Th
ủy triều v các lực tạo thủy triều
100
3.1.2................................................................................Th
ế vị của các lực tạo triều
105

3

3.1.3................................................................................Lực
tạo triều..................................................................106
3.2. Cơ sở lý thuyết tĩnh học về thủy triều.....................107
3.3. Đặc trng tổng qu¸t vỊ thđy triỊu............................110
3.3.1................................................................................C¸c
u tè thđy triỊu chÝnh vμ c¸c chuyên từ.............110

3.3.2................................................................................Phâ
n loại thủy triều...................................................... 112
3.3.3.Những quy luật địa lý cđa dao ®éng mùc n−íc thđy
triỊu
..............................................................................................
.... 115
3.4. TriỊu sai.......................................................................116
3.4.1................................................................................TriỊ
u sai ngμy............................................................... 116
3.4.2................................................................................TriỊ
u sai pha (nưa th¸ng)..............................................117
3.4.3................................................................................TriỊ
u sai chÝ tun......................................................119
3.4.4................................................................................TriỊ
u sai tháng thị sai.................................................. 120
3.4.5................................................................................Các
triều sai chu kỳ di................................................ 121
3.5. Khái niệm về thuyết động lực học thủy triều...........122
3.5.1................................................................................Nhữ
ng nhợc điểm của thuyết tĩnh học thủy triều.. .122
3.5.3. Đặc điểm truyền các sóng thủy triều trong Đại
dơng Thế giới
........................................................................................
127
3.6. Phân tích điều hòa thủy triều................................. 131
3.6.1................................................................................Khai
triển điều hòa hm thế vị lùc t¹o triỊu...............131

4

3.6.2................................................................................Phân tích điều hòa số liệu quan trắc mực nớc
3.7. Các thủy triều chu kỳ di............................................137
3.8. Những hiện tợng kiểu thủy triều ở đại dơng........140
3.9. Mực nớc đại dơng...................................................144
3.9.1................................................................................Khái niệm về mực nớc trung bình
144
3.9.2................................................................................Các dao động mực nớc ngắn hạn không tuần hon
3.9.3................................................................................Những biến thiên mực nớc theo mùa
147
3.9.4................................................................................Biến thiên mực nớc nhiều năm
148
Chơng 4 - Ti nguyên sinh vật, khoáng vật v năng lợng của
đại dơng
...............................................................................................
150
4.1. Ti nguyên sinh vật của Đại dơng Thế giới................150
4.1.1................................................................................Sản phẩm sơ cấp. 152
4.1.2................................................................................Động vật phù du
157
4.1.3................................................................................Sinh vật đáy 158
4.1.4................................................................................Động vật biết bơi
159
4.1.5................................................................................Sử
dụng ti nguyên sinh vật đại dơng trong hiện tại. 161 4.2.
Ti nguyên khoáng vật của đại dơng
165
4.2.1................................................................................Ti nguyên dầu v khí biển 165
4.2.2................................................................................Các khoáng sản dạng rắn ở đáy đại dơng
167

4.2.3................................................................................Th
u nhận các nguyên tố đa v vi lợng từ nớc biển ... 168
4.2.4. Quặng kết hạch sắt măng gan
170
4.2.5. Kết hạch phosphorit.............................................. 171
4.3. Sử dụng năng lợng đại dơng vμ nh÷ng tÝnh chÊt vËt
lý cđa n−íc biĨn trong ngμnh năng lợng
171
4.3.1................................................................................Sử dụng các tính chất vật lý của nớc biển
172
4.3.2................................................................................Năng lợng sóng đại dơng 173
4.3.3................................................................................Năng lợng thủy triều đại dơng 174
4.3.4................................................................................Sử dụng năng lợng của các dòng biển
175

5

6

134

145


Tμi liƯu tham kh¶o................................................................ 176

5

6

Hơn hai mơi năm đà trôi qua, chơng trình môn
học
đà biến đổi, đà có nhiều dữ liệu mới trên cơ sở
những

Lời nói đầu
Do một số nguyên nhân, sách giáo khoa về hải
dơng học đại cơng đợc xuất bản thnh hai phần.
Phần 1 Hải dơng học đại cơng: Các quá trình vật
lý của tác giả V. N. Malinhin xuất bản năm 1998. Phần
2 Hải dơng học đại cơng: Các quá trình động lực
học, của các tác giả V. N. Vorobiev v N. P. Smirnov, l
phần kết thúc của giáo trình hải dơng học đại
cơng. Cả hai ti liệu học tập đều

