http://www.ebook.edu.vn Đại học quốc gia H Nội _____________________________________________________________ A. B. Rabinovich Các sóng di trọng lực trong đại d{ơng _________________________________________________ Hiện tợng bẫy sóng, cộng hởng v phát xạ Biên dịch: Phạm Văn Huấn Nh xuất bản đại học quốc gia h nội http://www.ebook.edu.vn Mở đầ Ch ại dơng nổi hủy tĩnh dùng cho vùng thềm Ch 67 2.1. p nền 76 100 2.6. 2.7. g dòng dọc bờ ở dải ven bờ v cảng Ch yển 165 3.3. sóng di của mực nớc đại dơng của các quá trình khí quyển ộ yển vùng thềm tới sự phát sinh các sóng di 3.6. Sự kích động các sóng ven do kết quả tản mát thủy triều khí tợng trên nền những bất đồng nhất ngẫu nhiên của địa hình 222 3.7. Cấu trúc không gian của các sóng di trong đại dơng v quan trắc các sóng ven 240 3.8. Những đặc điểm cộng hởng của các sóng di trên vùng thềm lục địa 254 3.9. Mô hình lý thuyết về phổ của các sóng di ở đại dơng 265 3.10. Khảo sát dao động lắc ở những vùng ven bờ đại dơng 272 3.11. ảnh hởng của các dao động lắc tới sự hình thnh phổ các sóng di ở vùng Nam Kuril 289 3.12. Abiki, rissaga v các dao động lắc cực trị khác 311 Chơng 4. Động lực học đới ven bờ v các sóng ngoại trọng lực 325 4.1. Các chuyển động sóng di trong đới ven bờ: lịch sử công tác nghiên cứu 326 4.2. Những đặc trng thống kê của dao động mạch động vỗ bờ v sự liên hệ của chúng với các tham số sóng gió v sóng lừng 335 4.3. Sự hình thnh các sóng ngoại trọng lực bởi cấu trúc nhóm của trờng sóng gió 353 Mục lục u 6 ơng 1. Quan trắc các dao động sóng di của mực nớc ở đới ven bờ v ngoi khơi đ 13 1.1. Lịch sử nghiên cứu vấn đề 14 1.2. Những máy ghi mực nớc đại dơng nguyên lý phao v sử dụng chúng để đo các sóng di 1.3. Các máy đo sóng di t 19 26 1.4. Các dụng cụ đặt dớisâuđểđomực nớc đại dơng 1.5. Quan trắc sóng di ở ngo 34 45i khơi đại dơng 1.6. Những đặc điểm phổ của các dao động sóng di của mực nớc ở vùng khơi đại dơng v vùng thềm lục địa 54 ơng 2. Lý thuyết tuyến tính về các sóng di trên thềm lục địa v ở vùng khơi đại dơng Các phơng trình cơ bản 68 2.2. Các sóng ven của Stokes: nghiệm cho trờng hợ đáy thoải vô tận 2.3. Các sóng di bị bẫy ở đại dơng có vùng thềm độ sâu g đổi khôn 2.4. Những đặc điểm của sóng ven đối với các dạng địa hình khác nhau 83 92 2.5. Định luật Snellius, góc Bruster v sự cộng hởng thềm Tính toán các sóng ven v sóng phát xạ đối với những thủy vực thực Các sóng dịch chuyển tron 111 124 2.8. Các dao động lắc trong vịnh, vũng 135 ơng 3. Các sóng gió áp trong đại dơng 150 3.1. Một số đặc điểm lý thuyết của các sóng trong khí qu 151 3.2. Những đặc trng phổ của áp suất khí quyển v gió Liên hệ các dao động với đặc điểm v cờng độ 181 3.4. Sự kích động trực tiếp các sóng di trong đại dơng đ sâu không đổi bởi các quá trình khí qu 194 3.5. ảnh hởng của 204 3 4 http://www.ebook.edu.vn 4.4. Mạch động vỗ bờ v các sóng biên 368 4.5. Dâng nớc trong sóng ở các vùng đại dơng ven bờ 385 4.6. Hiện tợng xô đẩy tầu trong các cảng v vùng cảng 392 4.7. Về ảnh hởng của độ xoáy chất lỏng tới chuyển động sóng di trong cảng 407 4.8. Các dòng chảy đứt đoạn 415 4.9. Địa hình dạng ren (feston), các bãi dạng lỡi