Cấu trúc và các qúa trình hình thành đại dương ( Nhà xuất bản đại học quốc gia hà nội ) - Chương 1 pps

Hình thái của Đại Tây Dương được xác định trong bản đồ của Halley không hoàn toàn trùng khớp với những bản vẽ được thực hiện trước đó 200 năm, vị trí các đường bờ ở đây đã được biểu diễn

Chương 1

Mở đầu

Ngay từ thời xa xưa, loài người đã biết khai thác biển để tìm kiếm các lợi ích thương mại, kinh tế, vận tải và cả chiến tranh Họ đã tìm cách chế tạo ra con thuyền đi biển đầu tiên dựa trên hình dáng thô sơ của những con thuyền độc mộc chạy trên sông có từ thời các nền văn minh cổ đại (hình 1.1) Mãi cho đến thế kỷ 15, những chuyến hành trình khám phá đại dương một cách có quy mô mới bắt đầu, mặc dù đó vẫn chỉ là các chuyến thám hiểm nhỏ nhưng đã tạo nên những dấu ấn lịch sử trong ngành Hải dương Đáng chú ý nhất là các tuyến hành trình từ Châu Âu, Bắc Phi và Trung Đông đến Đại Tây Dương (ĐTD), ấn

Độ Dương (AĐD) và một số tiểu vùng quan trọng ở phía tây Thái Bình Dương (TBD) do người Polinedi và Melanedi thực hiện Tuy nhiên, những người đầu tiên thám hiểm đại dương lại không phải là người Châu Âu mà là người Trung Quốc Ngay từ đầu những năm 1400 người Trung Quốc đã có chuyến du hành bằng đường biển tới vùng bờ phía đông của Châu Phi trước cả người Bồ Đào Nha

và chuyến đi của họ không vì các mục đích tìm kiếm thuộc địa hay thương mại

Hình 1.1: Mô hình con thuyền độc mộc của người Ai Cập cổ đại (khoảng

2000 năm trước công nguyên) dựa theo nguyên mẫu khảo cổ tại nhà mồ

ở Thebes

1.1 Đo vẽ bản đồ đại dương

Vào thế kỷ thứ 15, với sự hưng thịnh của thời kỳ Phục Hưng những người Châu Âu bắt đầu đi tiên phong trong các chuyến hành trình dài khám phá đại dương Được sự bảo trợ của những qúy tộc giàu có như Thái tử Henry, một nhà hàng hải người Bồ Đào Nha, các chuyến hành trình xuyên đại dương đã được khuyến khích với những mục đích cá nhân, nhưng đồng thời cũng để tìm ra những con đường giao thương mới Liên tục trong suốt quãng thời gian kéo dài

từ thế kỷ thứ 15 đến thế kỷ thứ 18 là các chuyến thám hiểm do Columbus, Magellan, Cook và một số người khác dẫn đầu Đó là những người có kiến thức rộng về địa lý và nắm vững việc sử dụng các kỹ thuật đi biển thời đó Các chuyến hành trình của họ ngoài việc tìm kiếm những vùng đất mới còn nhằm mục đích

mở rộng các vùng thuộc địa của Châu Âu trên toàn thế giới

Có thể nói, các chuyến thám hiểm đầu tiên đều là những chuyến đi đầy nguy hiểm bởi những hạn chế về phương tiện kỹ thuật hàng hải và thiết bị định vị khi tàu rời khỏi tầm nhìn thấy đất liền Một vài công cụ đi biển thô sơ thời đó chỉ có thể giúp họ xác định được vị trí kinh độ của con tàu trên biển mà không có khả năng xác định được vĩ độ cho dù là theo cách đơn giản nhất cho đến khi chiếc

đồng hồ đo tọa độ congtomet đầu tiên ra đời vào cuối thế kỷ thứ 18

Trong bối cảnh đó, tấm bản đồ đại dương do Halley lập năm 1701 (hình 1.2)

có ý nghĩa rất lớn Hình thái của Đại Tây Dương được xác định trong bản đồ của Halley không hoàn toàn trùng khớp với những bản vẽ được thực hiện trước đó