đợc viết theo

chơng trình hiện hnh của môn học đợc thông
qua năm 1996.
Việc xây dựng chơng trình môn học Hải
dơng học
đại cơng v sự hình thnh môn học ny ở Đại học
Quốc

gia Khí tợng Thủy văn Nga (trớc đây l

Trờng Đại học Khí tợng Thủy văn Lêningrat) gắn liền
với

tên

tuổi

của

các

giáo

s

Vsevolođ

Vsevolođovich Timonov, ngời sáng lập ra Khoa hải
dơng học ở trờng ny, v Leoniđ Aleksanđrovich
Giukov, tác giả cuốn giáo khoa đầu tiên v l một
trong những cuốn giáo khoa tốt nhất về hải dơng
học đại cơng xuất bản năm 1976.
7

8


Phù hợp với sơ đồ kinh điển, việc trình by các
quá trình động lực học trong đại dơng đợc bắt
nghiên cứu thực nghiệm v lý thuyết về Đại dơng
Thế

giới. Tuy nhiên, những cơ sở nền tảng của môn

học vẫn nh xa. Vì vậy, trong khi chuẩn bị cuốn
sách giáo khoa mới dựa trên những bi giảng của một

đầu từ nghiên cứu hon lu nớc trong đại dơng, sau
đó đến sóng vμ ci cïng lμ thđy triỊu, vμ tuy r»ng
thđy triỊu cũng l quá trình sóng, nhng nó khá đặc
thù v đợc nghiên cứu riêng.
Chơng cuối cùng của sách không đề cập trực

trong các tác giả trong vòng bảy năm cho sinh viên
Khoa hải dơng học, thì cuốn sách giáo khoa của L.

tiếp

A. Giukov đợc sử dụng nh một

nhng nó

trong những

đến việc nghiên cứu động lực học đại dơng,
rất liên quan tới động lực học. Bởi vì sự

nguồn văn liệu chính. Đồng thời, trong khi viết sách,

sống trong đại dơng bị chi phối rất nhiều bởi các

ở mức độ no đó cũng đà sử dụng những kết quả

quá trình động lực. Vấn đề khai thác năng lợng từ

nghiên cứu của nhiều tác giả khác, ngời đọc có thể

đại dơng cũng nh vËy.
Tμi liƯu gi¸o khoa nμy thùc chÊt lμ mét dÉn ®Ị tíi

thÊy mét sè trong sè ®ã ë danh mơc ti liệu khuyến

giáo trình chuyên đề Động lực học đại dơng v nó

cáo dẫn ở cuối sách.

giúp khái

7

8


quát một cách khá đầy đủ, hầu nh ton bộ bức

nhiệm phân ban Tơng tác đại dơng v khí

tranh các

quyển của

quá trình động lực trong đại dơng,

nhng không quá chi

tiết hóa v quá nhiều những

dẫn đề lý thuyết. Một sinh viên ham hiểu biết luôn có

Cực, giáo s G. V. Alekseev về những nhận xét phê
bình v góp ý m chúng

thể lm sâu rộng tri thức của mình thông qua đọc
văn liệu của các nh khoa học Nga, những ngời đÃ
từng có đóng góp cơ bản cho sự nghiệp nghiên
cứu động lực học đại dơng nh: Iu. M. Sokalsky, V.
V. Suleikin, N. N. Zubov, V. B. Stokman, I. V. Monhin, B.
A. Kagan, I. N. Đaviđan v nhiều ngời khác, cũng
nh các nh hải dơng học ngoại quốc nổi tiếng với
một loạt sách đÃ
đợc dịch sang tiếng Nga: Lamb A., Neuman G., Perri
A., Volker Đ. v.v..
Cuối cùng, các tác giả by tỏ cảm ơn tới giáo s chủ
nhiệm bộ môn Động lực học đại dơng
Nhekrasov,

A. V.

các giáo s B. A. Kagan vμ V. N. Malinhin,

c¸c phã gi¸o s−
L. N. Kuznhesova vμ P. L. Plink vì những nhận xét quý
báu trong khi đọc duyệt bản thảo. Chúng tôi đặc biệt

cảm ơn những ngời phản biện: chủ nhiệm bộ môn
hải dơng học
Đại học Tổng hợp Quốc gia Sankt-Peterburg V. V. Ionov,
giáo s V. R. Fuks, phã gi¸o s− V. V. Klepikov vμ chđ
9

ViƯn nghiên cứu khoa học Bắc Cực Nam

10


tôi đà tiếp thu.

