VẬT lý đại DƯƠNG - PHẠM văn HUÂN biên dịch

VẬT LÝ ĐẠI DƯƠNG - PHẠM VĂN HUÂN biên dịch

®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 môi trờng khác tính chất vật lý, nhiều trình vật lý diễn khác Tơng quan chung phận địa vật lý biểu diễn sơ đồ: Địa vật lý Vật lý khí Vật lý thủy Vật lý đại dơng Vật lý thạch Vật lý nớc lục địa Cách phân loại ny trọng vo đối tợng m tính chất v trình vật lý đợc đề cập phận Có quan điểm phổ biến vật lý đại dơng nh l phận khoa học chung đại dơng hải dơng học, đề cập tới tính chất v trình hóa học, hình thái đáy v đờng bờ, động vật v thực vật đại dơng v.v Trong trờng hợp ny ngời ta nhấn mạnh đặc điểm tính chất đợc xem xét đại dơng v trình diễn Hai hệ thống phân loại ny hợp lý nh nhau, nhng nghiên cứu vật lý đại dơng hệ thống thứ hay diễn theo cách khác tùy thuộc vo nồng độ muối nớc nêu phụ thuộc mật độ nớc, nhiệt độ đóng băng, đặc điểm tạo thnh băng biển vo độ muối Trong trờng hợp cuối không nồng độ chung muối nớc muối thay đổi, m tỷ lệ chúng thay ®ỉi C¸c tÝnh chÊt ®iƯn tõ cđa n−íc biĨn cịng phụ thuộc mạnh vo độ muối Vì vậy, tínhđến thμnh phÇn hãa häc cđa n−íc cịng lμ cÇn thiÕt để giải vấn đề vật lý hớng ny Đồng thời mức độ no phải coi vật lý đại dơng l khoa học địa lý, nghiên cứu trình vật lý cần nhớ rằng: với nhiều nét chung, song trình vật lý diễn có phần khác tùy thuộc vo mùa v vị trí địa lý vùng m chúng đợc xem xét Ví dụ, trình hình thnh hon lu nhiệt muối phụ thuộc vo vị trí địa lý vùng nghiên cứu, địa hình đáy, hình dạng bờ, tác động khí v.v Nhiều trình vật lý đại dơng v biển vĩ độ cực diễn theo cách khác so với vĩ độ trung bình v nhiệt đới có mặt, ví dụ, băng Một số phần vật lý đại dơng l phận giáo trình vật lý đại cơng Đó l nhiệt động lực học, quang học, điện học, âm học v.v Khác biệt l chỗ trờng hợp ny trình đợc nghiên cứu áp dụng vo môi trờng cụ thể, tức trừu tợng Sự tất yếu phải tính đến môi trờng địa lý biểu lộ đặc biệt rõ trờng hợp no cần đa ớc lợng định lợng đặc trng trình vật lý cho vùng lựa chọn địa phơng dự báo đây, yêu cầu tăng cao độ xác mô tả trình buộc ta phải giảm thiểu mức độ trừu tợng hóa v tính đến đặc thù địa phơng túy Vật lý đại dơng liên quan mật thiết với hóa học đại dơng Chỉ cần nhận xét nớc biển l dung dịch gần nh tất nguyên tố hóa học Nhiều trình vật lý đại dơng Không gắn bó mật thiết với vật lý, khí tợng học, hóa học, địa lý học, vật lý đại dơng liên quan không phần chặt chẽ với loạt môn khoa häc thc diƯn thùc 11 12 dơng vμ kü tht HiƯn nay, xt hiƯn nhu cÇu rÊt bøc xóc phải giải kịp thời vấn đề nh nghiên cứu nguyên nhân lm ô nhiễm nớc đại dơng v biển v đề giải pháp đấu tranh víi « nhiƠm Cã thĨ nhËn thÊy r»ng thËm chí vùng khơi đại dơng đà có khu vực nớc bị ô nhiễm với diện tích hng nghìn km2 Điều vừa nêu buộc chúng ta, nghiên cứu phần tơng ứng môn vật lý đại dơng, phải hớng tới môn học kế cận Kết nghiên cứu giáo trình vật lý đại dơng l lm quen với trình diễn đại dơng, không l nghiên cứu quy luật định đặc điểm trình đại dơng, m l tạo kỹ phơng pháp luận nghiên cứu, có đợc khái niệm vấn đề no cần phải giải trớc CÊu t¹o cđa n−íc nh− mét vËt thĨ vËt lý NhiỊu tÝnh chÊt vËt lý vμ hãa häc cđa nớc v nớc biển dị thờng so với chất có công thức hóa học tơng tự (H2Te, H2Se, H2S) Những tính chất dị thờng nh l: biÕn ®ỉi mËt ®é n−íc, sù biÕn ®ỉi thĨ tÝch nớc đóng băng, phụ thuộc nhiệt độ đóng băng vo áp suất, số đặc trng nhiệt v.v Để hiểu v giải thích tính chất nớc trạng thái pha khác trớc hết phải xem xét phân tử H2O Nghiªn cøu cho thÊy r»ng nhiỊu tÝnh chÊt hãa häc nớc bị chi phối cấu tạo phân tử, tạo xung quanh trờng điện từ đặc biệt, định hớng phân tử nớc tơng 13 ®èi víi vμ liªn kÕt chóng Mét sè tÝnh chất phân tử nớc đà đợc lý giải nhờ khảo sát thực nghiệm, số khác đến cha thể kiểm tra thực nghiệm, m đợc giải thích lý thuyết sở mô hình phân tử Tổng quan đầy đủ công trình nghiên cứu cấu trúc v tính chÊt cđa n−íc cã c¸c cn s¸ch [1, 3] Theo chơng trình môn học, tính chất phân tử túy nớc l đối tợng giáo trình ny, nhng phải biết đến giải thích nhiều tính chất nớc biển v băng Vì vậy, phần mở đầu ny cung cấp mét sè dÉn liƯu vỊ cÊu tróc cđa n−íc ngät v băng nh tính chất rút từ dới dạng ngắn gọn Lý thuyết quỹ đạo phân tử, tức lý thuyết tập hợp vị trí có điện tử, đà đa quan niệm cấu tạo nguyên tử nớc Giả định cặp điện tử với spin hớng đối ngợc chuyển động theo quỹ đạo Trong tám điện tử nguyên tử oxy cặp điện tử thứ nằm quỹ đạo hình cầu s1 gần hạt nhân v liên hệ vững với hạt nhân, cặp điện tử thứ hai nằm quỹ đạo hình cầu s xa hạt nhân v liên hệ với hạt nhân vững hơn, cặp điện tử thứ ba phân bố quỹ đạo hình cầu, m l quỹ đạo vòng tròn p z Hai điện tử lại phân bố hai quỹ đạo p x v p y theo kiểu điện