liềm v những dạng địa hình t ác 422 Ti liệu tham khảo 434 (1962) m 2 [264]. Nguyên nhân duy nhất có thể lm tăng uần hon kh Mở đầu Các sóng di ở đây đợc hiểu l những chuyển động với chu kỳ từ một số chu kỳ sóng lừng đến các chu kỳ dao động triều, tức từ 0,5 phút đến 12 giờ. Dải ny bằng 10 gam bậc. Đặc điểm đáng ngạc nhiên nhất của các sóng ở dải tần ny l chúng không tồn tại. V. Munk. Các sóng di trong đại doơng Có vẻ hơi đùa một chút, nhng Munk đã nói nh vậy về những chuyển động m ông từng ginh gần 20 năm cuộc đời mình để nghiên cứu. Thật vậy, phổ các sóng đại dơng tại dải tần ny thực tế l rỗng không (hình 0.1). Năng lợng triều đặc trng 43 1010 cm 2 , năng lợng các sóng gió sóng lừng cũng khoảng cỡ đó, trong khi tại các tần số trung gian tổng năng lợng sóng chỉ bằng khoảng 1 c đột ngột phần năng lợng trong dải tần ny đó l sóng thần (các sóng địa chấn biển [67]). Thật vậy, các quan trắc sóng di liên tục trong thời gian di tại thềm lục địa California [268, 312] đã cho thấy rằng khi có các nhiễu khí quyển mạnh đi qua thì giá trị phổ các sóng đại dơng có thể tăng lên 10 lần, còn khi sóng thần đi qua 100 1000 lần (ví dụ, đã quan trắc đợc nh vậy trong thời gian sóng thần Kamchatka ngy 5 tháng 11 năm 1952 v sóng thần Chilê ngy 23 tháng 5 năm 1960. Song sóng thần mạnh đó l một 5 6 http://www.ebook.edu.vn hiện hia thnh hai loại chính: các sóng građien xoáy (các sóng tựa địa chuyển) v các sóng trọng lực. Các sóng loại thứ nhất đợc hình thnh dới ảnh hởng của các lực xoay v đợc qui định bởi định luật bảo tồn ề các sóng građien xoáy l các sóng vùng thềm v các sóng Rossby. Các sóng građien tợng cực hiếm (1 lần trong 10 15 năm); phần đóng góp tổng cộng của sóng thần vo phổ các sóng di nhỏ không đáng kể. Theo nghĩa rộng của từ, các sóng di l những chuyển động sóng m qui mô khoảng cách của chúng nhiều lần lớn hơn độ sâu đại dơng, tức các sóng với bớc sóng từ một số trăm mét (ở đới ven bờ từ vi chục mét) đến hng nghìn kilômét. Theo đặc điểm của các lực kéo trở lại vị trí cân bằng thì các sóng ny có thể phân c xoáy thế vị [50]. Những ví dụ điển hình v xoáy chỉ có thể tồn tại ở các tần số dới quán tính ( f< , ở đây sin2=f , f tham số Koriolis, tần số quay Trái Đất, vĩ độ), tức tại các chu kỳ lớn hơn 12 giờ. Các sóng loại ny đợc nghiên cứu chi tiết trong các chuyên khảo [14, 27, 51, 70] v không thuộc chủ đề công trình ny. Sau ny, theo gơng Munk [264] chúng tôi dùng các thuật ngữ các sóng di hay các dao động sóng di để ám chỉ các sóng di trọng lực với các tần số thấp hơn các sóng thủy triều. Các sóng trọng lực đợc gây nên bởi lực trọng trờng hay lực nổi. Những sóng ny qui định tính chất của những chuyển động ở các tần số trên quán tính. Trong công trình ny sẽ xem xét các sóng di chính áp, tức các chuyển động không phụ thuộc vo những biến thiên mật độ nớc biển ( ) v biểu lộ rõ nhất ở những dao động của mực nớc biển. So sánh với thủy triều hay nớc dâng bão thì những dao động ny l những dao động nền. Các dao động nền của mực nớc đại dơng (background sealevel oscillations) hay, nh ngời ta vẫn gọi l nhiễu sóng di tự nhiên v l đối tợng chính của công trình nghiên cứu ny. Đặc điểm