để giải quyết

Các tác giả cảm ơn giáo s hiệu trởng Đại học
Quốc

gia Khí tợng Thủy văn Nga L. N. Karlin đà luôn

ủng hộ

trong quá trình xây dựng bản thảo, chủ

những vấn đề đời sống quan trọng

của mình. Việc kiếm

thức ăn cho mình từ đại

dơng v sử dụng các đại dơng v biển để di
chuyển dễ dng v nhanh từ nơi ny đến nơi

khác

nhiệm ban biên tập

thì con ngời đà lm từ những thời kì xa xa. Đại

xuất bản I. G. Maksimova v biên tập viên O. Đ.

dơng đang tiếp tục đóng vai trò to lớn trong việc

Reinvers có nhiều công lao hiệu đính v chuẩn bị
bản thảo tới xuất bản.

giải quyết các vấn đề thực phẩm v giao thông. Chỉ
cần nói rằng ba phần t tổng tải trọng lu thông trên
thế giới thuộc về

hng hải v gần 6 % chất đạm

động vật con ngời nhận

Mở đầu

đợc từ đại dơng đà đủ để chứng minh điều

Con ngời nghiên cứu đại dơng trớc hết do
nhu cầu thực tiễn sử dụng các ti nguyên đại dơng

9

đó. Trong tơng lai sắp tới đây, vai trò của các đại
dơng trong việc

giải quyết hai vấn đề ny, nhất

l vấn đề thực phÈm, sÏ

10


tăng lên.

của tu. Để tính đúng thời gian cập vo nhiều cảng,
phải biết v tính đợc thủy triều ở

Về sau, việc nghiên cứu đại dơng đà trở thnh
một

khâu tất yếu để hiểu những nguyên nhân v

quy luật biến
đổi thời tiết v khí hậu trên Trái Đất v khả năng dự
báo chúng. Nhiều cuộc khảo sát thực nghiệm lớn ở đại
dơng l nhằm giải quyết vấn đề ny. Một lý do nữa
thúc đẩy nghiên cứu, đó l đại dơng không chỉ giu
ti nguyên sinh vật, m còn l kho vô tận các ti

đại dơng. Tất cả những vùng giu có nhất về ti
nguyên cá
đều phụ thuộc cách ny hay cách khác vo các quá
trình
động lực trong đại dơng sự hình thnh các
vùng nớc trồi, các đới front, các cấu trúc xoáy, còn
những biến thiên

nguyên khoáng vật, trong khi trên lục địa nhiều loại ti
nguyên trong số ny đang có nguy cơ cạn kiệt. Cuối
cùng, thời gian gần đây, con ngời đang gắn với đại
dơng để giải quyết một trong những nhiƯm vơ
chÝnh u cđa m×nh duy tr× sù tiÕn bé v bảo tồn
cuộc sống trên hnh tinh tạo ra năng lợng sạch sinh
thái.
Giải quyết những vấn đề đó không thể thiếu
hiểu biết các quá trình động lực xảy ra trong đại
dơng. Chẳng hạn,
để xác định đúng tuyến hnh hải của tu (ngắn
nhất v an ton) phải biết các dòng biển cũng nh
cờng độ v tần

suất sóng biển trên

đờng đi

11

12

bất kỳ trong động lực đại dơng có thể có ảnh
hởng lớn tới sản lợng cá. Thí dụ rõ nét nhất l hiện
tợng ElNino ở bờ Pêru. Tại vùng ny, tùy thuộc vo
các quá trình động lực ở nam phần Thái Bình
Dơng m sản lợng cá biến đổi tới một số bậc.
Đời sống v phúc lợi của những ngời sống ven bờ
biển v đại dơng (số ny gần bằng một phần ba
dân

số Trái

Đất) phụ thuộc nhiều vo những hiện tợng động lực
ở đại dơng nh các trận bÃo với tác động hủy hoại
công trình bờ; sóng thần, đôi khi gây thiệt hại to lớn
về ngời v của; nớc dâng bÃo v sóng di gây nên
lũ lụt v.v...