tử quỹ đạo, hai quỹ đạo ny nằm mặt phẳng vuông góc với quỹ đạo trớc (hình 1) Vì điện tử ny l điện tử cặp, nên chúng tơng tác với điện tử quỹ đạo thứ hai nguyên tử hydro, tạo thnh liên hệ O H Cho với liên kết đơn giản nh điện tử oxy v hydro 14 góc liên hệ O H phải l 90o Tuy nhiên, lực đẩy nhân hydro v ảnh hởng bổ sung điện tử quỹ đạo s (hiệu ứng lai hóa) m góc tăng lên tới 104,5o nhân tạo mô men lỡng cực lớn, 1,86 D Những điện tử lại không góp phần vo mô men lỡng cực chung vị trí đối xứng chúng hạt nhân oxy Khi xem xét tham số phân tử H2O phải nhớ hạt nhân nguyên tử không ngừng dao động gần vị trí cân Vì khoảng cách hạt nhân, chiều di liên hệ O H , v góc chúng không ngừng biến đổi Về trung bình chiều di cđa liªn hƯ O − H b»ng 0,96 ⋅ 10 10 m Trong dao động chiều di liên hệ lẫn góc chúng biến đổi đến 58 % Khi nghiên cứu tính chất lợng khác nớc, điều quan trọng l phải có quan niệm lợng phân tử H2O Năng lợng chung đợc xác định hiệu lợng phân tử bất động v phận cấu thnh phân bố khoảng cách lớn vô tận so với Tổng thứ sau trạng thái tách giÃn lớn so với trạng thái liên kết l−ỵng 2080,6 eW (1 eW = 1,6 ⋅ 10 −19 J) Đây l động phân tử, 10,1 eW Hình Sơ đồ phân bố quỹ đạo lai hóa phân tử nớc aa liªn hƯ O − H , b′ vμ b′′ − cặp lai không phân chia Sự lai hóa điện tử quỹ đạo s v p z oxy dẫn tới chỗ gần hạt nhân hình thnh hai khu vực điện tích Chúng phân bố đối xứng với mặt phẳng m có liên hệ O H Kết l phân tử nớc có đợc cấu tạo tứ diện với hai khu vực tích điện dơng lân cận hạt nhân hydro v hai khu vực tích điện âm gần hạt nhân oxy Bốn cực ny cho phép phân tử nớc tạo với phân tử láng giềng bốn liên hệ hydro Sự phân bố hạt nhân hydro v oxy v điện tử lai hóa đặc trng phân tử nớc dẫn tới chỗ mô men liên hệ O H v mô men hạt 15 lm thnh lợng liên kết điện tử Năng lợng cần để phá bỏ liên hệ O H (để phân ly) 0o K 4,4 eW Sự phân ly phân tử nớc 0o K thnh H + v OH đòi hỏi 5,11 eW lợng Nội phân tử chuyển đổi pha biến đổi Thật vậy, sôi biến đổi 0,39 eW, nóng chảy 0,06 eW Tồn ba đồng vị ổn định hydro v oxy, đồng vị ny liên kết víi Phỉ biÕn nhÊt lμ tỉ hỵp H1 O16 − n−íc b×nh th−êng D−íi 0,3 % thĨ tÝch nớc tự nhiên l tổng tất đồng vị lại 16 Mặc dù cấu tạo tất đồng vị phân tử nớc nh nhau, nhiều đặc trng vật lý tỏ khác Các chiều di liên hệ O H v góc chúng, mô men quán tính v.v có khác Nhng phân tử đồng vị có tỷ phần nhỏ nớc tự nhiên nên chúng không định tính chất vĩ mô nớc khoảng cách 2,76 10 10 m, tạo thnh hình tứ diện Khi Trớc xem xét cấu tạo nớc nên khái quát cấu trúc pha thái cực không trật tự nớc v pha trật tự băng Trong trờng hợp nớc lực tơng tác phân tử tồn tại, nhng phân tử không liên hệ nhiều thnh khối liên kết no Về nguyên tắc nhờ có mô men lỡng cực m phân tử H2O định hớng tơng Khi chóng cã thĨ hót hay ®Èy tïy thc vo định hớng chúng Trên hình biểu diễn khối liên kết năm phân tử H2O (để cho trực quan chúng đà đợc thể thnh viên hình cầu), vị trí tơng hỗ liên hệ O H [2] Nếu liên kết phân tử nằm bên ngoi với mặt phẳng đợc khối tứ diện với phân tử nằm bên trong, tạo thnh góc 109,5o với với phân tử nằm bên ngoi Những ớc tính lực tác động xa cho thấy với khoảng cách phân tử 10 10 10 m lực vi phần trăm giá trị cực đại chúng v thực tế không ảnh hởng tới hnh vi tơng hỗ phân tử Trong khoảng cách trung bình phân tử, xuất phát từ mật độ nớc, xác định đợc 30 10 10 m, hệ chuyển động nhiệt phân tử t¸ch rêi C¸c thÝ nghiƯm cho biÕt r»ng nớc có mặt không % phân tử kép, tức khối liên kết hai phân tử H2O, nhng chất liên hệ chúng cha rõ Trong trờng hợp băng phân tử H2O liên hệ với nhau, v vị trí tơng hỗ nguyên tử oxy đợc nghiên cứu kỹ Do hình thnh bốn khu vực tích điện xung quanh nguyên tử oxy, nguyên tử oxy liên kết với bốn nguyên tử khác cách 17 cặp điện tử không phân chia nguyên tử oxy v liên hệ O H nguyên tử khác xt hiƯn lùc hót, gäi lμ liªn hƯ hydro Sù liên kết phân tử nh dẫn tới mạng tinh thể với sức hút phân tử đáng kể, nhng l kết cấu bền Nhờ ảnh hởng định hớng trờng điện từ phân tử m vị trí tơng hỗ chúng không đối xứng tất h−íng, ®iỊu nμy cã thĨ thÊy nÕu ta bỉ sung thêm phân tử khác vo hình thể hình Trên hình có dẫn hình thể nh vậy, Hình Sơ đồ cấu tạo tứ diện băng biểu diễn vị trí nguyên tử oxy Từ hình ny thấy rõ đối xứng vị trí nguyên tử oxy hớng thẳng đứng v ngang khác Khi dờng nh phân biệt đợc lớp, phân tử đợc liên kết liên hệ với ba phân tử láng giềng 18 lớp v phân tử lớp khác Những lớp ny đợc quy ớc gọi l mặt phẳng sở mạng tinh thể, hớng vuông góc với gäi lμ trơc quang häc hay trơc C cđa tinh thể thay đổi định hớng phân tử trở nên chậm Ngoi chuyển động quay, phân tử tinh thể dao động gần vị trí trung bình với chu kỳ đặc trng t k 10 13 s Các chuyển động quay dao động phân