®¹i häc quèc gia Hμ Néi Iu P §oronhin V Ë t l ý ® ¹ i d − ¬ n g Biªn dÞch Ph¹m V¨n HuÊn Nhμ XuÊt b¶n ®¹i häc quèc gia Hμ Néi МИНИСТЕРСТВО ОБРА3ОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИ[.]
®¹i häc quèc gia Hμ Néi МИНИСТЕРСТВО ОБРА3ОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Iu P §oronhin VËt lý Ю đại dơng федерации в качестве учебного пособия для студентов всыших учебных заведений, ôằ, ôằ Biên dịch: Phạm Văn Huấn Nh Xuất đại học quốc gia H Nội - 2000 2.5 Hệ phơng trình tổng quát nhiệt động lực học đại dơng Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra Mục lục Mở đầu Nhiệm vụ môn học v phơng pháp nghiên cứu Mối liên hệ vật lý đại dơng với môn khoa học khác Cấu tạo nớc nh− mét vËt thĨ vËt lý Tμi liƯu tham kh¶o bổ sung Chơng Cơ sở nhiệt tĩnh học đại dơng 1.1 Những định nghĩa nhiệt tĩnh học nớc biển 1.2 Phơng trình trạng thái nớc biển 1.3 Các đặc trng vật lý nhiệt nớc biển 1.4 Quá trình đoạn nhiệt 1.5 Các tiêu phân tầng mật độ phơng thẳng đứng đại dơng Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra Chơng Những định luật biến đổi đặc trng nhiệt động lực học đại dơng 2.1 Phơng trình chuyển động nớc biển 2.2 Phơng trình liên tục v phơng trình khuếch tán muối 2.3 Các phơng trình biến đổi lợng đại dơng nh hệ nhiệt động lực học 2.4 Phơng trình biến đổi entropy v phơng trình truyền nhiệt 7 10 13 24 25 25 34 40 50 55 59 60 61 61 69 73 Chơng Những tính chất v mô tả rối đại dơng 3.1 Định nghĩa rối 3.2 Lấy trung bình phơng trình nhiệt động lực học 3.3 Các hệ số trao đổi rối chất thể 3.4 Phơng trình cân lợng rối 3.5 Mật độ phổ đặc trng rèi 3.6 Rèi quy m« võa vμ quy m« lín 3.7 Nguyên lý mô tả xác suất rối đại dơng quy mô lớn Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra Chơng Những quy luật trình nhiệt muối 4.1 Phân tích bậc đại lợng số hạng phơng trình truyền nhiệt v khuếch tán muối 4.2 Các phơng trình cân nhiệt v cân muối 4.3 Những quy luật trao đổi nhiệt v muối đại dơng với khí qun 4.4 BiÕn ®ỉi nhiƯt ®é vμ ®é mi líp đại dơng trao đổi nhiệt v nớc với khí 4.5 ảnh hởng bất đồng xáo trộn rối tới trắc diện thẳng đứng nhiệt độ v độ muối nớc biển 4.6 Đối lu tự v cỡng đại dơng 4.7 Biến đổi nhiệt độ v độ muối dòng biển Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiÓm tra 78 84 88 88 89 89 95 103 110 118 132 136 141 142 143 143 152 159 173 185 189 208 217 218 Ch−¬ng Những tính chất vật lý băng biển 5.1 Sự hình thnh v tăng trởng tinh thể băng 5.2 Thnh phần pha băng biển 5.3 Các đặc trng vật lý nhiệt băng biển 5.4 Những quy luật chung tăng trởng v tan băng biển 5.5 Những tính chất học băng biển 5.6 Diễn biến băng dới tải trọng Ti liệu tham khảo bỉ sung C©u hái tù kiĨm tra 220 220 227 234 Chơng Các tợng điện từ đại dơng 6.1 Những tính chất điện từ vĩ mô nớc v băng biển 6.2 Các phơng trình mô tả trờng điện từ đại dơng 6.3 Từ trờng Trái Đất 6.4 Trờng điện từ đại dơng chất động lực học sóng bề mặt gây nên 6.5 Sự phát sinh trờng điện từ dòng biển 6.6 Lý thuyết dòng địa điện đại dơng Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra 276 243 257 266 274 274 276 286 289 Ti liệu tham khảo bổ sung Câu hỏi tự kiểm tra 380 Chơng Âm học đại dơng 8.1 Những định nghĩa 380 8.2 Các phơng trình lan truyền sóng âm 387 8.3 Các đặc trng lợng cđa sãng ©m 392 8.4 Trun ©m qua ranh giíi môi trờng có mật độ khác 396 8.5 Sự khúc xạ tia âm 401 8.6 Biến đổi cờng độ âm với khoảng cách 408 8.7 Sự phản xạ v tán xạ sóng âm 417 8.8 Các nhiễu âm 423 Ti liệu tham khảo bổ sung 431 Câu hỏi tù kiÓm tra 431 292 302 311 318 319 320 Chơng Quang học đại dơng 7.1 Các định nghĩa 320 7.2 Sự hấp thụ ánh sáng nớc biển 323 7.3 Sự tán xạ ánh sáng n−íc biĨn 328 7.4 Sù suy u ¸nh s¸ng bëi n−íc biĨn 337 7.5 Sù ph¸t quang cđa n−íc biĨn 341 7.6 Độ chiếu sáng đại dơng 347 7.7 Độ rọi trờng ánh sáng 356 7.8 Phơng trình vận chuyển ánh sáng đại dơng 360 7.9 Độ nhìn thấy đối tợng dới nớc 365 7.10 Mu biển 372 377 378 nhiên đợc lm sáng tỏ mở đầu Nhiệm vụ môn học v phơng pháp nghiên cứu Vật lý đại dơng nghiên cứu tính chất vật lý nớc biển v định luật đặc trng cho trạng thái đại dơng v trình vật lý diễn nó; nghiên cứu mối quan hệ qua lại tham số khác nớc biển v trình vật lý; xem xét mối phụ thuộc trình đại dơng vo nguyên nhân gây nên chúng Trong cần xác lập cách định tính mối liên hệ nhân quả, m đa biểu diễn toán học mối liên hệ Nhiệm vụ môn học không l nghiên cứu trình, m xem xét khả sử dụng mối liên hệ nhân để đa dự báo tợng vật lý, dự báo l đỉnh cao cuối m tất khoa học Trái Đất vơn tới Bản thân dự báo l nhiệm vụ trực tiếp giáo trình, nhng để nghiên cứu phơng pháp dự báo đợc đặt móng vật lý đại dơng Đỉnh cao thứ hai m khoa học Trái Đất muốn vơn tới l khuyến cáo sử dụng tự nhiên lợi ích loi ngời m không lm tổn hại sinh thái trạng thái Về nguyên tắc, khuyến cáo có së khoa häc mét vËt lý cđa c¸c qu¸ trình đợc nghiên cứu kỹ lỡng v hệ cã thĨ n¶y sinh ng−êi can thiƯp vμo trình tự Việc đảm bảo thông tin trình vật lý đại dơng v xu thÕ cđa chóng cho c¸c tỉ chøc kinh tÕ vμ tổ chức khác đòi hỏi phải có tri thức quy luật phát triển trình Không phải trình độ hiểu biết trình ny hay trình đại dơng đủ cao Đôi khi, t liệu thực nghiệm lm ngời ta phải xét lại quan niệm đà hình thnh trớc đặc điểm diễn biến trình v nguyên nhân gây nên Trong giáo trình ny trình by quy luật trình vật lý diễn đại dơng đợc phát sở t liệu thực nghiệm thu thập đợc tới cuối kû 20 Th«ng tin míi cã thĨ dÉn tíi sù hon thiện xét lại luận điểm đà đợc trình by Những tính quy luật cha đợc lm rõ đến nh trình diễn đại dơng phép mô tả gần đợc nêu sách giáo khoa nhằm lm cho sinh viên khỏi có ấn tợng l đại dơng đà đợc nghiên cứu đến tận cùng, để khơi dậy sinh viên niềm ham muốn tự tham gia giải nhiệm vụ đà đợc nêu lên Khoa học đạt tới kết đáng kể sử dụng đợc công cụ toán học Điều ny l do: thay mô tả trình tự nhiên cách định tính gần đúng, toán học cho phép xác định tiêu định lợng cờng độ trình v xác lập mối liên hệ giải tích nguyên nhân v hệ Vì vật lý đại dơng áp dụng rộng rÃi công cụ toán học Bởi trình đại dơng diễn điều kiện địa lý tự nhiên cụ thể, có lẽ công cụ toán học no mô tả đợc thật chi tiết, nên mô tả trình b»ng to¸n häc ng−êi ta hay sư dơng phÐp trõu tợng hóa bỏ nét