Cuối cùng, các quá trình động lực ở đại dơng có
thể
ảnh hởng đáng kể tới hoạt động của lực lợng hải
quân của các quốc gia. Các cơ quan quân sự của tất
cả những quốc gia có hạm đội hải quân bao giờ cũng
rất chú ý tới đại dơng, nghiên cứu nó v tính đến
các quá trình động lực ở
đại dơng khi giải quyết các nhiệm vụ của mình.
Nớc trong đại dơng liên tục chuyển ®éng. ChØ
cã ®iỊu lμ c−êng ®é chun ®éng biÕn thiªn trong
thời gian v không gian. Các đại dơng chứa đựng
phần lớn ton bộ thế năng m Trái Đất nhận từ Mặt Trời.

Nhiệt lợng Mặt Trời dự trữ trong một cột nớc với diện
tích thiết diện đơn vị vợt trội nhiều lần năng lợng
chứa trong một cột không

11

12


khí của khí quyển hay của đất đá lục địa có cùng

14 lần một ngy. Các trạm phao thiết kế không bị ảnh

diện tích thiết diện. Chính vì vậy, khi tìm kiếm

hởng gió v cho phép ngời ta nhận đợc dữ liệu

những nguồn năng lợng thay thế cách nhận năng

rất độc

lợng bằng phơng thức đốt nhiên liệu khoáng, chúng

đáo về hon lu nớc mặt ở một vùng ít đợc nghiên

ta phải hớng sự chú ý tới đại dơng. Nhiều tính chất

cứu nhất của Đại dơng Thế giới trong một năm liền.

vật lý của các khối nớc ở đại dơng

đợc quy định bởi động lực học của đại dơng, v
để hiểu về các tính chất đó, chỉ có thể bằng cách
nghiên cứu các quá trình động lực đại dơng.
Chính vì thế, những năm gần đây, nghiên cứu
động lực học đại dơng rất đợc chú trọng. Cùng với
mở rộng khảo sát lý thuyết, đà tiến hnh những đợt
thực nghiệm đại dơng quy mô lớn nhằm nghiên cứu
trớc hết l hon lu
đại dơng. Thật vậy, một dự án nghiên cứu cha từng
thấy về quy mô nghiên cứu hon lu lớp mặt đại
dơng đà đợc thực hiện trong thời kỳ đợt Thực
nghiệm ton cầu lần thứ nhất vo năm 1979. Chỉ
riêng ở Nam bán cầu, tại vùng 2065oS đà đặt 300 trạm
phao trôi với khoảng cách nhau

không quá 500 km.

Hệ thống trắc đạc vô tuyến chuyên nghiệp sử dụng
các vệ tinh theo dõi vị trí các phao từ 9 đến

13

14


Cũng tại khu vực ny, ở Nam Dơng
khuôn

*

, trong

khổ các chơng trình POLEXSOUTH, các

năm 19741983 Nga v Mỹ đà cùng nhau thực hiện

độ sâu gần 3000 m tốc độ chảy trung bình có
thể
đạt tới 2030 cm/s, v cực đại 7080 cm/s.

cuộc khảo sát thực nghiệm về cấu trúc v

Các năm 19771978, ở Đại Tây Dơng đà tiến

động lực hon lu nớc Nam Dơng. Ngời ta đÃ

hnh một đợt thực nghiệm hợp tác Nga Mỹ quy mô lớn

nhận đợc những dữ liệu độc đáo về sự biến đổi

POLIMODE phát hiện ra những đặc điểm lý thú

cấu trúc của dòng chảy vòng quanh cực Nam Cực

nhất về cấu trúc v động lực của các xoáy synop đại

theo độ sâu, sự biến động của nó trong thời gian ở

dơng do các

quy mô từ một số giờ đến một năm, động lực học

1967 sau đợt thực nghiệm Polygon67. Cùng thời kỳ

cấu trúc v vị trí của dải front cực Nam Cực. ĐÃ nhận

đó (19671984), ở thủy vực Bắc Băng Dơng đà tiến

những

đợc những dữ liệu lm thay đổi quan niệm rằng
tại những độ sâu lớn ở Nam Dơng các dòng
chảy rất yếu. Chẳng hạn, dữ liệu cho thấy rằng tại

13

nh khoa học Nga phát hiện từ năm

hnh quan trắc theo các chơng trình ICEEXP v
AOBP nhằm nghiên cứu sự trôi

14


băng v ớc lợng thể tích băng trôi từ Bắc Băng

tợng dị

Dơng về thủy vực Bắc Âu, v POLEXPNorth nhằm

ElNino 19821983.

nghiên cứu hon lu v cấu trúc nớc các thủy vực Bắc
Âu v Bắc

Băng Dơng.

