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

NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN TRONG VÙNG BIỂN NAM TRUNG BỘ. Các quá trình xảy ra trong biển và đại dương đều bị chi phối bởi các quy luật vật lý cơ bản của...

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) [...]... đặc trưng nhiệt độ và độ muối khác nhau 22 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 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... tính toán độ ổn định thẳng đứng của nước biển đã được nhân với 108 (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... 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... 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 19 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... trạm đo thuộc vùng biển Nam Trung Bộ Các kết quả tính toán độ ổn định thẳng đứng của nước biển tại một số trạm thuộc vùng biển Nam Trung Bộ được thể hiện trong các bảng ở phần phụ lục và tổng hợp cho thấy: Thông thường, theo tính toán của tần số Brunt - Vaisialia thì độ ổn định thẳng đứng của nước biển tăng lên từ mặt đến độ sâu nêm nhiệt mùa (thermocline) nơi nó đạt cực đại, sau đó độ ổn định giảm dần... 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... nguyên nhân là hoạt động nước trồi gió mùa tây nam. [5] Vùng ngoài khơi Nam Trung Bộ nói chung duy trì độ mặn cao trong toàn năm: trong mùa đông lưỡi nước lạnh có độ mặn cao 33,4%o xậm nhập xuống sát vùng này, còn trong mùa gió tây nam, đường đẳng mặn 33%o và 27 cao hơn cũng áp sát vào dọc bờ biển do hoạt động của nước trồi gió mùa tây nam [5] 3.2 Phân tính đánh giá độ ổn định của nước biển theo phương thẳng... 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... đo trong vùng biển Nam Trung Bộ Về đặc điểm nhiệt độ và độ mặn khu vực biển Nam Trung Bộ cho thấy: vùng nước ven bờ Nam Trung Bộ là khu vực có nền nhiệt thấp trên toàn vùng biển Việt Nam, giá trị nhiệt độ luôn thấp hơn 270C theo số liệu thống kê nhiều năm và có thể gặp giá trị thấp nhất đến 24-260C theo số liệu khảo sát của các tàu Liên Xô và của các đề tài thuộc chương trình, nguyên nhân là hoạt động . 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. 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