tử, ảnh hởng tới vị trí tơng hỗ chúng, m tới định hớng liên hệ O H Trong sách [3] đà cho biết đặc điểm cấu trúc băng tùy thuộc vo thời gian lấy trung bình vị trí phân tử Nếu nh chụp ảnh đợc phân tử H2O với khoảng dừng 10 13 s, ảnh tinh thể băng hình dáng phân tử phải rõ nét, mạng tinh thể không trật tự, dao động phân tử không thiết phải nằm vị trí trung bình chúng (hình a) Cấu trúc kiểu nh đợc gäi lμ cÊu tróc tøc thêi, hay cÊu tróc I Hình Biểu diễn sơ đồ cấu trúc nớc ứng với chu kỳ lấy trung bình khác nhau: Hình Phân bố nguyên tử oxy tinh thể theo Begg Đờng gạch nối ký hiệu nhân đơn vị a) tức thời, b) dao động trung bình, Các phân tử H2O mạng tinh thể băng liên hệ với không vững chắc, định hớng chúng thay đổi dao động nhiệt Vì vậy, vị trí xác chúng tinh thể băng l tranh phân bố chung nguyên tử hydro tinh thể phức tạp, nh đà thấy từ hình 3, m l dao động nhiệt c) khuếch tán trung bình Nếu chụp ảnh với khoảng lộ sáng lớn so với nhng bé so với t n hình ảnh phân tử ảnh Các ớc lợng cho biết nhiệt độ tan phân tử H2O giây chịu 105 lần thay đổi định hớng mình, tức chu kỳ tái định hớng trung bình t n ≈ 10 −5 s NÕu nhiƯt ®é sÏ rÊt lu mê chun ®éng dao ®éng cđa chóng, nh−ng sÏ có định hớng trật tự lấy trung bình Cấu trúc nh đợc gọi l cấu trúc dao động trung bình, hay cấu trúc II (hình b) Cuối cùng, khoảng lộ sáng lớn t n , ảnh giảm cờng độ kích thích nhiệt phân tử giảm v lên mạng tinh thể băng trật tự, nút mạng 19 20 dr = dz ctg (8.64) Dấu + đợc dùng trờng hợp tia hớng xuống dới, dấu tia lên phía Công thức ny cho phép tính hình chiếu tia lên phơng nằm ngang tia ®i tõ ®iĨm z xng ®é s©u z z z z0 z0 r = ±  ctgχ dz = ± cos χ  dz n ( z ) − cos χ theo tia, tøc thông qua đạo hm d / dl Trị số ny nhận đợc cách đạo hm công thøc cña Snell theo z − C sin χ dχ dC = cos χ dz dz Sö dụng công thức (8.66) cho phép biến đổi biểu thức nμy tíi d¹ng (8.65) cos χ dC dχ =− dl C dz (8.69) Trong dÉn lËp biểu thức (8.65) đà sử dụng công thức (8.63) v c¸c kÝ hiƯu n( z ) = C / C ( z ) , C vμ χ tốc độ v góc khúc xạ tia tầng z Biểu thức ny thuận tiện chỗ Thấy độ cong tia tỷ lệ thuận với građien tốc độ âm Khi trị số dơng góc khúc xạ giảm, trị số âm tăng có tốc độ truyền âm l biến Tõ tam gi¸c Oab suy ob = δ l = δz / sin χ Khi chun tíi tam giác vô bé viết Độ cong tia tầng no lm cho xảy trờng hợp = Khi tia âm thay đổi hớng, điểm xảy kiện ny đợc gọi l điểm phản xạ nội ton phần (hình 8.6) dz dl = sin (8.66) Từ công thức ny theo tơng tự với công thức (8.65) nhận đợc độ di tia l từ tầng z tới z Nhng thờng xuyên l ngời ta sử dụng công thức (8.66) để xác định thời gian xung ©m dt = dl dz = C C sin χ (8.67) Tõ c«ng thøc nμy suy z t= dz  C sin χ = C z0 z  z0 n dz n ( z ) − cos χ (8.68) H×nh 8.6 Sơ đồ khúc xạ tia âm kênh âm ngầm A, B vùng tối âm, điểm phản xạ nội ton phần Trong nhiều trờng hợp uốn cong tia âm khúc xạ đợc đánh giá thông qua biến đổi góc khúc xạ dọc 403 Trong trờng hợp ny từ công thøc Snell suy 404 C0 = cos χ C ( z) (8.70) Tøc lμ tïy thuéc vμo trắc diện C ( z ) điều kiện vế trái công thức nhỏ xác định góc tia tới cho tầng xét xảy phản xạ nội ton phần Phải nhận thấy tất công thức đà dẫn mục ny để tính góc khúc xạ, khoảng cách v thời gian qua tín hiệu tính đến điểm phản xạ nội ton phần Tiếp sau tính toán thực theo công thức nhng phải tính đến thay đổi dấu quay ngoặt tia âm Nếu theo phơng ngang tốc độ âm không biến đổi đờng cong tia âm l ánh xạ gơng tia khúc xạ trớc điểm phản xạ nội ton phần tiểu đợc gọi l trục kênh âm ngầm Trong phạm vi kênh âm ngầm phần bên ngoi tia giới hạn hình thnh vùng tối hình học (các vùng A, B hình 8.6), gần điểm phản xạ nội ton phần diƠn sù tËp trung c¸c tia, gäi lμ vïng hội tụ Nguồn âm cng gần trục kênh độ rộng vùng tối giảm v vùng hội tụ tăng Nếu nguồn âm nằm trục kênh âm ngầm vùng tối không xuất (hình 8.7) Khi tốc độ âm giảm theo độ sâu tia phía dới nguồn âm bị phản xạ nội ton phần Bởi điều kiện vế trái công thức (8.70) lớn v không tơng ứng với vế phải Vùng (A, B) tia không bị phản xạ từ bề mặt biển hay từ đáy biển tới đợc gọi l vùng tối Cờng độ âm suy giảm mát phản xạ tia Nếu tồn điểm cực tiểu trắc diện thẳng đứng tốc độ âm nh hình 8.6 hình thnh điều kiện cho tất tia âm bị phản xạ từ bề mặt hay từ đáy biển Lớp nớc biển có tia bị phản xạ nội ton phần mặt biển hay đáy v đợc xác định nh l tia giới hạn đợc gọi l kênh âm ngầm Vì phạm vi lớp ny cờng độ âm không bị mát phản xạ từ môi trờng khác hay môi trờng khác, nên âm lớp ny bị suy yếu với khoảng cách so với bên ngoi lớp Tầng sâu tốc độ âm cực 405 Hình 8.7 Sơ đồ vùng hội tụ ( DD ), đờng bao DD điểm tụ âm, A, B , A, B vùng tối âm; a trắc diện thẳng đứng tốc độ âm, b khúc xạ tia âm Vì vùng đại dơng ôn đới v xích