Khí tượng hải dương học - Chương 5 pps

http://www.ebook.edu.vn 157 Chương 5 ĐỘNG HỌC NƯỚC BIỂN 5.1. Sóng biển 5.1.1. Các yếu tố sóng Sóng biển được tạo bởi dao động của các phân tử nước xung quanh vị trí cân bằng dưới tác dụng của các ngoại lực. Mỗi sóng tiến hoặc sóng đứng được đặc trưng bởi các yếu tố sóng và một số khái niệm sau: - Prôfin sóng là đường cong do mặt phẳng thẳng đứng cắt mặt biển nổi sóng theo hướng cho trước (hướng truyền sóng). - Ngọn sóng (đầu sóng) là phần sóng nằm cao hơn mứ c sóng trung bình. - Đỉnh sóng là điểm cao nhất của ngọn sóng. - Bụng sóng là phần nằm thấp hơn mức sóng trung bình. - Chân sóng là điểm thấp nhất của sóng. Mức sóng trung bình là đường thẳng cắt Prôfin sóng sao cho diện tích tổng cộng phía trên và phía dưới đường này bằng nhau. Các yếu tố sóng bao gồm: - Độ cao sóng (h) là khoảng cách theo chiều thẳng đứng giữa đỉnh sóng và chân sóng. - Độ dài sóng (bước sóng - λ ) là khoảng cách ngang giữa hai đỉnh sóng kế tiếp nhau trên Prôfin sóng vẽ theo hướng truyền chính. - Độ dốc sóng là tỷ số giữa độ cao sóng với nửa độ dài sóng: λ = λ = hh a 2 2 Trong thực tế, người ta sử dụng tỉ số h/ λ làm đặc trưng cho độ dốc sóng và gọi là độ dốc trung bình của sóng. Các yếu tố trên xác định đặc trưng hình học của sóng, đối với sóng tiến cần phải có thêm các đặc trưng sau: - Hướng truyền sóng là hướng từ đâu sóng truyền tới - Vận tốc truyền sóng hoặc vận tốc pha - V S (C) là vận tốc dịch chuyển ngọn sóng theo hướng truyền. V S = τ λ - Chu kỳ sóng (τ) là khoảng thời gian mà hai đỉnh sóng kề nhau đi qua đường thẳng đứng cố định. Các yếu tố cơ bản của sóng được biểu thị ở hình 5.1. 5.1.2. Sự hình thành, phát triển và tắt dần của sóng gió Một cách định tính có thể giải thích sự phát sinh sóng gió như sau: khi gió thổi trên mặt biển phẳng lặng, với vận tốc gió vào khoảng 0,7 m/s, trên mặt biển http://www.ebook.edu.vn 158 hình thành những sóng nhỏ lăn tăn - Sóng mao dẫn với kích thước rất nhỏ. Độ cao sóng cỡ 3- 4 mm và độ dài sóng 40 - 50 mm. Sở dĩ có sóng này vì khi gió tác dụng lên mặt nước yên lặng thì trong lớp không khí sát mặt nước chuyển động không bền vững và phân thành các cuộn xoáy riêng biệt có trục nằm ngang vuông góc với hướng gió. Các xoáy này tạo nên xung áp suất tác dụng lên bề mặt nước, dẫn đến hình thành các sóng mao dẫn sơ cấp. Các sóng được hình thành do xuất hiện sức căng mặt ngoài của nước, chúng xuất hiện tứ c thời khi gió vừa thổi và cũng biến mất lập tức khi gió tắt (hình 5.2) Hình 5.1. Các yếu tố sóng Hình 5.2. Sự truyền năng lượng của gió tạo sóng Nếu gió tiếp tục tác dụng lâu dài với vận tốc tăng lên sẽ làm tăng biên độ sóng, sóng mao dẫn sẽ chuyển thành sóng trọng lực. Năng lượng của gió được chuyển cho sóng chủ yếu nhờ áp lực của gió trên sườn phía đón gió của sóng. Sự truyền năng lượng thực hiện cho đến khi vận tốc gió còn vượt vận tốc truyền sóng. Sự truyền năng lượng này phụ thuộc vào đặc