Những đợt thực nghiệm lớn do các nớc riêng lẻ
hoặc cộng đồng quốc tế cùng thực hiện trong khuôn
khổ các chơng trình INDEXP, MONEXP v.v.. ®·
nh»m vμo nghiªn cøu hoμn l−u giã mïa trong khÝ quyển
v đại dơng v hon lu nớc ở vùng xích đạo ấn Độ
Dơng.
Nhiều đợt khảo sát thực nghiệm quy mô lớn liên
tục
đợc thực hiện ở Thái Bình Dơng. Mục tiêu chính l
nghiên cứu biến động mùa v giữa các năm của hon
lu nớc, cấu trúc các dòng biển v các quá trình
tơng tác giữa
đại dơng v khí quyển. Thí dụ, từ năm 1979 đến
1984, các quan trắc tiến hnh trong khuôn khổ dự án
Động lực học các dòng chảy ở Thái Bình Dơng của
Mỹ đà cho phép xác
định chính xác cấu trúc của các dòng chảy xiết xích
đạo tầng sâu vμ ln chøng sù ph¸t triĨn cđa hiƯn

15

16

th−êng khÝ hËu lớn ở Thái Bình Dơng


Trong những năm tám mơi, đà đề xuất

trò của chúng trong sự biến động của đại dơng,

những nhiệm vụ, chuẩn bị các chơng trình v bắt

đến các quá trình ton cầu vận chuyển nhiệt v

đầu thực hiện những

muối trong đại dơng v sự ảnh hởng của chúng tới

đợt thực nghiệm quốc tế lớn Đại dơng nhiệt đới

thời tiết v khí hậu Trái

Khí quyển ton cầu v Hon lu Đại dơng Thế

Đất. Hiện nay, phần lớn chơng trình quan trắc đÃ

giới. Các đợt thực nghiệm ny tiếp diễn đến năm

hon tất v đang tiến hnh xử lý v phân tích thông

2000, thời kì quan trắc sôi động nhất l các năm

tin nhận

19901997. Trong thời gian đợt thực nghiệm đồ sộ

đợc. Nh vậy, nghiên cứu động lực học nớc v các

nhất trong ton bộ lịch sử khảo sát hải dơng học

quá trình tơng tác giữa đại dơng v khí quyển đÃ

Hon lu Đại dơng Thế giới, đà nghiên cứu hon

trở thnh những vấn đề cơ bản trong nghiên cứu Đại

lu đại dơng từ quy mô các xoáy không lớn v vai

dơng Thế giới trong những năm gần đây.

*

Vùng nớc cận nam của các đại dơng ở Nam bán cầu (khoảng
trên 40oS), bao quanh lục địa Nam Cực đôi khi đợc gọi theo
trun thèng lμ Nam D−¬ng (ND).

15

16


Chơng 1 - dòng chảy v hon lu nớc
đại dơng

trọng lực g tại bề mặt Trái Đất biến thiên theo vĩ độ.
ở xích đạo, gia tốc trọng lực cực tiểu (9,780 m/s2),
vì tại đây bán kính Trái Đất v lực ly tâm lớn nhất,

1.1. Những lực cơ bản tác động trong đại dơng

còn ở cực giá trị

g đạt cực đại, bằng 9,832 m/s2. Giá

trị thờng chấp nhận của g bằng 9,81 m/s2 ứng với vĩ

Những nguyên nhân lm cho nớc trong đại
dơng

độ 50.
Với độ sâu, trị số của g phải tăng dần, vì bán
kính r

chuyển động có thể chia thnh các nguyên nhân nội
sinh,
xuất hiện trong bản thân đại dơng v các nguyên
nhân
ngoại sinh.

giảm. Nếu ký
hiệu
thì tại độ
sâu z

g0 l gia tốc trọng lực tại mặt đại

dơng,
gia tốc trọng lực dễ dng xác định theo
công

thức

Tất cả những lực trực tiếp lm xuất hiện các dòng
chảy

g g 2,2 106 z .

gọi l các lực nguyên sinh. Tuy nhiên, ngay sau khi các
hạt
nớc bắt đầu chuyển động, sẽ xuất hiện các lực gọi
l thứ sinh, chúng không tham gia lm xuất hiện các

Từ công thức ny thấy rằng, tại độ sâu

Nếu biết sự phân bố của trờng trọng lực, trờng
áp

suất, trờng khối lợng (hay mật độ), thì có thể

có khái

1.1.1. Các lực nội sinh
17

g0 chỉ

5000 m tăng lên khoảng 0,011 m/s2.

dòng chảy,
nhng có khả năng lm biến dạng các dòng chảy. Ta sẽ
xét các lực nêu trên.