đạo nhiệt đới độ sâu định tồn cực tiểu tốc độ âm nên có kênh âm ngầm Do đặc thù truyền âm nơi m ngời ta đà tiến hnh nghiên cứu tỉ mỉ khía cạnh tợng v mô tả văn liệu chuyên đề [1, 5] Các công thức đà trình by âm học tia áp 406 dụng trờng hợp xét khúc xạ phơng ngang tia âm biến đổi tốc độ âm theo phơng ngang (do nhiệt độ v độ muối) Quỹ đạo tia bị thay đổi mạnh gặp phải dòng chảy lạnh nóng, xoáy synop có phân bố nhiệt độ v độ muối khác biệt với môi trờng xung quanh Trong trờng hợp tia bị lệch phía nhiệt độ độ muối thấp Khi tia âm qua sóng nội bị lệch khỏi hớng ban đầu phơng thẳng đứng v phơng ngang thăng giáng tốc độ âm sóng nội Mô tả khúc xạ tia môi trờng biến đổi tốc độ âm ba chiều phức tạp Trong trờng hợp ny phơng trình xuất phát tỏ phức tạp việc giải Có thể lm quen với phơng trình v phơng pháp giải văn liệu chuyên đề [1, 3, 5] 8.6 Biến đổi cờng độ âm với khoảng cách mục 8.3 đà nhận xét cờng độ âm sóng trụ v sóng cầu suy giảm với khoảng cách chí hấp thụ v tán xạ Đà nhận xét công thức (8.45) v (8.46) tốc độ âm không đổi Còn đại dơng không đồng m phân tầng, phải tính đến uốn cong ống tia âmlm cho công suất nguồn âm W bị phân bố diện tích khác so với phân bố môi trờng không phân tầng Thật vậy, môi trờng đồng nguồn phát âm với công suất W khoảng cách R từ nguồn cờng độ âm không kể tới hấp thụ v tán xạ l Hình 8.8 Biến đổi pha tia âm qua sóng nội [5] JH = Sự khúc xạ tia âm khó ghi nhận quan trắc, thờng ngời ta ghi nhận độ lệch pha biên độ tÝn hiƯu Pha cđa tÝn hiƯu phơ thc vμo tÇn sè cđa nã vμ thêi gian ®i qua ψ = ft , m thời gian qua liên quan tới khúc xạ tia Trên hình 8.8 dẫn ví dụ biến đổi trình khúc xạ tia âm qua sóng nội (8.71) Trong môi trờng phân tầng ống tia âm với thiết diện d từ nguồn âm dới góc khúc xạ bị uốn cong (hình 8.9) Có thể xem công suất âm ống quan hệ với ton công suất W nh l góc lËp thĨ cđa èng quan hƯ víi gãc lËp thĨ hình cầu, tức dW cos d = W Khi tia âm qua dòng chảy độ lệch pha biến đổi tỷ lệ với khoảng cách qua dòng chảy, tức tỷ lệ víi sù khóc x¹ tia 407 W 4πR 408 (8.72) Gia sè nguyªn tè cđa diƯn tÝch bỊ mặt d m công suất dW phân bố cã thĨ biĨu diƠn b»ng c«ng thøc dΠ = d (πr ) = 2π rdr J= (8.73) V× ớc lợng cờng độ âm phải sử dụng thiết diƯn vu«ng gãc cđa èng tia, tøc BC chø kh«ng phải l dr , nên công thức (8.73) phải nhân thêm vế phải với sin Ngoi ra, để tiếp tục giản lợc công thức ta sử dụng biểu diễn dr = Do từ công công thøc (8.72) vμ (8.74) ∂r dχ ∂χ dW = dΠ ⊥ W cos χ ∂r 4π r sin χ ∂χ (8.75) Tõ c«ng thøc thu đợc suy cờng độ âm sóng cầu đại dơng phân tầng phụ thuộc không vo công suất nguồn âm, m vo uốn cong ống tia đặc trng góc khúc xạ v nh độ di dịch ngang r Để ớc lợng ảnh hởng phân tầng đại dơng tới cờng độ âm ngời ta sử dụng tû sè fc = R cos χ J = , JH ∂r sin χ r ∂χ (8.76) gọi l nhân tố tiêu điểm Khi f c < phân tầng đại dơng gây nên suy yếu âm phân kỳ ống tia Khi f c > xảy tập trung âm nh đà thấy ví dụ vùng hội tụ Đơng nhiên f c = chứng tỏ ảnh hởng phân tầng tới biến đổi cờng độ âm với khoảng cách Phải nhận thấy ớc lợng nhân tố tiêu điểm theo công thức (8.76) đà không ý tới hấp thụ v tán xạ sóng âm Nhân tố f c Hình 8.9 Các ống tia âm môi trờng đồng (a) v không đồng (b) phụ thuộc vo đặc điểm khúc xạ tia âm Kết l gia sè diÖn tÝch thiÕt diÖn èng tia dΠ ⊥ đợc xác định công thức d = 2r r d sin Đôi phân tích ảnh hởng phân tầng tới cờng độ âm ngời ta sử dụng khái niệm dị thờng phân bố âm đợc xác định công thức A = 10 lg f c (8.74) Trong tr−êng hỵp ny A đợc biểu diễn thnh đêxibel 409 410 (8.77) Từ công thức (8.76) thấy điểm phản xạ néi toμn phÇn ( χ = 0) f c = Điều ny mâu thuẫn với chất vật lý v l phép gần lý thuyết tia truyền sóng âm Vì lân cận điểm (đờng bao điểm đợc gọi l vùng tụ tia) f c không đợc xác định theo công thức đà dẫn Ngời ta thờng gọi biến đổi âm với khoảng cách nh đà mô tả l biến đổi hình học, tức diễn phân kỳ v khúc xạ tia ©m Sù suy u ©m kÕt qu¶ hÊp thơ v tán xạ sóng đợc mô tả thông qua biến đổi áp suất âm sóng phẳng dP = dl , P số suy yếu âm (8.78) Do đó, với không đổi däc theo tia P = P0 e − β l , (8.79) P0 trị số áp suất âm đầu quỹ đạo Dựa quan hệ (8.43) ta cã J = J e −2 β l , (8.80) J cờng độ âm ban đầu Sự suy yếu âm ny bổ sung vo suy yếu hình học, để tính tới suy yếu hình học phải thêm nhân tử mũ theo kiểu công thức (8.80) vo công thức mục 8.3 Ta có đợc quan niệm chất từ quan hệ cờng độ âm trung bình v tiêu tán trung bình D Trong trờng hợp sóng phẳng tốc độ dao động dọc theo trục Ox mô tả công thức u = u m sin kx Khi ®ã 411 J= λ ρ Cu λ dx = ρ Cu m (8.81) Sù tiªu tán lợng sóng D diễn ma sát lớp nớc dao động v trình phục hồi Sự tiêu tán động thnh nội đà xem xét chơng Trong trờng hợp đơn giản tiêu tán tỷ lệ với hệ số nhớt động học v bình phơng građien tốc độ Các trình phục hồi bị chi phối biến dạng gần có trật tự phân tử H2O, cân nhiệt động lực học bị phá hủy v để khôi phục cân phí Ngoi ra, tăng v hạ áp suất sóng âm qua ảnh hởng tới phân ly v tái kết hợp ion muối nớc biển Ví dụ, tăng áp suất tăng mức phân ly phân tử muối MgSO4, giảm áp suất tăng tái kết hợp hợp phần ion muối ny Điều diễn đồng thời với dao động áp st sãng, mμ víi mét ®é trƠ pha víi số thời gian gần 10 s Các trình tơng tự diễn với muối khác nớc biển Để khôi phục cân phân ly v tái kết hợp ion tất muối nh điều kiện bình thờng phải tiêu phí sóng Nó đợc xem l tû lƯ víi ®é nhít khèi cđa n−íc biĨn κ v , độ nhớt ny lớn độ nhớt trợt 35 lần Một cách gần xem 2  du   du  D = κρ   + κ v ρ   ,  dx   dx  số hạng thứ biểu diễn tiêu tán ma sát, số hạng thứ hai trình phục hồi 412 Với cách mô tả tốc độ dao động nh trên, tiêu tán trung b×nh chu kú sãng sÏ b»ng D= λ um ρ0k  ρ0    du    κ + κ v     dx =  κ +κv  λ 3   dx  3  Tõ hình 8.10, biểu diễn kết xác định thực nghiệm hệ số tắt dần âm, thấy khoảng biÕn thiªn cđa hƯ sè nμy rÊt réng (8.82) Trong tr−êng hỵp nμy β= 2 D 4 k 4 ω = κ +κv  = κ +κv  , J 3  C 3 C (8.83) tøc lμ sóng tần cao bị suy yếu mạnh so với sóng tần thấp Công thức thu đợc đợc xác hóa chút tính thêm hiệu ứng liên quan tới khác hệ số nhiệt dung đẳng thể tích v đẳng áp nớc biển Trong đại dơng phân tầng có bất đồng mật độ nớc, bọt khí, đối tợng sinh học v đối tợng khác ngoi hấp thụ có tán xạ âm ảnh hởng tới suy yếu âm Tính đến hiệu ứng ny khó, để ớc lợng tắt dần chung cờng độ âm ngời ta thờng sử dụng công thức thực nghiệm, đặc ®iĨm phơ thc quan träng cđa β vμo tÇn sè âm đợc bảo tồn Ví dụ Saf b , β ′ = 8,68 ⋅ 10 −3 f  T + f + f fT  T (8.84) f T tần sè phôc håi tÝnh b»ng kHz, a = 2,34, b = 3,38 − c¸c hƯ sè thùc nghiƯm, S − ®é mi cđa n−íc HƯ sè β ′ th−êng ®−ỵc biĨu diƠn thμnh dB/km vμ quan hƯ víi β b»ng mèi phô thuéc sau β ′ = 10 β lg e (8.85) 413 H×nh 8.10 Phơ thc cđa chØ số suy yếu cờng độ âm vo tần số [5]: 1, kết xác định thực nghiệm, I tính theo công thức hiệu ứng phục hồi, II tính theo công thức (8.84) Tại tần số thấp suy yếu âm nhận thấy khoảng cách số nghìn km v có giá trị cỡ 10 dB/km Vì âm từ vụ phun núi lửa dới nớc hay chuyển động đáy lan truyền khoảng cách lớn hầu nh không tắt dần Khi ¶nh h−ëng chÝnh tíi β ′ kh«ng ph¶i lμ sù hấp thụ túy, m l tán xạ âm Khi tần số tăng phần đóng góp hấp thụ âm lm suy yếu tăng lên Biến đổi cờng độ âm từ nguồn hình cầu không định hớng đợc biểu diễn dới dạng công thức (8.71) v (8.80) số trờng hợp nên viết lại dới dạng có thay đổi đôi chút thuận tiện ThËt vËy, J cã thĨ biĨu thÞ nh− sau: 414 J= W e − βR 4πR (8.86) Nếu J khoảng cách đơn vị R1 từ nguồn âm đợc biểu diễn công thức J1 = W , 4R12 phải tính tới hệ số phản xạ K biÕn ®ỉi tõ hÊp thơ âm hon ton vật cản đến phản xạ âm hon ton Tín hiệu âm tới máy phát từ vật phản xạ bị suy yếu kết phân kỳ hình học, hấp thụ v tán xạ sóng âm Nếu tính tới hiệu ứng ny dẫn tới công thức R  J = K J   e − βR ,  R ®ã sù tắt dần âm không đợc đa vo tính R1 bÐ, th× N = N − L( R) − β ′R + K ′ , R  J = J   e − βR  R (8.87) ViƯc chun ®ỉi J thnh dB đợc thực theo công thức (8.47), tøc ®em chia cho J p , sau ®ã lÊy logarit vμ nh©n víi 10: 10 lg J J R = 10 lg − 20 lg − 20 βR lg e Jp Jp R1 (8.88) VÕ tr¸i cđa công thức, gọi l sức mạnh âm khoảng cách R kể từ nguồn, thờng đợc ký hiệu N (R ) vế phải công thức tuần tù chøa: møc ph¸t cđa m¸y ph¸t N , đặc trng cho sức mạnh âm khoảng cách R1 = m kĨ tõ ngn; tiÕp theo ®Õn thμnh phần đặc trng cho mát âm phân kỳ hình học L(R ) v mát âm kết hấp thụ v tán xạ Với ký hiệu nh trên, công thức (8.88) biến đổi thnh N ( R) = N − L( R) − β ' R (8.89) DÜ nhiªn tïy thc vμo kiĨu sóng m thnh phần L thay đổi Ví dụ, sóng phẳng thnh phần ny hon ton không tồn Khi xét phản xạ tín hiệu âm, công thức (8.87) cần 415 (8.90) (8.91) N mức tín hiệu dB máy thu âm tiÕp nhËn, J ' ( R) − hƯ sè ph¶n x¹ b»ng dB tû lƯ thn víi tû sè K ' = 10 lg J ( R) cờng độ tín hiệu phản xạ từ vật cản J v tín hiệu tới vật Vì tỷ số ny thờng l nhỏ 1, nên K đợc biểu diễn trị số dB âm Nhiều ngời ta gọi K l sức mạnh đích Công thức (8.91) thực tế thờng đợc gọi l phơng trình máy thủy định vị Phơng trình ny đợc bổ sung tính đến diện tích tơng đối vật phản xạ, góc lập thể phát âm v góc lập thể phản xạ âm v.v Tất hiệu chỉnh không lm thay đổi nguyên tắc công thức Trong công thức (8.87)(8.91) khoảng cách R phụ thuộc vo khúc xạ tia âm, m sức mạnh âm thay đổi Trên hình 8.11 l ví dụ biến đổi sức mạnh âm với khoảng cách từ nguồn không định hớng đặt độ sâu 200 m phần trung tâm vòng xoáy xoáy thuận bên rìa Gơntrim (1) Để so sánh đà dẫn đờng cong (2) theo tính