quan trọng Trừu tợng hóa cng mạnh v cng rộng quy luật tìm đợc áp dụng lớp tợng cng rộng hơn, nhng đồng thời trình tính toán cng khác biệt với trình thực Ví dụ, đà biết quy luật tăng nhiệt độ lớp đại dơng theo tăng lên dòng xạ Mặt Trời v nhiệt lợng từ khí Tuy nhiên, biến thiên nhiệt độ thực tế khác biệt với biến trình chung mức độ m đặc điểm địa phơng thủy vực cha đợc kể tới tính toán: phân tầng mật độ, độ dẫn nhiệt, bình lu nhiệt dòng biển v.v Mô tả trình toán học đáng quý l chỗ áp dụng trừu tợng hóa ví dụ ny cho phép sử dụng quy luật tăng nhiệt độ theo tăng lên lợng nhiệt tới tất đại dơng v biển Trong số nhân tố tác động muôn hình muôn vẻ cần nhận v tính đến quan trọng v bỏ thứ yếu Nhiều trình đại dơng đợc mô tả phơng trình phức tạp, cha thể có đợc nghiệm dới dạng giải tích Trong trờng hợp ny máy tính điện tử loại trợ giúp, chúng cho phép nhận đợc nghiệm cụ thể số bi toán Thay đổi tham số khác v số hạng phơng trình tạo hội đánh giá vai trò tham số hay nhân tố no trình vật lý đợc mô Đối với nhiều trình vật lý chí cha biết đợc quy luật phát triển chung v mối liên hệ chúng với môi trờng địa lý xung quanh giai đoạn phát triển nhận thức chúng ta, với trình nh hợp lý l nghiên cứu mô hình hóa trờng, mô hình tái tạo thật tỷ mỉ điều kiện tự nhiên tỷ lệ thu nhỏ v trình cần nghiên cứu đợc tái lập theo tham số bên ngoi Đơng nhiên, phải ý tuân thủ điều kiện đồng dạng trình phòng thí nghiệm v trình đại dơng hay biển tự nhiên Nh vậy, phơng diện phơng pháp luận nhiệm vụ không l nghiên cứu quy luật vật lý đại dơng chủ yếu đà biết, m l lm quen với phơng pháp nghiên cứu Mối liên hệ vật lý đại dơng với môn khoa học khác Đại dơng tiếp giáp với thạch v khí quyển, tất trình đại dơng phụ thuộc vo trao đổi chất v lợng với môi trờng Vật lý đại dơng liên hệ mật thiết với vật lý khí quyển, hai môn cïng cã nhiỊu nhiƯm vơ khoa häc vμ thùc tiƠn gần gũi với Điều ny đợc phản ánh chỗ nghiên cứu vấn đề chung ngời ta liên kết hải dơng học v khí tợng học vo khái niệm Khí tợng thủy văn Xét theo tính chất nhiệm vụ cần giải v phơng pháp nghiên cứu môn vật lý đại dơng cã thĨ xem nh− mét bé phËn cđa vËt lý, hay xác hơn, địa vật lý môn khoa học đề cập tới tập hợp tợng vËt lý xt hiƯn trªn hμnh tinh cđa chóng ta vμ nã bao gåm c¸c bé phËn nh− vËt lý khí quyển, vật lý thạch quyển, vật lý đại dơng v.v Giữa phận có nhiều thứ chung, đặc biệt vật lý khí v vật lý đại dơng, nhng đồng thời chúng đề cập 10 tần số cao với cực đại tần số vi trăm Hz Cực đại phổ nhiễu nhuyễn thể, tôm nằm giới hạn từ số đơn vị đến vi chục kHz Cực đại áp suất phỉ nhiƠu cđa c¸ b»ng 10 −1 − 10 −2 Pa/Hz0,5, nhiƠu cđa c¸c loμi gi¸p x¸c − nhá bậc Cá voi phát âm đặc biệt lý thú áp suất âm chúng quy dẫn khoảng cách m từ nguồn 102104 Pa Cá phát nhiễu mạnh vo thời kỳ đẻ trứng, tức tồn biến trình nhiễu chu kỳ năm, ngy liên quan tới hoạt động cá Việc nghiên cứu âm đại diện động vật biển phát có ý nghĩa thực tế lớn hải dơng học nghề cá, cho phép dùng phơng pháp định vị thụ động, tức theo nhiễu phát nơi tập trung cá Nhiễu kỹ thuật sóng âm phát từ công trình khác Đó l nhiễu từ tầu, công