200 năm, vị trí các đường bờ ở đây đã được biểu diễn khá chính xác theo kinh độ

và các đường đẳng giác (đường cùng giá trị góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý)

Hình 1.2: Bản đồ đẳng giác do Edmund Halley thành lập năm 1701 trên

cơ sở các dữ liệu thu thập trong chuyến hành trình của con tàu Paramour Pink (1698-1700) Nguồn : ”Bản đồ và con người” N.J.W Thrower (1972) Maps and Man, NXB Prentice-Hall

Hình 1.3: Bản đồ thế giới do Juan de la Cosa thực hiện vào năm 1500

Ông là hoa tiêu trong chuyến thám hiểm thứ hai của Columbus Nguồn: bảo tàng hàng hải ở Mardrid; ảnh Arxiu Mas

Hình 1.4: (a) Hành trình của tàu HMS Challenger, 6/1872; (b) Tàu HMS

Challenger, 1872 Đây là một con tàu gỗ chạy bằng hơi nước có trọng tải

2306 tấn

Hệ thống các thông tin hải dương học ban đầu chỉ dựa vào các kết qủa khảo sát thực địa và việc tiến hành thành lập sơ đồ đường bờ, vì vậy lượng thông tin

có được không khác biệt nhiều so với kiến thức của người đi biển hoặc của ngư dân Trước đó, các chuyến khảo sát vùng đáy sâu đại dương chỉ đếm trên đầu ngón tay và thường không đem lại nhiều kết qủa Chẳng hạn như chuyến khảo sát độ sâu vùng trung tâm đáy biển Thái Bình Dương do Magellan thực hiện vào

đầu thế kỷ thứ 16 Ông đã sử dụng phương pháp dây dọi để xác định độ sâu đáy biển, nhưng do độ sâu tại khu vực nghiên cứu qúa lớn nên không thu được kết qủa Sau đó nhiều chuyến khảo sát khác tiếp tục được thực hiện và ngày càng hoành tráng nhất là vào thế kỷ thứ 19, đáng kể là chuyến khảo sát quy mô lớn nhằm xây dựng hệ thống các thông tin dữ liệu đầu tiên về hải dương học do tàu

Challenger thực hiện kéo dài từ năm 1872 đến năm 1876 được chính phủ Anh

bảo trợ (hình1.4b)

Các số liệu mà tàu Challenger thu thập được trong chuyến hành trình này rất đa dạng và phong phú về chủng loại Sau đó, toàn bộ các đầu số liệu đã được xuất bản thành 50 tập sách, đánh dấu sự ra đời của ngành khoa học biển Nhiều nội dung nghiên cứu khoa học khác về đại dương cũng rất phát triển trong giai

đoạn này Ngay từ trước thế kỷ thứ 19, những người đi biển đã nhận thức được

sự tồn tại của các dòng hải lưu do chúng làm cản trở hoặc làm tăng tốc độ hành trình của họ Ví dụ như các chuyển động thuận nghịch theo mùa của dòng chảy Somali, ngoài khơi vùng biển Đông Phi đã từng được ghi nhận trong các tài liệu

cổ từ thế kỷ thứ 9 hay những thay đổi màu của nước biển và sự xuất hiện của các loài thực vật rong tảo ở các vùng ngoài khơi xa đã minh chứng thêm về sự hiện diện của các dòng chảy trong đại dương Tuy nhiên những khó khăn đối với các hoạt động hàng hải trên đại dương chính là việc xác định vận tốc của các dòng hải lưu vì các chuyển động của chúng không có sự tương quan với những

đặc điểm cố định dễ xác định giống như mối tương quan giữa dòng chảy ven bờ với đặc điểm địa hình vùng bờ