điểm của gió thổi trên biển: vận tốc gió, thời gian gió tác dụng, đà gió (khoảng đường trên biển gió thổi qua). Số năng lượng truyền cho mặt biển nổi sóng được tiêu hao trong việc làm tăng thêm độ cao và vận tốc sóng. Do vậy, kích thước các sóng lớn sẽ phụ thuộc P 1 P 2 P 1 > P 2 λ Mức sóng trung bình Chú thích: : Ngọn sóng : Bụng sóng λ h α http://www.ebook.edu.vn 159 vào thời hạn gió tác dụng, (là thời gian mà gió tác dụng lên sóng với vận tốc và hướng không đổi) và đà gió. Thực tế, ngay khi gió thổi ổn định nhất cũng không bao giờ hoàn toàn đều mà luôn luôn có gió giật và hướng thay đổi (dao động) trong một thời hạn nhất định. Vì vậy, sóng gió trên biển không hoàn toàn giống nhau, vừa có những lưỡi sóng lớn chạy kế tiếp nhau lại xen kẽ những sóng thứ yếu. Khi gió bắt đầu giảm, sóng không phát tri ển nữa và dần dần chuyển thành tính chất sóng lừng. Sự tắt dần của sóng do hai nguyên nhân chính: thứ nhất là do hiệu ứng “làm phanh” xuất hiện ở đầu các sóng truyền với vận tốc vượt quá vận tốc gió, thể hiện bằng sức cản khi chuyển động sóng gặp gió; thứ hai là do sự tiêu hao năng lượng sóng bằng các xoắn ở bề dày chính lớp nước (hiệu ứng nhớt). Tuy nhiên, do quán tính lớn nên các chuy ển động sóng ở biển tắt dần hết sức chậm và vì vậy, các sóng lừng có thể truyền cách xa nguồn phát sinh hàng trăm, thậm chí hàng nghìn km. Độ cao sóng liên quan chặt chẽ đến vận tốc gió. Gió càng mạnh, sóng càng cao. Kết quả tính toán theo lý thuyết thuỷ động học cho thấy, nếu vận tốc gió 20 m/s có thể tạo nên sóng có độ cao 8 mét, vận tốc gió 30 m/s sóng cao 16 mét, trong vùng sát tâm các cơn bão mạnh với vận tốc gió 40 - 50 m/s có thể tạo nên các sóng với độ cao 25 mét. Trong các tạp chí hàng hải đã ghi chép các số liệu về độ cao sóng mà các tàu đã trực tiếp quan trắc được trên các đại dương. Chẳng hạn, tàu Madisechic đã quan sát được độ cao sóng 20 mét tại Tây - Nam Aixơlen ở Bắc Đại Tây Dương, còn ở bờ biển Nam Phi đã quan sát thấy sóng cao 30 mét. Để tính các yếu tố sóng, giáo sư người Nga L.Ph. Titốp đã thành lập các công thức thực nghiệm sau: h = 0,045 . V 0,56 . D 0,54 (5.1) λ = 0,31 . V 0,66 . D 0,64 (5.2) t = 0,533 . V -0,38 . D 0,68 (5.3) Ở đây: t - thời gian cần thiết để sóng phát triển, tính bằng giờ; V - vận tốc gió (m/s); D - đà gió (km). 5.1.3. Các kiểu, dạng, thang cấp sóng và trạng thái mặt biển a, Các kiểu, dạng sóng Người ta phân biệt hai kiểu sóng: sóng gió thực thụ là những sóng mà lúc quan trắc chúng chịu tác động trực tiếp của gió gây ra nó ở giai đoạn phát triển. Kiểu sóng thứ hai là sóng ở giai đoạn tắt dần - kiểu sóng lừng. Sóng gió được phân biệt bởi độ dốc ở phía đầu gió lớn hơn phía cuối gió. http://www.ebook.edu.vn 160 Hướng của các sóng gió và hướng gió trùng nhau hoặc chênh lệch nhau không quá 45 0 . Sóng lừng là sóng tồn tại sau khi gió gây ra nó suy yếu đi hay gió đã tắt. Sóng lừng cũng quan trắc thấy khi có gió thổi ở xa (sóng