toán máy phát tơng tự đặt bên ngoi vòng xoáy [5] Từ hình vẽ thấy khúc xạ tia mức sức mạnh âm trờng hợp thứ 416 giảm nhanh so với trờng hợp thứ hai Cực đại N khoảng cách 60 km vμ 120 km tõ m¸y ph¸t lμ sù hội tụ tia vùng chi phối nhiên) Giống nh trớc đây, lấy áp suất âm lm tham số xuất phát thnh phần thứ giá trị trung bình P0 , ®èi víi thμnh phÇn thø hai P0' = Theo thnh phần liên hiệp áp suất phản xạ xác định hệ số phản xạ R0 = P0 / P , theo thnh phần không liên hiệp hệ số tán xạ ms = R2Js , J (8.92) J s , J cờng độ lấy trung bình tín hiệu âm tán xạ v tÝn hiƯu tíi, Π − diƯn tÝch khu vùc bỊ mặt tán xạ, R khoảng cách từ điểm quan trắc đến tâm diện tích Hình 8.11 Biến đổi mức sức mạnh âm qua vòng xoáy xoáy thuận (1) v theo tính toán bên ngoi vòng xoáy (2) [5] Hình 8.12 Sơ đồ tán xạ (các đờng gạch nối) tia âm (các đờng liền) từ bề mặt sóng 8.7 Sự phản xạ v tán xạ sóng âm Những quy luật đà dẫn mục 8.4 phản xạ v qua âm qua bề mặt phân cách môi trờng chất lỏng với mật độ khác bề mặt ny phẳng Chúng không thỏa mÃn xấp xỉ đại dơng thnh lớp bề mặt v đáy đại dơng Sự thật l tia sóng âm tới khu vực khác bề mặt đại dơng dậy sóng v tới chỗ gồ ghề địa hình đáy dới góc khác Vì phản xạ hình học diễn hớng khác (hình 8.12) Khi xét đặc điểm phản x¹ nh− vËy ng−êi ta quy −íc chia thμnh thnh phần liên hiệp (đều đặn) v không liên hiệp (ngẫu 417 Do tán xạ phần lợng sóng âm hệ số phản xạ bé so với trờng hợp bề mặt phẳng lý tởng Tơng quan lợng âm phản xạ v tán x¹ phơ thc vμo tham sè Relay Ra = 2kσ ζ cos α , ®ã k − sè sãng âm, trị số bình phơng trung bình yếu tố gồ ghề biên phân cách môi trờng (trong trờng hợp xét l ®é cao sãng), α − gãc tíi cđa tia sãng Khi Ra > tán xạ âm diễn mạnh mẽ v hệ số phản xạ trở nên bé Ngay từ Ra độ liên hiệp phản xạ thực tế không v phản xạ có tính chất khuếch tán Bởi m s thông qua J s phụ thuộc vo đặc điểm sóng biển, nên theo hệ số tán xạ ngời ta cã thĨ suy xÐt vỊ bỊ mỈt dËy sãng đại dơng Thông tin hệ số phản xạ v tán xạ âm bề mặt đại dơng dậy sóng có giá trị thực tế to lớn, ngời ta đà xây dựng phơng pháp xác định hệ số theo đặc điểm sóng biển đà cho Có thể lm quen với phơng pháp ny văn liệu chuyên đề [2, 5] Đánh giá phản xạ v tán xạ lợng sóng âm đáy biển phức tạp nữa, phần lợng đáng kể xâm nhập vo đất đáy, nhng thnh phần liên hiệp v không liên hiệp âm phản xạ phụ thuộc vo tham sè Relay Tham sè nμy cμng lín th× tû phần lợng tán xạ cng lớn so với lợng liên hiệp Quan trắc cho thấy chí với góc tới gần 0o hệ số phản xạ từ đáy phẳng bé 0,5, từ đáy với địa hình phức tạp không vợt 0,1 Phản xạ v tán xạ âm diễn bề dy đại dơng bọt không khí, c¸ vμ c¸c sinh vËt kh¸c, c¸c thĨ tÝch n−íc với nhiệt độ v độ muối nhiễu động Những tợng ny l xoáy quy mô vừa, sóng nội, rối chi phối Tán xạ lợng sóng âm mạnh mẽ l bọt không khí v cá bơi; dới tác động áp suất âm biến ®ỉi chóng rung ®éng vμ ph¸t vμo n−íc xung quanh sóng dọc 419 hình cầu Trong tán xạ đặc biệt mạnh diễn trờng hợp cộng hởng, tần số cộng hởng đợc xác định theo công thức [5]: fr = 327 + 0,1 z , r (8.93) r bán kính bọt cm, z độ sâu m Thấy bọt cộng hởng tán xạ âm 20 nghìn lần mạnh so với vật tán xạ không cộng hởng kích thớc Vì lớp xáo trộn sóng bÃo hòa bọt khí tán xạ âm mạnh Các đn cá gây nên tán xạ tín hiệu âm cao sủi bọt chúng bơi đóng vai trò giống nh bọt không khí Tán xạ âm bề dy nớc đợc ớc lợng công thức tơng tự nh (8.92), thể tích tán xạ v đợc đa vo thay cho diện tích bề mặt mv = R2Jv vJ (8.94) Trong thùc tÕ ng−êi ta thờng quan tâm l tán xạ nói chung, m l tán xạ hớng tới nguồn âm, tức tán xạ ngợc Bởi tán xạ ngợc đồng với phản xạ để theo nhận thông tin đối tợng tán xạ Trong nhiều trờng hợp cần xác định giá trị tích phân tán xạ ngợc lớp no z2 M = m v dz (8.95) z1 Đại lợng ny gọi l sức mạnh lớp Theo số liệu đo tần số 12 kHz giá trị M b»ng tõ − 60 ®Õn − 70 dB NÕu tăng tần số tới 1020 kHz sức mạnh lớp tăng lên đến khoảng 50 dB 420 Ngời ta nhËn thÊy cã mèi phơ thc cđa M vμo vĩ độ đặc điểm tập trung sinh vật Giá trị lớn M l xích đạo Trong xoáy nghịch cận nhiệt đới M giảm xuống 10 dB, ôn đới lại tăng đến giá trị xích đạo Giá trị M nhỏ ghi nhận đợc vĩ độ cực v lân cận Phản xạ v tán xạ tín hiệu âm yếu tố bất đồng v đối tợng đại dơng mặt xem nh tợng tích cực, cho phép suy xét đối tợng tán xạ Mặt khác tín hiệu phản xạ chúng gây khó khăn cho việc phát tín hiệu có ích định vị hồi âm Vì ngời ta thờng tiến hnh ớc lợng cờng độ tín hiệu phản xạ no khác nhiều hình dạng so với tín hiệu phát Tín hiệu phản xạ mờ nhạt phản xạ đối tợng gần v xa v tín hiệu nhận thấy đỉnh cờng độ âm Hiện tợng nh thực chÊt lμ håi ©m d−íi n−íc, cịng nh− lμ ©m vang, đợc gọi l âm vọng Trong trờng hợp âm vọng bên nớc đơn giản cờng độ cđa nã J r tû