1.1.1 Các phương pháp định vị hàng hải

Mặc dù những khó khăn mà các nhà thám hiểm đi trước gặp phải trong việc xác định vị trí của các con tàu đi trên biển và đại dương đã được khắc phục bằng những kỹ thuật công nghệ hiện đại thì việc điều khiển các con tàu trong khu vực gần bờ vẫn thuận lợi hơn đối với họ so ngoài đại dương mênh mông Việc định vị tàu tại các khu vực này chủ yếu dựa vào giới hạn tầm nhìn từ tàu tới đất liền, tuy nhiên (ngoài lý do thời tiết xấu hoặc biển động) một số yếu tố tự nhiên như

độ cong của trái đất, độ cao của trạm quan sát (có thể là trạm phát sóng rađa) và

độ cao của vật định vị trên đất liền có thể làm ngắn giới hạn khoảng cách tầm nhìn này (hình 1.5)

Hình 1.5: Giới hạn tầm nhìn và độ cong của bề mặt trái đất (không theo tỉ

lệ) Tại vị trí quan sát có độ cao 5 m so với mực nước biển, giới hạn tầm

nhìn của mắt người là 7,5km và họ có thể nhìn thấy các vật thể cao 10m

đến 20m so với mực nước biển ở khoảng cách 7,5 + 11 = 18,5km và 7,5 +

16 = 23,5km

Khi gặp điều kiện thời tiết xấu hoặc đêm tối, việc sử dụng các trạm rađa thu phát (sóng radio) rất thuận lợi Sự phát xạ của các chùm tia xoay tròn dưới dạng sóng vô tuyến (tần số từ 3000-10000MHz; MHz = megahertz, 1MHz = 106Hz Hertz (Hz) là đơn vị tần số = 1 chu kỳ/giây) từ tàu sẽ nhanh chóng bị phản hồi trở lại khi gặp các vật thể nằm chắn trên đường đi của chúng Dựa vào khoảng thời gian tín hiệu được truyền đi và thu nhận trở lại, người ta có thể xác định

được khoảng cách và phương hướng theo chiều phản hồi của các tia phản xạ Nói chung, khoảng thời gian này rất ngắn vì các sóng vô tuyến là một dạng bức xạ

điện từ có tốc độ lan truyền bằng tốc độ áng sáng ( 3  108ms-1)

Độ chính xác của phương pháp định vị bằng mắt thường và rađa chỉ áp dụng

được trong giới hạn khoảng cách từ hàng chục đến hàng trăm m, nhưng vẫn bị hạn chế bởi giới hạn tầm nhìn, do vậy phạm vi phát hiện hẹp (hình 1.5) Đối với những hệ thống định vị vô tuyến tầm xa, người ta sử dụng mạng lưới các trạm thu phát trên đất liền để phát các xung hoặc tín hiệu vô tuyến liên tục có tần số

từ 10kHz đến 2MHz, đó là các tia có khả năng lan truyền vòng theo độ cong của

vỏ trái đất Các máy thu đặt trên tàu sẽ đón nhận các chùm tia giao thoa từ các trạm phát khác nhau và cho biết vị trí của tàu thông qua một hệ quy chiếu thống nhất Tuy nhiên, khoảng cách và độ chính xác của những hệ thống này không giống nhau Thí dụ : hệ Decca có tầm xa chừng 500km và độ chính xác trong điều kiện tối ưu là  50m, trong khi hệ Omega có phạm vi sử dụng rộng, có thể áp dụng trong định vị hàng hải với độ chính xác  2-3km

Phương pháp định vị hàng hải dựa vào thiên văn học vẫn được xem là phương pháp truyền thống Trong phương pháp này, người ta sử dụng kính lục phân để đo góc lệch của mặt trời, mặt trăng, các hành tinh và các vì sao theo

đường chân trời vào cùng một thời điểm xác định Dựa vào bảng tra cứu có thể biết được các chuyển động của mỗi thiên thể và hai trong số chúng sẽ giúp ta