(1.1)

0

niệm về trạng thái của biển ở một vùng bất kỳ

dới góc độ các lùc néi sinh.
18


Tr−êng träng lùc. Träng lùc lμ kÕt qu¶ cđa lùc
hÊp
dÉn v lực ly tâm do sự xoay của Trái Đất. Do đó, gia
tốc

Nh vậy, tại độ sâu đại dơng đến 10000 m,
lợng biến thiên của gia tốc trọng lực theo độ sâu chỉ
bằng khoảng non một nửa so với biến thiên của

g từ

xích đạo tới cực. Do đó,
với phần lớn các bi toán hải dơng học, ngời ta chấp
nhận giá trị g không đổi, bằng 9,81 m/s2.
Hớng của g tại mỗi điểm trên đại dơng trùng với
hớng của dây dọi. Mặt phẳng vuông góc với dây dọi
gọi l mặt đẳng thế, hay mặt mức. Qua mỗi
điểm của đờng
thẳng đứng chỉ có thể có một mặt đẳng thế đi
qua.

17

18


Khoảng cách giữa các mặt đẳng thế đợc

lực, thì sai số gặp phải l 2 %.

đo bằng đơn vị công thực hiện để nâng một vật
theo phơng thẳng đứng
chống lại trọng lực. Khi nâng khối lợng 1 kg lên tới ®é
cao
1 m sÏ thùc hiƯn mét c«ng
b»ng

L−u ý r»ng, sau ny ngời ta gọi địa thế vị với
dấu
l độ sâu động lực của điểm
ngợc lại tại độ

đợc xét
sâu z
nếu chấp nhận mặt đẳng
thế tại

2

mgz 1 kg 9,81 m/s 1 m 9,81 J .

z
0

lm mặt không.

Trờng áp suất thủy tĩnh. Nhớ rằng các mặt có

Công 1 J sẽ l công thực hiện khi nâng khối lợng
1 kg lên tới độ cao 1/9,81 = 0,102 m = 1,02 dm.

giá trị áp suất bằng nhau gọi l các mặt đẳng áp.
So với áp suất khí quyển, thì d lợng áp suất
(tính
bằng Pascal) tại độ
(m) sẽ bằng
sâu z

Bierkness gọi
khoảng cách ny l đêximét
động lực.

z

Nh vậy, khoảng cách theo dây dọi bằng 1,02

P    g dz 10 ,
3

dm h×nh häc sẽ tơng ứng với (chứ không bằng)

0

một đêximét động
lực
:

1,02 dm 1 dm
ĐL;

trong đó: tính bằng g/cm3, tính bằng
dz
m,

g tính

bằng

2

m/s .
hay

1 dm  0,98 dm §L.

D2  D1  0,1 .

Từ đây, dễ dng nhận đợc công thức để tính
khoảng

cách thẳng đứng bằng mét động lực:
D 0,1 gz ,

19

20

(1.2)


Khác biệt giữa mét hình học v mét động lực

Giả sử trị số trung bình của mật độ trên khoảng

bằng 2 %, do đó, nếu nh chúng ta xác định hiệu

giữa mặt biển v độ sâu z bằng , ta có

thế vị trên hai mặt

P g z 10 .
3

đẳng thế bằng mét hình học chứ không phải bằng
mét động

(1.3)

Để đo áp suất, Bierkness đà sử dụng một đơn vị
lớn hơn
đêxiba bằng 104 Pascal. Ta thấy 1 ba bằng 105
Pascal. Bierkness đặt tên gọi ny bởi vì áp suất tiêu
chuẩn xấp xỉ bằng trị số ny. (áp suất cột thủy ngân
760 mm bằng 1,013 ba, hay 1013 mb).
NÕu P ®o b»ng dba, ta cã

19

20


P g z /10 .