trình kỹ thuật, công trình cảng, công trình bờ; vận hnh dao động đất đợc truyền cho nớc Phần đóng góp lớn vo nhiễu biển khơi thuộc nhiễu tầu Chúng nhiễu chân vịt, rung chấn thnh tầu v nhiễu lắc dòng nớc sống tầu v sóng bọt mũi tầu gây nên Tồn mối liên hệ tỷ lệ thuận tốc độ quay chân vịt, số cánh chân vịt v tần số nhiễu dẫn tới đỉnh phần phổ tần thấp khoảng vi chục Hz Hình 8.14 Các băng dao động âm cđa sinh vËt biĨn a − t«m , b họ cá vây rộng, c cá-ếch Những tín hiệu loi cá voi độc đáo, tạo thnh phổ hẹp nằm khoảng số Hz v dải tần kHz Tất phổ có hình dạng đặc biệt cho phép phân biệt chúng thuộc đối tợng định v áp suất âm đặc biệt 429 Quá trình tạo bọt khí gây nên nhiễu tần số cao Tập hợp tất trình đà liệt kê dẫn tới chỗ khoảng nhiễu tầu trải rộng từ 10 đến 103 Hz Từ hình 8.13 thấy phổ nhiễu tầu khác biệt với nhiễu khác, cho phép phân biệt chúng Điều ny đợc dùng rộng rÃi phát tầu v ngầm phơng tiện âm học Trong xác định đợc loại tầu Phổ tất loại nhiễu dẫn hình 8.13 tỏ phức tạp v tách đợc nhiễu từ đối tợng cụ thể 430 trờng hợp khác biệt tần số v møc so víi c¸c nhiƠu kh¸c vμ cã thĨ läc đợc Ti liệu tham khảo bổ sung Под ред Л М Бреховских Части 1, 2, М., Наука, 1974 Акустика океана Под ред Дж Де Санто Пер с англ Глава М., Мир, 1982 Алексеев Г В Математические основы акустики океана (Учебное пособие) Главы 1, 2, , , 1988 Sự phân tầng đại dơng ảnh hởng nh no tới quỹ đạo tín hiệu âm v cờng độ âm dọc quỹ đạo? Các biên kênh âm ngầm đợc xác định nh no v kênh âm ngầm có đặc trng gì? Các quy luật khúc xạ phơng ngang tín hiệu âm l gì? Sự suy yếu âm đại dơng phụ thuộc nh no vo tần số tín hiệu phát? Phơng trình thủy định vị l gì? Vì xuất hiện tợng âm vọng đại dơng? 10 Các nhiễu âm đại dơng đợc phân biệt v giá trị thực tế chúng l gì? 11 Bản chất phận âm học gọi l thám âm lát cắt l gì? ., ., Корепин Е А., Должиков А К Гидроакустическая техника исследования и освоения океана Главы 1, Л., Гидрометеоиздат, 1984 Бреховских Л М., Лысанов Ю П Теоретические основы акустики океана Л., Гидрометеоиздат, 1982 264 с Бреховских Л М., Лысанов Ю П Акустика океана В кн.: Океанология Т Гидродинамика океана Глава М., Наука, 1978 C©u hái tù kiĨm tra Tại thực tế để tính tốc độ âm đại dơng không dùng công thức giải tích xác m l công thức gần đúng? Những u điểm v nhợc điểm quan điểm sóng v quan điểm tia mô tả lan truyền âm đại dơng l gì? áp suất âm v cờng độ âm biến đổi với khoảng cách nh no sóng âm phẳng, hình trụ v hình cầu chất lỏng lý tởng? 431 432 ... phËn nh− vËt lý khÝ qun, vật lý thạch quyển, vật lý đại dơng v.v Giữa phận có nhiều thứ chung, đặc biệt vật lý khí v vật lý đại dơng, nhng đồng thời chúng đề cập 10 tần số cao với cực đại tần số... cứu Vật lý đại dơng nghiên cứu tính chất vật lý nớc biển v định luật đặc trng cho trạng thái đại dơng v trình vật lý diễn nó; nghiên cứu mối quan hệ qua lại tham số khác nớc biển v trình vật lý; ... thủy văn Xét theo tính chất nhiệm vụ cần giải v phơng pháp nghiên cứu môn vật lý đại dơng xem nh− mét bé phËn cña vËt lý, hay chÝnh xác hơn, địa vật lý môn khoa học đề cập tới tập hợp tợng vật lý