định vị được vị trí cần xác định Nhưng phương pháp này cũng chỉ cho độ chính xác trong phạm vi vài km kể cả trong điều kiện thời tiết lý tưởng và chỉ có thể thực hiện được khi cùng lúc quan sát thấy các thiên thể và đường chân trời Mặt trời, đôi khi cả mặt trăng và đường chân trời có thể nhìn thấy vào ban ngày, nhưng ban đêm vị trí đường chân trời không dễ tìm thấy cho nên việc quan trắc các ngôi sao và những hành tinh thường chỉ thực hiện được vào cuối ngày khi

đường chân trời còn nhìn thấy rõ Ngoài ra việc lắp đặt và sử dụng kính lục phân trên các con tàu đang chuyển động đòi hỏi nhiều kỹ năng thao tác, công sức và thời gian tính toán

Mặc dù phương pháp định vị hàng hải thiên văn là phương pháp định vị lâu

đời đã được sử dụng qua nhiều thế kỷ, nhưng vẫn không thể so sánh được với phương pháp định vị bằng vệ tinh Nhờ sự giúp đỡ của các vệ tinh được phóng vào trong không gian bên ngoài trái đất, người ta có thể định vị được chính xác mọi vị trí trên đại dương với sai số  100m trong bất kỳ điều kiện thời tiết nào

Đây là phương pháp do Cục hải quân Hoa Kỳ phát triển và ứng dụng vào năm

1967 Ngày nay, một mạng lưới các vệ tinh định vị luôn sẵn sàng cho các hoạt

động hàng hải và hàng không Một số vệ tinh ở quỹ đạo tầm cao (gần 20000km)

có thể “quan sát” cùng lúc một vùng rộng lớn trên địa cầu, số khác bay ở quỹ đạo thấp hơn, gần các cực trái đất nên có thể quan sát hết phần lớn mọi điểm trên

địa cầu khi trái đất quay (hình 1.6) Thông qua vệ tinh, cứ vài tiếng các phương tiện hiện đang hoạt động trên biển và trên không đều nhận được các tín hiệu

định vị cho vị trí của nó Đối với các hoạt động trên biển, việc định vị chính xác

có ý nghĩa rất lớn, đôi khi mang tính sống còn Do vậy, theo nguyên tắc, các tàu

đi trên biển và đại dương thường sử dụng từ hai phương pháp định vị trở lên phòng trường hợp bất trắc xảy ra Song hành cùng với phương pháp định vị vệ tinh với những ứng dụng kỹ thuật tiến tiến hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các công tác nghiên cứu khoa học, thương mại và quân sự trên đại dương thì các phương pháp truyền thống tuy kém hiệu qủa nhưng vẫn được sử dụng bởi khả năng ứng dụng đơn giản của chúng Bảng 1.1 tổng hợp khoảng cách và độ chính xác của một số các phương pháp định vị hàng hải

Bảng 1.1: Khoảng cách và độ chính xác của một vài phương pháp định vị hàng hải

Định vị bằng thiên văn Toàn cầu 2 – 10km

Định vị bằng vệ tinh Toàn cầu 0,1 – 200m

Hình 1.6: Nguyên tắc định vị hàng hải bằng vệ tinh Khi một vệ tinh xoay

theo tâm quỹ đạo cực, nó sẽ phát ra những tín hiệu chứa thông tin về độ

cao, vị trí và tốc độ bay của nó Nhờ đó khi vệ tinh đi qua các điểm A,B

và C trên hình vẽ, các máy tính đặt trên bong tàu sẽ phân tích các dữ

liệu do vệ tinh phát về để xác định vị trí tương quan của con tàu với vệ

tinh, từ đó xác định được vị trí của nó trên bề mặt trái đất với sai số giới

hạn trong vòng bán kính khoảng 100m

1.1.2 Phương pháp đo độ sâu

Các đường đồng mức trên bản đồ địa hình đất liền được xây dựng dựa trên

số đo độ cao của các dạng địa hình so với mực nước biển, còn các đường đồng mức trên bản đồ độ sâu biển và đại dương thì dựa trên số độ sâu dưới mực nước biển Vì vậy, việc đo đạc chính xác vị trí các độ sâu và độ cao này luôn là một yêu cầu tất yếu