Bảng 1.1. Liên hệ giữa độ sâu hình học v động lực với áp suất thủy tĩnh

(1.4)
Nhng nếu nhớ lại rằng

áp suất
(dba)

Độ sâu

D 0,1 g z , ta cã thĨ viÕt

H×nh häc

0

500

1000

200
0

3000

4000

500
0

0

496

990

197
5

2956

3933

490
6

P D.

(1.5)
Tõ (1.5) vμ nhí r»ng thĨ tÝch riªng   1/ , suy ra
Phải nhấn mạnh rằng, việc tìm vị trí của các mặt
đẳng

DP.

(1.6)
Nếu ta không sử dụng các trị số trung bình v

áp theo những công thức (1.4), (1.5) v (1.7) chỉ thỏa
mÃn

, thì liên hệ giữa P vμ D sÏ cã d¹ng:
D

P    dD
0

P

vμ

D    dP ,

(1.7)

nÕu so víi mỈt biĨn. NÕu do tác dụng của các ngoại lực
(áp suất khí quyển, tác động gió) m mặt biển bị
nghiêng, thì

0

trong đó mật độ riêng in situ, thể tích riêng in
situ.

động lực tại nơi quan trắc áp suất P khi biết quy luật
phân bố (P) . Trong bảng

Theo các phơng trình ny, dễ dng tính đợc
áp suất tại độ sâu ®éng lùc D nÕu biÕt quy luËt ph©n
bè mËt ®é theo độ sâu, hoặc tính đợc độ sâu
21

22


1.1 dẫn những trị số áp suất, độ sâu v độ sâu

độ nghiêng ny bổ sung vo độ nghiêng tìm đợc

động lực tơng ứng tại t 0 oC v S 25 %o có tính đến

của các

độ nén của n−íc.

st hiƯn thùc sÏ b»ng tỉng c¸c tr−êng ¸p st bên

Thấy rõ từ bảng 1.1 rằng các giá trị tơng ứng
của áp suất, độ sâu hình học v độ sâu động lực l

trong xác định bởi trờng mật độ v trờng bên
ngoi phụ thuộc vo các ngoại lực.
Phải nhấn mạnh rằng, việc tìm vị trí của các mặt
đẳng

bằng nhau với
độ chính xác 4 %. Điều ny rất thuận tiện sử dụng
trong các tính toán sau ny.

mặt đẳng áp ở dới sâu. Do đó, trờng áp

áp theo những công thức (1.4), (1.5) vμ (1.7) chØ tháa
m·n

nÕu so víi mỈt biĨn. NÕu do tác dụng của các

ngoại lực (áp suất khí quyển, tác động gió) m mặt
biển bị nghiêng, thì
độ nghiêng ny bổ sung vo độ nghiêng tìm đợc

của các

mặt đẳng áp ở dới sâu. Do đó, trờng áp

suất hiện thực sẽ bằng tổng các trờng áp suất bên
trong xác định bởi trờng mật độ v trờng bên
ngoi phụ thuộc vo các ngoại lực.
Trờng khối lợng (trờng mật độ). Ngoi
trờng

21

22


trọng lực v trờng áp suất, việc xác định các lực nội
sinh

trên mặt biển v theo nghĩa ny nó còn phụ thuộc

đòi hỏi phải biết phân bố khối lợng, tức phân bố

vo độ nhám của mặt biển, tức độ gợn sóng mặt

mật độ hay thể tích riêng. Vì vậy, ngoi các họ mặt

biển v phân

đẳng thế v

mặt biển.

tầng nhiệt ở lớp không khí ngay sát

đẳng áp, phải biết họ các mặt đẳng khối, tại các

Lực ma sát gió gây nên các dòng chảy trôi rất phổ

mặt đó các giá trị mật độ l bằng nhau, hoặc các

biến ở lớp mặt đại dơng. Từ lâu, ngời ta đà biết

mặt đẳng thể tích, nơi có các giá trị thể tích riêng

rằng nguyên nhân chính của dòng chảy ở lớp trên của

l bằng nhau.