bão). Đặc điểm của sóng lừng là lệch khỏi hướng gió một góc lớn hơn 45 0 , sóng thoải, đều hai chiều, bước sóng dài và chu kỳ dài. Ngoài hai dạng (kiểu) cơ bản là sóng gió, sóng lừng (sóng ngầm là một dạng đặc biệt của sóng lừng), căn cứ vào các yếu tố sóng hoặc nguyên nhân hình thành sóng mà có thể phân loại sóng theo các kiểu dạng riêng biệt. Theo nguyên nhân hình thành: sóng gió - do gió gây ra, sóng triều - do hiện tượng thuỷ triều, sóng động đất - do hoạt động của động đất, núi lửa dưới đáy đại dương .v.v. Căn cứ vào b ước sóng (độ dài) có sóng dài, sóng ngắn; vào độ dốc có sóng dốc, sóng thoải. Theo hình dáng riêng biệt có nhiều dạng: sóng đều, hai chiều là những sóng có các đầu sóng và chân sóng phân bố song song và cách đều nhau. Những sóng lừng và sóng gió mạnh là các sóng kiểu này. Sóng không đều, ba chiều được hình thành khi tồn tại đồng thời vài hệ sóng. Các đầu sóng và chân sóng không có độ dài lớn theo tuyến truyền sóng mà nhấp nhô như các ô bàn cờ. Các sóng gió loại mạnh vừa thường là sóng ba chiều. Sóng ba đào là những sóng đứng được tạo thành khi có s ự tổng hợp các sóng dồn tới từ mọi hướng (sóng ở tâm xoáy thuận). Trong trường hợp sóng ba đào, biển tập hợp hỗn độn các sóng có đầu sóng theo dạng chóp và chân sóng dạng hình phiễu. Ngoài ra, do ảnh hưởng của địa hình đáy và bờ biển sóng còn bị biến dạng, vấn đề này ta sẽ nghiên cứu tiếp ở phần sau. b, Thang độ cấp sóng và trạng thái mặt biển Tiêu chuẩn để đánh giá cấp sóng là độ cao sóng, người ta chọn những sóng lớn, nổi bật nhất để xác định. Bảng 5.1 dưới đây do các nhà Hải dương học Liên Xô cũ thiết lập từ năm 1953 và sử dụng cho đến nay. Các số liệu về bước sóng và chu kỳ sóng là để tham khảo, không lấy làm chỉ tiêu để đánh giá thang độ cấp sóng. Trong thang độ cấp sóng, phân khoảng “từ” và “đến” ta hiểu như sau: “từ” ý nói kể cả trị số đó, “đến” ý nói không kể trị số đó. Thí dụ từ 3,5 mét đến 6 mét (3,0 - 6,0) nghĩa là từ 3,5 mét trở lên cho đến những trị số nhỏ hơn 6 mét. Thang độ trạng thái mặt biển thể hiện trong bảng (5.2) mang tính mô tả vẻ bên ngoài của mặt biển dưới tác dụng của gió. Thang độ trạng thái mặt biển do Bôpho thiết http://www.ebook.edu.vn 161 lập để đánh giá cường độ gió và được chia là 9 cấp như bảng cấp sóng nhưng không nên nhầm lẫn mối liên quan giữa kích thước sóng và cấp trạng thái mặt biển. Bảng 5.1. Thang độ cấp sóng Cấp sóng Đặc trưng vắn tắt Kích thước sóng Độ cao (m) Bước sóng (m) Chu kỳ (s) 0 K hông có sóng 0 0 0 I Sóng yếu đến 0,25 5 2 II Sóng vừa (bình thường) 0,25 - 0,75 5 - 15 2 - 3 III Sóng khá lớn (đáng kể) 0,75 - 1,25 15 -25 3 - 4 IV 1,25 - 2,0 25 - 40 4 - 5 V Sóng lớn (mạnh) 2,0 - 3,5 40 - 75 5 - 7 VI 3,5 - 6,0 75 - 125 7 - 9 VII Sóng r ất lớn (rất mạnh) 6,0 - 8,5 125 - 170 9 - 11 VIII 8,5 - 11,0 170 - 220 11 - 12 IX Sóng lớn khác thường > 11,0 > 220 > 12 Bảng 5.2. Thang độ trạng thái mặt biển Cấp qui ướcDấu hiệu để xác định trạng