Trước khi máy đo độ sâu hồi âm ra đời, việc đo đạc độ sâu chỉ được thực hiện bằng những dụng cụ thô sơ và thiếu độ chính xác cao Chẳng hạn, để đo độ sâu người ta dùng một sợi dây dọi có buộc qủa nặng ở đầu dây rồi thả xuống nước hoặc dùng một cái ống dài bằng thép chọc xuống đáy biển, kết qủa đo được chính là chiều dài của đoạn dây hoặc ống thép được thả Nhưng cách đo đạc này chỉ có hiệu qủa đối với những vùng biển nông (hình 1.7), còn với những vùng nuớc sâu hơn như ngoài đại dương thì phải cần đến hàng giờ để hạ và kéo dụng

cụ đo lên trong khi dòng hải lưu hoặc gió có thể đẩy con tàu xê dịch khỏi vị trí ban đầu khiến dụng cụ đo hạ xuống nước không còn ở tư thế thẳng đứng và kết quả độ sâu đo được sẽ lớn hơn nhiều giá trị thực tế Hơn nữa, trong vùng nước sâu việc xác định quả dọi chạm đáy là rất khó bởi trọng lượng sợi dây sẽ trở nên

nặng hơn quả dọi Vì những khó khăn này mà trong chuyến thám hiểm ba năm

rưỡi của tàu Challenger, các nhà khoa học chỉ thu được 300 số đo độ sâu ở vùng

biển sâu

Phương pháp đo độ sâu bằng máy hồi âm được sử dụng lần đầu tiên vào những năm 1920 trong các chuyến hành trình khảo sát biển Nhờ tính năng sử dụng cao, người ta có thể thực hiện hàng trăm phép đo trong vòng một vài ngày

và cho phép thành lập các bản đồ địa hình đáy đại dương với các dạng địa hình cơ bản như sống núi ngầm giữa ĐTD hay dãy Carlsberg và các vùng thung lũng giữa núi

Phương pháp này cũng cho phép thực hiện các đo đạc một cách nhanh chóng, liên tục và chính xác Nguyên lý của phương pháp là truyền xung âm thanh qua các lớp nước xuống đáy biển, khi chạm đáy âm thanh sẽ tự phản xạ trở lại và được các máy đặt trên tàu thu nhận Dựa vào tốc độ lan truyền của sóng âm thanh trong nước và khoảng thời gian giữa hai thời điểm máy thu và phát âm thanh, người ta tính được độ sâu đáy biển Nếu các xung âm thanh được phát đi đều đặn trong từng khoảng thời gian ngắn, sóng phản hồi có thể được ghi lại dưới dạng đồ thị biểu diễn mặt cắt liên tục của đáy đại dương (hình 1.8) Trong điều kiện lý tưởng, phép đo này có thể đạt độ chính xác đến vài mét ngay cả ở vùng nước sâu Tuy nhiên, vẫn có một số yếu tố gây nhiễu, chẳng hạn như

ảnh hưởng của sóng trên bề mặt biển có thể làm tàu tròng trành lên xuống tới vài mét, quan trọng hơn nữa là tốc độ truyền âm trong nước biển có thể dao động trong giới hạn  4% tuỳ theo độ muối, nhiệt độ và áp suất của nước biển Bằng cách sử dụng các bảng tra cứu đối với các vùng đại dương khác nhau trên toàn cầu, các nhà nghiên cứu có thể xử lý sơ bộ các số liệu đo được (quy chuẩn thông dụng là 1500m/s) Các sai sót khi xử lý có thể dẫn đến những sai số đáng kể về

độ sâu, chẳng hạn sai số tốc độ truyền âm bằng 1% sẽ dẫn đến sai số tới 30m với cột nước sâu 3km Tần số âm thanh được dùng để đo độ sâu đại dương thường là 5-30kHz

Ngoài ra, sai số gặp phải còn do khả năng phân giải yếu của các máy hồi âm, nguyên nhân là sự phân kỳ của chùm tia với góc phát khoảng 300 khi các sóng