đại dơng l sự

Trờng khối lợng dễ dng nhận đợc dựa trên số
liệu các trạm thủy văn. Rõ rng, nếu nh theo số liệu
quan trắc chúng ta nhận đợc

độ nghiêng của các

cho nớc. Tuy nhiên, cơ chế của quá trình ny cha
phải đà đợc hiểu đến cùng. Vì vậy, căn cứ để tính
toán lực ny l những kết quả khảo sát thực nghiệm.
Các quan trắc trên biển v trong phòng thí

nghiệm cho

mặt đẳng thể tích so với các mặt đẳng thế, thì
điều đó chứng tỏ có sự tồn tại các građien áp suất
phơng ngang liên quan tới sự bất đồng
nhất cđa tr−êng mËt ®é  (P
/ x) .

trun trùc tiÕp xung lợng từ gió

thấy rằng, với tốc độ gió (cm/s) v mật độ không khí
V
a
(g/cm3) thì lực ma sát tiếp tuyến

1.1.2. Các lực ngoại
sinh
Các lực ngoại sinh l những lực tác dụng lên các
phần
tử nớc từ bên ngoi môi trờng nớc biển. Có một

tác động lên 1

cm2 mặt biển đợc tÝnh b»ng c«ng thøc:
5

  k aV 10

Trong c«ng thøc (1.8)

nhóm ngoại lực đặc biệt gồm các lực nguồn gốc thiên

k

văn, trớc
23

24

(N/cm2).

(1.8)

hệ số tỉ lệ, gọi l hệ số
trở


thờng l

hết l các lực tạo triều gây nên dòng chảy triều. Một
nhóm

kháng hay hệ số ma sát bề mặt. Với mặt
biển, k

ngoại lực khác thì liên quan tới việc khí quyển truyền

hm chỉ của tốc độ gió. Mặc dù đà có nhiều công

năng lợng cơ học của nó cho đại dơng.

trình tính toán hệ số ny, chúng ta mới chỉ biết đặc
điểm biến đổi đại
thể của khi tăng tốc độ gió v bậc đại lợng của nó.
k
Có

Lực lôi kéo của gió. Gió tác động lên mặt đại
dơng,
tạo ra lực ma sát. Lực ny phụ thuộc vo mật độ
không khí v cờng độ gió. Nó liên quan tới profile tốc
độ gió ở bên

23

những quan điểm khác nhau về đặc điểm biến đổi
của hệ số
trở kháng. Thí dụ, J. Wy (1969) nhận đợc kết luận
rằng,

24


tại tốc độ gió từ 1 đến 15 m/s k tăng dần theo
công thức
k 0,5 V

1/ 2

G x

3

Các dòng biển đợc gây nên bởi lực ny gọi l các

10

với điều kiện tốc độ gió đợc đo ở độ cao 10 m bên


trên mặt biển. Với V 15 m/s «ng chÊp nhËn k  2,6 10 3 l
hằng số. Tuy nhiên, nhiều tác giả khác không thừa
nhận sự đột biến của giá trị k tại V 15 m/s. Vì vậy, S.
Smith v E. Bunk (1975) đề xuất công thức sau đây
để xác định k :

dòng chảy građien. Nếu các dòng biển liên quan
tới sự biến đổi
độ nghiêng đờng đẳng áp dới tác động của áp
suất khí

quyển thay đổi thì gọi l các dòng chảy

građien áp suất, còn do nớc dâng v nớc rút ở gần
vùng bờ dòng bù trừ hoặc dòng do nớc sông. Lu ý
r»ng, nÕu tr−êng ¸p suÊt khÝ

3

10 k  0,63  0,66 V 0,23 .

quyển không đổi,

thì địa hình mặt tù do thÝch øng víi nã vμ sù bÊt
®ång ®Ịu tĩnh học ổn định của trờng khí áp

Ngời ta vẫn đang tiếp tục tìm những mối liên
hệ tin
cậy hơn
giữa k

P
.
x

không
gây nên các dòng chảy trong đại dơng.

v V
.

Chuyển động m gió gây nên tại thời điểm ban

nớc dâng v nớc rút ở gần vùng bờ, sự xuất hiện độ

đầu ở lớp nớc mỏng sát mặt sau đó đợc truyền

nghiêng mặt đẳng áp do tăng lợng nớc sông, giáng

xuống những lớp sâu hơn do độ nhớt v rối.

thủy hoặc ngợc lại bốc hơi nhiều v.v.. cũng dẫn

Lực gây bởi độ nghiêng mặt biển dới tác
động của các ngoại lực. Một tác động bất kỳ của khí

tới građien áp suất phơng ngang trong nớc biển. Lực
građien áp suất ngang G xác định theo công thức:

quyển lm thay đổi độ nghiêng của các mặt đẳng
áp sẽ dẫn tới xuất hiện građien áp suất phơng
ngang. Sự biến đổi áp suất khí quyển, các hiƯn t−ỵng
25

26