thái mặt biển 0 Mặt biển phẳng lặng như gương 1 Sóng lăn tăn, xuất hiện đầu sóng không lớn 2 Các đầu sóng không lớn bắt đầu đổ xuống nhưng bọt không trắng mà trong như thuỷ tinh 3 Đã thấy rõ các sóng không lớn với các đầu sóng đổ xuống tạo thành bọt trắng - sóng bạc đầu 4 Các sóng biểu hiện thành dạng rõ rệt, khắp nơi thấy sóng bạc đầu 5 Xuất hiện đầu sóng cao, các đỉnh sóng có bọt choán diện tích lớn, gió bắt đầu thổi tung bọt khỏi đầu sóng 6 Các đầu sóng vẽ thành những lưỡi sóng bão, bọt sóng bị gió thổi tung khỏi đầu sóng bắt đầu toả thành giải theo sườn sóng 7 Các giải bọt dài bị gió thổi tung phủ khắp sườn sóng và từng chỗ tụ lại tới các chân sóng 8 Các giải bọt rộng, dày, tụ thành từng đám bao phủ các sườn sóng, do đó mặt biển trắng xoá, chỉ có những chỗ chân sóng mới thấy rõ những khoảng không phủ bọt 9 Toàn mặt biển bao phủ bởi lớp bọt dày, không khí đầy bụi nước và giọt nước, tầm nhìn xa giảm nhiều http://www.ebook.edu.vn 162 5.1.4. Sự tắt dần của sóng theo độ sâu Bằng việc chứng minh các phương trình liên tục, theo đó bán kính quĩ đạo của hạt nước r là hàm số của tung độ (độ sâu Z). Giải bằng phương pháp lượng giác, với điều kiện khi cho Z = 0 (trên mặt biển), ta nhận được công thức (5.4). λ π − − == 2 00 ererr KZ Z (5.4) Trong (5.4) k = 2 π / λ là tỉ lệ góc pha; r z - bán kính quĩ đạo của hạt nước ở độ sâu Z; r 0 - bán kính quĩ đạo của hạt nước trên mặt biển. Như vậy, bán kính quĩ đạo của các hạt giảm phụ thuộc vào khoảng cách từ mặt biển (độ sâu) theo qui luật hàm mũ, đồng thời giảm càng nhanh khi sóng càng ngắn (bước sóng λ nhỏ). Qua khảo sát ở độ sâu cho trước, bán kính quĩ đạo bằng nửa độ cao sóng (r = h/2), từ đó ta nhận được biểu thức xác định sự biến đổi độ cao sóng theo chiều sâu - sự tắt dần của sóng. Z Z ehh λ π − = 2 0 . (5.5) Ở đây: h 0 - độ cao sóng trên mặt biển; h Z - độ cao sóng ở độ sâu Z; e - cơ số của ln. Từ công thức (5.5) suy ra rằng, ở độ sâu bằng nửa bước sóng (h = λ/2) độ cao sóng giảm đi 23 lần (h = h 0 /23) còn ở độ sâu bằng bước sóng (h = λ) độ cao sóng giảm đi so với bề mặt 152 lần. Bảng 5.3 dưới đây cho ta kết quả về sự tắt dần của sóng theo độ sâu qua mối quan hệ giữa độ sâu Z và bước sóng λ. Bảng 5.3. Sự suy giảm độ cao sóng theo độ sâu Tỷ lệ Z/λ 0 1/9 2/9 3/9 4/9 5/9 6/9 7/9 8/9 Z=λ Tỉ lệ h 0 /h Z 1 1/2 1/4 1/8 1/16 1/32 1/64 1/128 1/256 1/512 Từ các kết luận và tính toán trên, trong khi đánh giá độ sâu mà sóng biển thực tế biến mất, ta coi như độ sâu đó bằng nửa bước sóng. Chẳng hạn, với vùng biển khơi sâu, sóng gió lớn thường có độ dài đạt tới 100 mét và như vậy, ở độ sâu 50 mét độ cao sóng chỉ bằng 1/23 lần so với độ cao trên mặt biển và có thể coi như không còn ảnh hưởng của sóng. Chẳng hạn, ta xem xét sự ảnh hưở ng của sóng gió đối với tàu ngầm trong trường hợp biển có sóng cao 6,4 mét và độ dài 72 mét. Theo tính toán ở bảng 5.4, ta có kết quả suy giảm của sóng theo độ sâu như sau: http://www.ebook.edu.vn 163 Bảng 5.4. Giá trị độ cao sóng giảm theo độ sâu Độ sâu (m) 8 16 24 32 40 48 56 64 72 Độ cao sóng (m) 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,02 0,01 Như vậy, ở độ sâu đi ngầm 50 mét của tàu ngầm, ảnh hưởng của sóng đến sự lắc của tàu ngầm coi như không đáng kể. 5.1.5. Năng lượng sóng Năng lượng của các hạt trong chuyển động sóng bao gồm động năng không biến đổi khi chúng chuyển động theo quĩ đạo và thế năng biến đổi do khi chuyển động theo quĩ đạo, độ cao các hạt so với mặt biển yên lặng biến đổi. Nếu như tâm quĩ đạo hạt trùng với vị trí hạt ở trạng thái đứng yên, thì thế năng trung bình khi hạt quay một vòng theo quĩ đạo sẽ bằng 0. Trên thực tế, tâm quĩ đạo nằm trên cao hơn vị trí yên lặng một ít. Vì thế giá trị thế năng trung bình trong một chu kì sẽ khác không và phụ thuộc vào độ vượt cao của tâm quĩ đạo trên vị trí hạt ở trạng thái đứng yên. Để xác định độ vượt cao đó, ta xem xét Prôfin sóng ở hình 5.4. Hình 5.4. Sơ đồ để tính thế năng sóng Để tìm mức ứng với giá trị 0 của thế năng, cần vẽ đường NN’ chia diện tích thiết diện ngang của sóng làm hai phần bằng nhau. Từ hình 5.4 ta thấy đường NN’ thấp hơn đường nối tâm quĩ đạo OO’. Đường NN’ ứng với vị trí hạt ở trạng thái đứng yên khi thế năng bằng 0. Do đó, tung độ η sẽ xác định độ lệch vị trí trung bình của hạt trong sóng so với trạng thái đứ ng yên. Khi đó, thế năng của hạt đối với một đơn vị khối lượng sẽ bằng tích g.η. Có thể tìm η dựa vào diện tích π.r 2 của tứ giác OO’NN’. Vì khoảng cách OO’= λ nên: η = λ π 2 r. Khi đó thế năng ΔE t = λ π 2 r g . . (5.6) Còn động năng sẽ là: O N η N O ’ N ’ http://www.ebook.edu.vn 164 2 2 V E d =Δ Ở đây: V là vận tốc dài của hạt chuyển động trên quĩ đạo; V = ω.r, trong đó ω là vận tốc góc của hạt chuyển động trên quĩ đạo (ω = 2π/ τ). Mặt khác, từ công thức: π λ = τ λ = 2 .g Vvµ V SS , ta sẽ tìm được: g πλ =τ 2 ; Do đó, động năng của hạt có khối lượng bằng đơn vị sẽ bằng: λ π =Δ πλ π = τ π = ω ==Δ 2 22 2 2222 4 4 2 4 22 r gE grgrrV E d d (5.7) Từ các công thức (5.6) và (5.7) ta thấy động năng của hạt có khối lượng đơn vị bằng thế năng. Năng lượng toàn phần của hạt sẽ là: λ π =Δ+Δ=Δ 2 2 gr EEE dt (5.8) Năng lượng của cột nước có độ dày db, đáy đơn vị và mật độ ρ sẽ là: dE = ΔEρdb = db r g λ π ρ 2 2 (5.9) Để nhận được động năng toàn phần trong cột nước với đáy đơn vị, tức là năng lượng đi qua một đơn vị diện tích mặt sóng, cần lấy tích phân biểu thức (5.9) theo toàn bộ chiều dày từ 0 đến ∞, ta có: E = ∫ ∞ λ π ρ 0 2 2 db r g (5.10) Thay r = r 0 b e λ π − 2 , ta có: 2 2 2 0 0 4 2 0 rg dbe r gE b ρ = λ π ρ= ∫ ∞ λ π − (5.11) Chú ý rằng: r 0 = h 0 /2, trong đó, h 0 là độ cao sóng trên mặt biển, ta có: 2 0 8 1 ghE ρ= (5.12) Biểu thức tính năng lượng sóng (5.12) chỉ đúng với sóng hai chiều khi độ cao sóng không biến đổi dọc theo ngọn sóng. Đối với sóng ba chiều, hệ thức này sẽ khác. Nếu coi độ cao dọc theo ngọn sóng biến đổi