lƯ thn víi c−êng vμ ngợc lại từ thể tích phản xạ, tức Ct = R Tín hiệu chuyển động thnh dải độ rộng r , nhng sau phản xạ phải qua khoảng cách đó, nên 2r = C Vậy để nhận đợc biểu thức cờng độ âm vọng, công thức (8.96) phải tích phân giới hạn từ R đến R + r Trong cần phải tính đến biến đổi cờng độ tín hiệu đợc đặc trng công thức (8.87) vμ thÓ tÝch dv = 4πr dr Cuối ta thu đợc J r = J R12 (8.96) r hệ số âm vọng, phụ thuộc vo số lợng, thể tích vật phản xạ v hệ số phản xạ âm từ chúng Theo số liệu quan trắc hệ số âm vọng biến thiên phạm vi lớn từ 10 đến 10 m1 Đơng nhiên phải giả thiết âm tán xạ tắt dần với khoảng cách giống nh sóng cầu Khoảng cách r liên quan với độ di tín hiệu âm Nếu tín hiệu đợc ghi nhận sau thời gian t sau phát, thêi gian ®ã nã ®i qua qu·ng ®−êng tíi 421 α r e −4 β r r − dr (8.97) R Thông thờng tính tích phân ny ngời ta sử dụng giá trị J r b»ng c¸ch chÊp nhËn r = R mÉu sè cđa biĨu thøc d−íi dÊu tÝch ph©n Cịng xem phạm vi khoảng lấy tích phân r không thay đổi Với giả định J R  J r = r   e − βR − e − βR 4β  R  ®é tÝn hiƯu ®i đến J v thể tích tán xạ v Je −2 βR dJ r = r dv , 4π r R+r ( ) (8.98) Bëi v× thay v× R v r ta đợc biết t v , nên đại lợng ny đợc đa vo theo quan hệ đà nêu v ta nhận đợc Jr = 2α r J R12τ Ct e − βC t (8.99) Tõ c«ng thøc suy cờng độ âm vọng tỷ lệ với độ di tín hiệu phát , để giảm J r nên thực thủy định vị tín hiệu ngắn Cũng thấy thời gian kể từ thời điểm phát tín hiệu cng lớn J r cng yếu Điều ny hon ton tự nhiên, âm phản xạ đến từ đối tợng 422 xa bị tắt dần đờng hớng tới lẫn hớng ngợc lại C«ng thøc (8.99) sư dơng thùc tÕ cã thể đợc xác hóa cách tính đến góc lập thể định hớng âm phát, đặc trng kü tht cđa m¸y ph¸t vμ m¸y thu v.v C¸c công thức thay đổi nhiều xác định J r lớp mặt đại dơng hay đáy Về khác biệt l chỗ biĨu diƠn thĨ tÝch v cđa c«ng thøc (8.96) kh«ng phải hình cầu, m lớp no hay hình chóp cụt Khi công thức cuối (8.99) có thay đổi hình dạng, nhng đặc điểm đợc bảo tồn Chi tiết phơng pháp ớc lợng âm vọng lm quen văn liệu chuyên đề, ví dụ [4] Do có khó khăn nên đặc trng sau đợc xác định hơn: phân bố góc cờng độ nhiễu, mối liên hệ tơng quan v nhân tố gây nhiễu v.v Trong đo nhiễu điểm máy thu ngời ta xác định mối phụ thuộc cờng độ nhiễu hay áp suất âm vo thời gian P (t ) Trong thùc tÕ thêi gian ®o nhiễu có hạn v gồm chu kỳ thời gian τ ®ã cã thĨ xem nhiƠu lμ dõng Điều ny cho phép sử dụng công thức chuẩn để xác định hm tự tơng quan R v mật ®é phỉ F Sè ®o biÕn ®ỉi ¸p st lấy từ mốc trung bình thống kê P điểm quan trắc v trờng hợp xét để đơn giản tính toán thờng đợc xem không Phổ nhiễu âm đại dơng nói chung giảm tăng tần số f v cách gần xấp xØ b»ng biÓu thøc F ( f ) = P12 f 8.8 Các nhiễu âm Nhiều trình tự nhiên đại dơng gây nên sóng dọc với tần số khác nhau, truyền hớng v tơng tác với Những sóng đợc ghi nhận máy thu âm dới dạng nhiễu có cờng độ v phổ khác Nhiễu có vai trò hai mặt âm học đại dơng: mặt gây khó khăn cho việc tách tín hiệu có ích định vị thủy âm, nhng mặt khác l thông tin vật phát âm tự nhiên Trong thực tế sử dụng nhiễu đà dẫn đến phát triển hớng định vị thụ động, ngời ta xây dựng phơng pháp giải đoán nhiễu để xác định loại v vị trí nguồn phát Vì nhiễu âm l tợng ngẫu nhiên không dừng, nên đợc đặc trng loạt tiêu thống kê, trớc hết l mật độ phổ tần áp suất, giá trị trung bình v phơng sai 423 n , (8.100) P1 ấp suất ©m t¹i f = 1, n > Trong thực tế thờng sử dụng mật độ phổ hay áp suất âm khoảng tần số no đó, l giá trị điểm chúng khó đo Khi công thức (8.100) đợc tích phân phạm vi tần số đà cho f2 Ff =  P12 f f1 −n df = P12  1   − n −1  n −  f 1n −1 f   (8.101) Những giá trị áp suất âm đà dẫn hình 8.13 nhận đợc cho dải tần số f 0,5 Các nhiễu động lực đợc phát sinh sãng, thđy triỊu, n−íc m−a r¬i, sù xt hiƯn hay phá hủy xoáy rối, nhiễu động tốc độ dòng chảy no dẫn tới biến thiên áp 424 suất, v chúng đợc phát thấy vùng đại dơng Do có nhiều nhân tố gây nên biến thiên áp suất địa phơng, biến thiên phát sinh sóng dọc, nên khoảng nhiễu loại ny rộng (giữa đờng cong v hình 8.13) v trải rộng khắp dải tần số đà dẫn hình Trong khoảng tần cỡ kHz hình đà mèi phơ thc cđa nhiƠu vμo tèc ®é giã tÝnh cấp gió (các chữ số ghi hình vuông) Nhiễu ny bị chi phối chủ yếu trình tạo bọt khí nớc Các dao động áp st tõ chÝnh sãng giã vμ tõ sù ®ỉ nhμo sóng gây nên sóng âm tần thấp Nhiễu từ tợng thủy triều đợc khuếch đại pha triều xuống, tốc độ dòng chảy tăng lên Đơng nhiên l nhiễu mạnh vùng ven bờ, nơi dao động mực nớc gia tăng V nơi xuất nhiễu từ tợng sóng di không tuần hon khác sóng tần cao, trải rộng tới dải tần mHz, nhng biến thiên áp suất chúng gây nên bé (đờng hình 8.13) Do suy yếu nhanh với khoảng cách sóng ny tạo nhiễu gần máy thu nhạy