quan trọng của các dao động sóng di nền đó l chúng phụ thuộc yếu vo sự quay của Trái Đất. Trong đại đa số các bi toán khảo sát những dao động ny có thể không tính đến sự quay của Trái Đất. Nh vậy trong số ba tham số chính của môi trờng biển quyết định tính chất của những chuyển động sóng trong đại dơng: f , v h [27] chỉ có độ sâu của chất lỏng ( h ) l có vai trò đáng kể trong sự hình thnh nhiễu sóng di tự nhiên. Hình 0.1. Phổ các sóng trọng lực trong đại doơng Thờng ngời ta cho rằng các dao động mực nớc đại dơng với chu kỳ từ một vi chục giây đến một số giờ tạo thnh nhiễu sóng di tự nhiên, đợc hình thnh bởi những quá trình khí quyển, cả do tác động trực tiếp của những thăng giáng khí áp v gió lên 7 8 http://www.ebook.edu.vn mặt đại dơng lẫn do sự tán xạ các thnh tạo sóng di vĩ mô hay nớc dâng bão trên những bất đồng nhất địa hình đáy v đờng bờ (hình 0.2). Vì vậy ngời ta gọi những dao động tơng ứng của mực nớc đại dơng l dao động gió áp. Tuy nhiên, gần đây đã phát hiện ra rằng một nguồn quan trọng của nhiễu sóng di l các sóng gió. Một nguồn bên ngoi mạnh mẽ nh sóng bão, do sự tơng tác phi tuyến sẽ truyền năng lợng vo các sóng di, hơn nữa trong một số trờng hợp (ở những vùng nớc nông v trong bão lớn) những sóng ny có thể đạt tới độ cao mấy chục xăng ti mét, còn thông lợng năng lợng chuyển vo các tần thấp diễn ra đến tận những chu kỳ 3540 phút. Tuy nhiên, thông thờng chu kỳ điển hình của những dao động ny bằng 0,55 phút v ở đới ven bờ những dao động ny đã đợc ngời ta biết tới với tên gọi mạch động vỗ bờ. Lần đầu tiên những sóng ny đợc Munk phát hiện [263], ông đã cho rằng chúng hình thnh ở đới sóng vỗ bờ do kết quả phá hủy sóng gió (từ đó sinh ra tên gọi trên đây). Tuy , ởng ững sóng ny nhiên những quan trắc tiếp theo v nghiên cứu lý thuyết đã cho thấy những sóng nh vậy tồn tại v thậm chí có thể phát sinh trực tiếp oi khơi đại dơng. Trong phổ năng lợng tổng quát của các sóng đại dơng, những sóng ny chiếm một vùng ngay cạnh các sóng trọng lực thông thờng (sóng gió v sóng lừng). Vì vậy Kinsman [225] đã đề xuất gọi chúng l các sóng ngoại trọng lực. Ngy nay thuật ngữ ny đợc dùng chung để chỉ những sóng với chu kỳ từ 30 giây đến một số phút. Trong công trình ny, chúng tôi sẽ gọi những sóng có liên quan trực tiếp về mặt phát sinh tới các quá trình khí quyển l các sóng gió áp (sóng AB), còn những sóng di tạo thnh do kết quả tơng tác phi tuyến của các sóng trọng lực ngắn l các sóng ngoại trọng lực (sóng IG) (xem hình 0.2). Nếu sử dụng nguyên tắc phân loại nguồn gốc phát sinh ny thì các dải tồn tại của nh có thể giao nhau, tuy nhiên chu kỳ v bớc sóng điển hình của các sóng AB v các sóng IG khác biệt nhau khoảng 12 bậc. Chính hai loại sóng ny sẽ l đối tợng chính trong nghiên cứu của chúng tôi. Các qui mô đặc trng của sóng AB gần tơng ứng với kích thớc vùng thềm, còn qui mô đặc trng của sóng IG kích thớc đới ven bờ. Sự trùng hợp ny không phải ngẫu nhiên, m liên quan tới cơ chế hình thnh những chuyển động đó. Vì vậy không có gì ngạc nhiên khi các sóng AB biểu lộ rõ nhất trong đới thềm, còn các sóng IG ở gần bờ. Hình 0.2. Sơ đồ phát sinh các sóng di trọng lực trong đại