theo qui luật hình sin thì đối với sóng ba chiều có độ cao cực đại h 0 dọc theo ngọn sóng, khi đó ta có năng http://www.ebook.edu.vn 165 lượng sóng E 3 sẽ nhỏ hơn hai lần: E 3 = 2 0 16 1 ghρ (5.13) 5.1.6. Sóng gió ven bờ Khi vào vùng ven bờ, sóng gió bị biến dạng và khúc xạ do giảm độ sâu và tăng ma sát đáy. Các yếu tố sóng biến đổi và ở ngay sát bờ hoặc ở cách bờ một khoảng nào đó, sóng bị phá huỷ. Diễn biến sóng ở ven bờ phụ thuộc vào đường bờ và tính chất biến đổi của địa hình đáy. a, Sự biến dạng sóng ở bờ thẳng đứng Nếu bờ biển dốc đứng và sâu, với độ sâu lớn hơn nửa bước sóng, thì trên đường đi tới bờ thực tế các yếu tố sóng không biến đổi và khi đạt đến bờ, nó bị phản xạ trở lại. Sóng phản xạ giao thoa với sóng tới, kết quả là tạo nên một hệ sóng đứng. Khi đó quan sát thấy lúc thì nước dâng lên khá đột ngột gây tung tóe nước, lúc thì hạ xuống dưới m ức trung bình. Nói cách khác, bụng sóng tồn tại ở sát vách đứng, nơi không xảy ra sự xáo trộn ngang của các hạt còn độ tung tóe nước cao (mực nước dâng) vào khoảng gấp hai lần độ cao sóng tới. Với trường hợp này, sóng chỉ bị phá huỷ một phần và hướng chuyển động của nó biến đổi, nên lực va chạm (áp lực) sẽ tương đối nhỏ. Áp lực lớn nhất nhận thấy ở vùng chân sóng. Xu ất phát từ lý thuyết sóng Trocoit có thể xác định gần đúng áp lực sóng trong trường hợp này theo công thức: P = 0,51h + 2,41 (h 2 /λ) (tấn/m 2 ) (5.14) Trong công thức (5.14), h và λ được tính bằng mét. Do việc xác định độ cao và bước sóng ở vùng ven bờ khó khăn nên nhà Hải dương học V.V. SuleiKin đã thiết lập một công thức dựa vào yếu tố sóng dễ quan trắc hơn - chu kỳ sóng τ. Công thức này được xây dựng trên cơ sở giả thiết h/λ = 0,085 và có dạng: P = 0,09 . τ 2 (tấn / m 2 ) (5.15) Áp lực sóng sẽ lớn hơn nhiều nếu sóng bị phá huỷ hoàn toàn khi nó chạy đến bờ. Hiện tượng này quan sát thấy ở bờ sâu nhưng bị chia cắt, đặc biệt ở nơi có những mỏm đá riêng lẻ nhô ra biển. Khi chạy đến vùng bờ bị chia cắt, sóng không phản xạ mà đổ nhào lên bờ và tự phá huỷ, cho đi toàn bộ năng lượng của nó. Nếu khi đó có sự giả m đột ngột của front sóng thì sản sinh ra hiện tượng “búa nước”. Năng lượng sóng trên một đơn vị diện tích tăng lên do mặt sóng giảm. Lực va chạm (áp lực) của sóng lớn đến mức có thể phá huỷ bờ biển cũng như các công trình ven bờ. Theo khảo sát thực tế, áp lực sóng ở vùng bờ các đại dương có thể đạt tới 38 tấn/m 2 , còn ở các biển nội địa gần 15 tấn/m 2 . Ở các bờ thoải, độ dốc nhỏ, áp lực sóng yếu hơn, song các sóng này http://www.ebook.edu.vn 166 thường bị phá huỷ trước khi đạt tới đường bờ và chính các sóng này bị biến đổi mạnh khi đến bờ thoải. b, Sự khúc xạ sóng Người ta quan sát thấy rằng, ở ngoài khơi nơi độ sâu lớn, sóng dù có hỗn loạn đến đâu thì khi tiến vào vùng nước nông gần bờ, sóng trở nên trật tự hơn. Sóng truyền trong vùng nước nông thành những luống gần như song song ít nhiều đều đặn. Ở đây, sóng biến đổi do