Các nhiễu động áp suất rối có tần số thấp v không vợt vi trăm Hz Nhiễu tần số cao đợc phát sinh ma v phụ thuộc vo cờng độ ma, tăng theo cờng độ ma Cực đại nhiễu ny nằm khoảng 13 kHz, nhng ma mạnh trải rộng tới 10 kHz Các nhiễu động lực chủ yếu tập trung lớp mặt đại dơng, nhng cờng độ v khoảng tần số chúng biến đổi không gian v theo thời gian tùy theo tác động nhân tố gây nên chúng Trong thnh phần tần số cao chúng tập trung vùng phát sinh, thnh phần tần số thấp phổ biến khoảng cách lớn, cho phép có đợc khái niệm vị trí, ví dụ nhiễu động khí áp gây nên nhiễu Hình 8.13 Các phổ nhiễu áp suất âm đại dơng [5] 1, mức cực đại v cực tiểu nhiễu động lực Các số hình vuông tốc độ gió (cấp); 3, mức cực đại v cực tiểu nhiễu dới băng; nhiễu lấy trung bình cđa phun nói lưa d−íi n−íc; 6, − nhiƠu cá v tôm; nhiễu nhiệt; C nhiễu tuyến đờng Các khoảng nhiễu: a địa chấn, b rối, c Thuộc loại nhiễu động lực bao gồm nhiễu nhiệt chuyển động phân tử gây nên §ã lμ 425 sãng mỈt, d − kü tht, e − t¹o bät vμ m−a, f − nhiƯt, g − sinh học 426 Loại nhiễu địa chấn đợc phân chóng cã tÇn sè thÊp, b»ng cì tõ phÇn m−êi ®Õn vμi chơc Hz vμ cã møc nhiƠu ®éng áp suất cao (đờng cong hình 8.13) Chúng hoạt động núi lửa dới nớc, vụ trợt lở v chuyển động đáy chi phối Các dÃy núi đại dơng v rìa sờn lục địa tích cực phơng diện địa chấn liên tục diễn dao động đáy với cờng độ lớn nhỏ; phun núi lửa tạo tợng tơng tự nh vụ nổ dới nớc đợc nhận khoảng cách hng nghìn km Khả đoán trớc ổ xuất sóng âm từ chuyển động đáy có khả dẫn tới sóng thần có giá trị to lớn để phục vụ cảnh báo tợng ny Đáy đại dơng liên tục chịu dao động vi địa chấn Chúng l hậu vụ động đất lớn nh nhiễu động địa phơng, trợt lở đất, hậu thnh tạo sóng đứng mặt đại dơng m áp suất đợc truyền cho đáy Phổ nhiễu gây nên dao động biến đổi với thời gian v đồng theo ton đại dơng Khoảng tần số v dao động áp suất nhiễu loại ny không vợt vi chục Hz v vi Pa Trong biển đóng băng có loại nhiễu băng Chúng va chạm mảng băng, xô đẩy băng, nén cong tảng băng biến đổi mực nớc biển, rạn nứt biến đổi thể tích hạ nhiệt độ, ma sát tuyết chuyển động bề mặt băng gây nên Dải rộng nhân tố tác động nh đà dẫn tới chỗ phổ tần nhiễu trải rộng từ số Hz đến hng nghìn Hz Thnh phần tần thấp nhiễu l xô đẩy băng gây nên Trong xuất cực đại áp suất tần số vi chục Hz Những tín hiệu âm nh thu hút quan tâm ngời lm công tác thực tế chúng cho phép ngời ta xác định đợc hớng chuyển động 427 front xô đẩy băng Biến thiên nhiệt thể tích băng biển v rạn nứt diễn gây nên nhiễu dải tần cao chút với cực đại 100300 Hz, áp suất khoảng 10 Pa/Hz0,5 Từ cực đại ny áp suất âm giảm phía tần số cao lẫn tần số thấp Nhiễu tảng băng di chuyển v va chạm nằm khoảng tần số cao hơn, từ 102 đến 104 Hz Quan trắc cho thấy phụ thuộc vo độ dy băng, tăng lên độ dy băng giảm, v vo tốc độ chuyển động băng Nhng giá trị biến đổi áp suất âm tỏ không lớn, không vợt 10 Pa/Hz0,5 Mặc dù có cờng độ yếu, loại nhiễu ny cã thĨ thu hót sù chó ý cđa c¸c nhμ hải dơng học để theo m ớc lợng hệ số tơng tác rìa tảng băng; thông tin ny quan trọng tính toán trôi thảm băng Ma sát tuyết chuyển động mặt băng gây nên thnh phần nhiễu băng tần số cao Hiện tợng ny gây nhiễu dải tần kHz, nhng với cờng độ không lớn Nét đặc trng nhiễu băng l chúng có tính chất cục lớp mặt đại dơng vùng hạn chÕ vμ, nh− ta thÊy tõ h×nh 8.14, Êp suÊt âm nhiễu giảm tăng tần số Nhiễu sinh học l kích thích cộng hởng từ hoạt động bơi cá, rung động cng giáp xác v vỏ nhuyễn thể, tín hiệu xung loi cá voi v động vật biển khác v.v Tất tín hiệu đa dạng hình dạng, chúng cho phép theo m xác định dạng vật phát âm (hình 8.14) Một số loi cá phát âm tần thấp với cực đại áp suất tần số vi chục Hz, số khác (các loi vây cánh rộng) 428 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 phổ nhiễu cá 10 −1 − 10 −2 Pa/Hz0,5, nhiƠu cđa c¸c loμi giáp xác nhỏ 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 sinh vật biển a tôm , 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 mức so với nhiễu khác v lọc đợc Ti liệu tham khảo bổ sung Акустика океана 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, Владивосток, ДВГУ, 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? В., Яковлев Г В., 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 T¹i thùc tÕ 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 t−ëng? 431 432 ... chất vật lý, nhiều trình vật lý diễn khác Tơng quan chung phận địa vật lý biểu diễn sơ đồ: Địa vËt lý VËt lý khÝ qun VËt lý thđy qun Vật lý đại dơng Vật lý thạch Vật lý nớc lục địa Cách phân... 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 môi trờng khác tính chất vật lý, nhiều... 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;