âm thanh được truyền xuống và ứng góc phát như vậy các chùm tia có thể quét

được một diện tích lớn trên đáy đại dương với đường kính khoảng 1,5km ở độ sâu 3km Nhưng những biến đổi địa hình đáy trong diện tích này sẽ không được thể hiện rõ và độ sâu đo được sẽ nông hơn độ sâu thực tế bên dưới tàu (hình 1.9 (b)) Các máy hồi âm có độ phân giải cao là những máy sử dụng chùm tia có góc phát hẹp, khoảng một vài độ Để thiết kế được như vậy, máy sẽ trở nên cồng kềnh nên đó là lý do mà loại máy này ít được sử dụng rộng rãi Một lý do khác khiến các máy hồi âm có chùm tia phân kỳ lớn được sử dụng nhiều hơn là nó cho phép thực hiện công việc đo đạc ngay cả khi biển động và tàu bị lắc lư mạnh, do vậy mà đối với các hoạt động hàng hải thường xuyên thì việc sử dụng các loại máy này là thích hợp và hiệu qủa hơn so với những thiết bị với chùm tia hẹp

Song đối với một số nghiên cứu khảo sát biển quan trọng thì các máy có độ phân giải cao vẫn rất cần thiết

Hình 1.7: Phương pháp đo độ sâu bằng dây dọi Đây là phương pháp đo

độ sâu duy nhất được sử dụng cho tới đầu thế kỷ thứ 20 (tranh của

Arthur Briscoe)

Hình 1.8: Sơ đồ ghi của máy đo độ sâu hồi âm vùng rìa thềm lục địa phía

đông của nước Mỹ Độ dốc của mặt cắt là do tỷ lệ phóng đại gấp 12 lần

theo trục đứng Các lớp nhiễu thể hiện sự tập trung của các tổ chức hữu

cơ hoặc mảnh vụn sinh vật chết và kết qủa này cũng cho thấy những

ứng dụng hữu ích khác của máy hồi âm

Hình 1.9: (a) Chùm tia phân kỳ của máy đo độ sâu echo-sounder có hình

chóp với góc đỉnh bằng 30 0 (b) Mặt cắt ngang phóng đại thể hiện độ sâu

thực (d), nằm ngay dưới đáy tàu, bị nhiễu bởi các tia phản xạ mạnh hơn

tại điểm tới vuông góc với độ sâu nông (h) h< d< l Do vậy thời gian máy

ghi lại t h <t d <t l cho thấy thời gian truyền âm tăng dần đối với các chùm tia

tán xạ và phản xạ từ các độ sâu khác nhau Đây mới chỉ là những mô tả

đơn giản nhưng vẫn giúp chúng ta thấy được mặt hạn chế của phương

pháp đo độ sâu này, đó là các sai số gặp phải đều do độ phân giải yếu,

có thể ở mức vài chục mét đối với vùng nước sâu

Câu hỏi 1.1 Phân tích H.1.8 và đánh giá mức độ chính xác của các thông tin

về vị trí và độ sâu thể hiện trên mặt cắt của (a) mép thềm lục địa và (b) mỏm nhô thấp nhất trên sườn lục địa

Qua câu hỏi 1.1, chúng ta có thể biết được những điểm cần lưu ý khi tiến hành điều tra và thành lập các bản đồ hải dương Việc chấp nhận các sai số lớn gặp phải đôi khi là cần thiết, mặc dù những sai số này đối với hoạt động đo vẽ

địa hình trên đất liền thì không thể chấp nhận được, chẳng hạn vị trí của một

điểm nào đó mà lệch với một dạng địa hình đã biết (ví dụ một đường quốc lộ) tới vài mét là bản đồ đã sai hoàn toàn Tuy nhiên, khi xác định vị trí để đặt các máy thăm dò đáy đại dương thì đòi hỏi phải có độ chính xác cao

1.2 Đo vẽ địa hình đáy đạI DƯƠNG