có hiện tượng triệt tiêu các sóng bé có năng lượng nhỏ vì ma sát đáy tăng khi độ sâu giảm. Khi truyền trong vùng nước nông, xảy ra hiệ n tượng quay front sóng (tuyến sóng) tạo thành hiện tượng khúc xạ sóng. Không phụ thuộc vào vị trí front sóng ở ngoài khơi, gần tới bờ front sóng trở nên song song với đường bờ (hình 5.5) Từ hình 5.5, ta thấy, đường MN là vị trí liên tiếp của front sóng, còn các mũi tên là các véc tơ vận tốc sóng. Hiện tượng khúc xạ sóng có thể giải thích như sau: Trong vùng nước nông, sóng có tính chất như sóng dài, vận tốc của nó phụ thuộc vào độ sâu của biển và được xác định b ởi công thức: gHV S = , các đoạn frôn sóng ở gần bờ hơn sẽ chuyển động chậm hơn so với những đoạn còn ở xa bờ. Vì vậy, front sóng bị quay dần dần, hướng tới vị trí song song với đường bờ. Hình 5.5. Sự khúc xạ sóng Theo V.V. Suleikin, góc α giữa front sóng và đường song song với bờ tại điểm có độ sâu H phụ thuộc vào góc α 0 tương ứng ở độ sâu H 0 ở ngoài biển khơi với chu kỳ sóng τ. Công thức liên hệ có dạng: 0 2 0 2 50 1 50 1 α τ + τ + =α sin , , H H Sin (5.16) N N ’ M ’’ M ’’’ M M ’ α o α H o H [...]... cầu; - β đối với Nam bán cầu Hình 5. 10 Sự thay đổi của dòng chảy theo độ sâu β là góc lệch của hướng dòng so với hướng gió phụ thuộc vào tỉ lệ của độ sâu biển H và độ sâu ma sát D và được tính theo bảng dưới đây: Bảng 5. 5 Tìm góc lệch β qua tỉ lệ H/D H D β 0,1 0, 25 0 ,5 0, 75 1 00 21 ,50 450 45, 50 450 Độ sâu ma sát được tính theo công thức: 7,6 D= Vg sin ϕ 1 ,5 450 (5. 38) Trong đó: 7,6 là hệ số thực... ở bảng (5. 5), ta thấy khi H ≥ 0 ,5 thì ta coi góc lệch β D luôn luôn bằng 450 - Vận tốc dòng chảy tầng mặt tính theo công thức: 0,0 254 Vd0 = Vg sin ϕ (5. 39) Vd0 tính bằng hải lý/giờ (M/h); Vg tính bằng m/s, còn nếu vận tốc gió tính theo đơn vị hải lý/giờ ta có: 0,0127 Vd0 = Vg (5. 40) sin ϕ Để tìm hướng và vận tốc dòng chảy ở một độ sâu Z nào đó, ta có các công thức sau: N HdZ = Hd0 ± α S (5. 41) Trong... bề mặt vận tốc có thể đạt được 4 ÷ 5 hải lý/giờ, giảm theo độ sâu đến 200mét với vận tốc 2 ,5 ÷ 3 hải lý/giờ và ở tầng 50 0 mét, vận tốc 1 ,5 ÷ 2 hải lý/giờ Thông thường, ở độ sâu 800 ÷ 1200 mét, dòng chảy có hướng ngược lại, ví dụ: dòng Gulf Stream ở độ sâu khoảng 1000 m có dòng chảy ngược gọi là dòng “đối Gulf Stream” có vận tốc từ 0,3 ÷ 0 ,5 hải lý/giờ - Vùng thứ hai - vùng dòng chảy yếu cố định, khác... lệch về phía phải khi độ sâu bắt đầu giảm (đáy lồi) b, Ảnh hưởng của địa hình bờ tới dòng chảy Nhà Hải dương học Krumen có một số kết luận sau đây về dòng chảy ở vùng ven bờ - Do ảnh hưởng của gió, khi dòng chảy chuyển dịch về phía bờ nhô ra sẽ bị phân nhánh thành các xoáy thuận nghịch (hình 5. 12) Hình 5. 12 Ảnh hưởng của địa hình bờ tới dòng chảy 184 http://www.ebook.edu.vn Nhà Hải dương học Macarôp... chính HM2 H K 1 + H O1 (5. 44) HM2 http://www.ebook.edu.vn 191 Theo cách phân chia này, thuỷ triều gồm ba loại chính: - Nếu giá trị tỉ số này rất nhỏ và không vượt quá 0 ,5 thì đó là bán nhật H K 1 + H O1 < 0 ,5 (5. 