doơng Mặc dù khác nhau về bản chất, các sóng AB v các sóng IG có rất nhiều nét giống nhau về cấu trúc v đặc điểm. Có cùng những yếu tố sóng tham gia hình thnh nên chúng: đó l các sóng ven inh ra bởi hiệu ứng bẫy sóng v ống dẫn sóng (đối với các sóngs 9 10 http://www.ebook.edu.vn AB thì đới bẫy sóng v tập trung năng lợng l vùng thềm, đối với các sóng IG vùng ven bờ), các sóng phát xạ (gây nên hiện tợng ộng hởng thềm v cấu trúc các dao động đứng trên hớng đờng bờ), những hợp phần cỡng bức thuần túy (đối với các sóng AB những hợp phần ny liên quan tới các sóng khí quyển, còn đối với các sóng IG các nhóm sóng gió) v.v Tất cả những điều đó cho phép nghiên cứu hai loại sóng ny theo những quan điểm thống nhất, dĩ nhiên có tính tới những đặc thù riêng của chúng. Dao động lắc (setxi) l một kiểu dao động trọng lực quan trọng đó l những dao động riêng của chất lỏng hình thnh ở những thủy vực tự nhiên kín hoặc kín một phần. Chu kỳ điển hình của dao động lắc ở các cảng, vũng v các vịnh không lớn, bằng từ vi chục giây đến một số giờ, tức tơng ứng với dải chu kỳ đợc xem ét trong công trình ny. Những nguyên nhân gây nên dao động lắc có thể l rất nhiều, nhng quan trọng nhất trong số đó l các uá trình khí quyển, sóng gió v sóng thần. Thông thờng dao động lắc trong các thủy vực có cửa mở đợc phát sinh không phải o tác động trực tiếp của những nhân tố bên ngoi tác động tới vùng nớc bên trong, m do các sóng đại dơng đi tới qua cửa. Nh ậy, các sóng AB hình thnh trên vùng thềm bên ngoi, dới tác động của những nhân tố khí quyển, hay các sóng IG gây nên bởi sự tơng tác phi tuyến của sóng gió, khi xâm nhập vo vùng nớc bên trong sẽ phát sinh ở đó những dao động lắc sộng hởng. Về phơng diện ny thì các sóng thần l mối đe dọa đặc biệt nhất, song trong một số trờng hợp các dao động lắc do các sóng AB sinh ra cũng có thể có tính chất gây thảm họa (196, 260]. Vì vậy, nghiên cứu dao động lắc gắn liền với các sóng áp v sóng ngoại trọng lực l hợp lí. Thực tế tất cả các só u kỳ từ một số giây đến mh lệc ác òng chảy đó suy ra từ định của các sóng ngữ các sóng sát thấy trên cũng đợc gộp c ( x q d v ng trong dải ch ột số giờ l các sóng trọng lực. Chúng đợc gọi l các sóng chên h hay đó có csóng xoáy tạo thnh trong đới ven bờ khi ở chênh lệch mạnh [128, 282]. Sự tồn tại của những sóngd luật bảo tồn xoáy thế. Những chu kỳ điển hình ny l 1015 ph, vì vậy đôi khi ngời ta dùng thuật siêu ngoại trọng lực [149]. Các sóng ny đ ợc quan nền những sóng trọng lực thông thờng, vì vậy chúng vo công trình nghiên cứu ny. 11 12 . sóng trọng lực. Các sóng loại thứ nhất đợc hình thnh dới ảnh hởng của các lực xoay v đợc qui định bởi định luật bảo tồn ề các sóng građien xoáy l các sóng vùng thềm v các sóng Rossby. Các sóng građien tợng. di trọng lực với các tần số thấp hơn các sóng thủy triều. Các sóng trọng lực đợc gây nên bởi lực trọng trờng hay lực nổi. Những sóng ny qui định tính chất của những chuyển động ở các tần số. rõ nhất trong đới thềm, còn các sóng IG ở gần bờ. Hình 0.2. Sơ đồ phát sinh các sóng di trọng lực trong đại doơng Mặc dù khác nhau về bản chất, các sóng AB v các sóng IG có rất nhiều nét giống