45) triều: 0,0 < HM2 - Nếu tỉ số có giá trị từ 0 ,5 đến 4,0 là triều hỗn hợp Trong triều hỗn hợp bao gồm bán nhật triều không đều có tỉ số: H K 1 + H O1 < 2,0 0 ,5 < (5. 46) HM2 Và nhật triều... Ekman, các nhà Hải dương học sau này đã xây dựng các công thức thực nghiệm dùng để tính vận tốc dòng chảy gió và dòng trôi như sau: 180 http://www.ebook.edu.vn - Tìm hướng dòng chảy gió tầng mặt: Hd0 = Hg ± 1800 ± β SN Trong đó: (5. 37) Hd0 - hướng dòng chảy tầng mặt, tính bằng độ (0); Hg - hướng gió tính bằng độ (0); + 1800 khi Hg < 1800; - 1800 khi Hg > 1800; + β đối với Bắc bán cầu; - β đối với Nam... 300 mét, độ cao rất nhỏ mắt thường khó nhìn thấy và vận tốc di chuyển đạt tới 10.000 – 15. 000 hải lý trong ngày đêm Đây cũng là dấu hiệu dự đoán sự xuất hiện của bão khá sớm Hình 5. 7 mô tả trường sóng vùng xoáy thuận 2m 3m 4m 2 3 4 5 6 7 89 200 hải lý 400 hải lý 600 hải lý Hình 5. 7 Phân bố độ cao sóng trong bão 5. 1.8 Sóng do động đất (Tsunami) a, Sự hình thành Tsunami Sóng Tsunami là tên gọi cho các... sau: 1 Hướng dòng chảy tầng mặt lệch khỏi hướng gió về bên phải ở Bắc bán cầu và bên trái ở Nam bán cầu một góc bằng 450 2 Vận tốc dòng tầng mặt được tính bằng công thức: T (5. 35) Vd 0 = 2μρ cos inϕ Trong đó: T - áp lực tiếp tuyến của gió (ma sát gió với mặt nước); μ - Hệ số ma sát nhớt; ρ - Mật độ nước; ω - Vận tốc góc quay của trái đất; φ - Vĩ độ địa lý 3 Theo độ sâu tăng lên, vận tốc dòng về giá... Nam, còn bờ phía Đông - hướng về phía Bắc a, Eo biển hướng Đông-Tây b, Eo biển hướng Bắc - Nam Hình 5. 13 Sơ đồ dòng chảy ở các eo biển rộng - Cũng theo Macarôp, ông cũng cho một kết luận khá lý thú là : ở Bắc bán cầu vòng quanh những đảo khá lớn và các quần đảo, dòng chảy thường chảy theo hướng thuận chiều kim đồng hồ còn ở Nam bán cầu ngược lại 5. 2 .5 Phân bố dòng chảy trên đại dương thế giới Các dòng... quá 0,3 ÷ 0 ,5 hải lý/giờ 186 http://www.ebook.edu.vn nhưng trong điều kiện thời tiết đặc biệt có thể đạt tới 2 hải lý/giờ * Vùng dòng chảy xích đạo, đặc trưng bởi các dòng chảy nghịch tầng sâu * Vùng dòng triều chiếm ưu thế, trong đó dòng triều chiếm hơn 50 % dòng chảy quan trắc được Hình 5. 14 Sơ đồ dòng chảy đại dương thế giới Có thể nêu một số dẫn chứng về dòng chảy đại dương như sau: - Vùng thứ nhất . thường) 0, 25 - 0, 75 5 - 15 2 - 3 III Sóng khá lớn (đáng kể) 0, 75 - 1, 25 15 -2 5 3 - 4 IV 1, 25 - 2,0 25 - 40 4 - 5 V Sóng lớn (mạnh) 2,0 - 3 ,5 40 - 75 5 - 7 VI 3 ,5 - 6,0 75 - 1 25 7 - 9 VII Sóng. h = 0,0 45 . V 0 ,56 . D 0 ,54 (5. 1) λ = 0,31 . V 0,66 . D 0,64 (5. 2) t = 0 ,53 3 . V -0 ,38 . D 0,68 (5. 3) Ở đây: t - thời gian cần thiết để sóng phát triển, tính bằng giờ; V - vận tốc. VII Sóng r ất lớn (rất mạnh) 6,0 - 8 ,5 1 25 - 170 9 - 11 VIII 8 ,5 - 11,0 170 - 220 11 - 12 IX Sóng lớn khác thường > 11,0 > 220 > 12 Bảng 5. 2. Thang độ trạng thái mặt biển Cấp