Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Bởi: PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn phamhoanglam Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm Trường đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Tóm tắt: Cơ sở liệu nhiệt độ độ muối biển Đông gồm 137 181 trạm quan trắc khai thác để tính tốc độ âm nước biển Vùng biển Đông giới hạn từ 109oKĐ đến 120oKĐ, từ 2oVB đến 24oVB chia thành lưới theo bước 0,5o phương kinh tuyến vĩ tuyến Tại điểm nút lưới tính phân bố thẳng đứng trung bình tháng tốc độ âm Từ xây dựng mặt cắt thẳng đứng tốc độ âm ứng với vĩ tuyến 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11 10 oVB Kết phân tích phân bố tốc độ âm theo mặt rộng biển cho thấy thời kỳ mùa đông, thí dụ tháng 1, vận chuyển nước dòng chảy lạnh mùa đông làm giảm tốc độ âm lớp nước mặt phần phía bắc đông bắc biển Đông Trên toàn vùng khơi biển Đông quan sát thấy tầng cực tiểu tốc độ âm (trục kênh âm ngầm đại dương) độ sâu biến thiên khoảng 1000 - 1200m, trung tâm vùng khơi tới sâu hơn, 1300 -1400 m Kết tính đường tia âm trường hợp nguốn độ sâu 30, góc mở nguồn 30o cho bán kính vùng tối âm mặt khoảng 50 m, bán kính vành khuyên sáng âm gần nguồn mặt khoảng 300 đến 500 m Các đặc trưng âm học sử dụng để thị khối nước, nghiên cứu dòng chảy, sóng mặt sóng ngầm, băng biển Các phương pháp âm học áp dụng rông rãi giải nhiều toán ứng dụng Đó việc tìm khai thác vùng tập trung cá, tìm kiếm khoáng sản có ích đáy biển đại dương, đảm bảo hàng hải dẫn tầu Đặc biệt phải kể tới việc sử dụng rộng rãi phương pháp âm học lực lượng hải quân 1/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Lần kênh âm ngầm phát năm 1946 thời gian khảo sát biển Nhật Bản, sau nhà khoa học Nga L.M Brekhovskich L.Đ Rozenberg giải thích Giá trị thực tiễn kênh âm ngầm to lớn Hiện tượng truyền âm xa bên kênh âm ngầm sở thủy âm học đại Ngoài liên lạc phát tín hiệu nước, kênh âm ngầm sử dụng để giải trực tiếp toán hải dương học Thí dụ, xây dựng hệ thống trắc đạc âm học, cho phép tiến hành quan trắc liên tục trạng thái chuyển động khối nước theo đặc trưng tích phân tín hiệu lúc vùng nước rộng lớn đại dương biển Trong này, xuất phát từ sở liệu phong phú đặc trưng hải dương học nhiệt độ độ muối, khảo sát đặc điểm trường tốc độ âm biển Đông, tính toán tranh khúc xạ tia âm nước biển để rút số đặc trưng chủ yếu truyền âm biển Cách thức xử lý số liệu nhiệt độ độ muối Cơ sở liệu đặc trưng vật lý nước biển Đông nhiệt độ độ muối gồm 137 184 trạm quan trắc thu thập kiểm tra để loại trừ sai số thô Vùng biển khảo sát giới hạn từ vĩ tuyến đến 24oVB, từ 99 đến 120oKĐ chia thành ô vuông có cạnh 0,5o theo phương kinh tuyến vĩ tuyến Tại điểm nút miền lưới tiến hành nội suy tuyến tính giá trị nhiệt độ độ muối 45 tầng sâu, lớp gần mặt biển có số tầng sâu mau so với lớp sâu Như nhận hai ma trận ba chiều nhiệt độ độ muối cho tháng năm Phương pháp tính tốc độ âm nước biển quy trình xây dựng đường tia âm Xuất phát từ trường nhiệt độ độ muối trung bình tháng nhiều năm xác định tốc độ âm theo công thức thực nghiệm có độ xác cao phổ dụng công thức Wilson W D: C = 1449,14+CT + CS + CP + CPTS, (1) C tính m/s; hiệu chỉnh nhiệt độ khác với 0°C ( CT), độ muối khác với 35%o ( CS), áp suất khác với áp suất khí ( CP) hiệu chỉnh tổng hợp ( CPTS) xác định theo công thức: CT = 4,5721T − 4,4532 ⋅ 10 − 2T2 − 2,60445 ⋅ 10 − 4T3 + 7,9851 ⋅ 10 − 6T4; 2/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông CS = 1,39799(S − 35) + 1,69202 ⋅ 10 − 3(S − 35)2; CP = 1,60272 ⋅ 10 − 3P + 1,0268 ⋅ 10 − 6P2 + 3,5216 ⋅ 10 − 9P3 − 3,3603 ⋅ 10 −12 P4; CPTS = (S − 35)( − 1,1244 ⋅ 10 − 2T + 7,7711 ⋅ 10 − 7T2 + 7,7016 ⋅ 10 − 5P − 1,2943 ⋅ 10 − 7P2 + 3,1580 ⋅ 10 − 8PT+1,5790 ⋅ 10 − 9PT2) + P( − 1,8607 ⋅ 10 − 4T + 7,4812 ⋅ 10 − 6T2 + 4,5283 ⋅ 10 − 8T3) + P2( − 2,5294 ⋅ 10 − 7T + 1,8563 ⋅ 10 − 9T2) + P3( − 1,9646 ⋅ 10 −10 T) P − tính kg/cm2 Bằng công thức này, nhận phân bố thẳng đứng tốc độ âm tất điểm thuộc vùng nước biển Đông, khoảng ngàn điểm Trong mục rút số nhận xét đặc điểm phân bố tốc độ âm biển Đông sở phân tích biến thiên không gian trường tốc độ âm mặt cắt thẳng đứng điển hình biển Đông Với trắc diện thẳng đứng tốc độ âm, tiến hành tính toán khúc xạ tia âm nước biển Quy trình tính đường tia âm thực sở giả thiết khúc xạ tia âm xảy mặt phẳng thẳng đứng Giả thiết toàn bề dày nước biển chia thành nhiều lớp (45 lớp), phạm vi lớp tốc độ âm biến thiên tuyến tính với độ sâu, tức gradient thẳng đứng tốc độ âm lớp không đổi Trong trường hợp này, đường tia âm đường tròn với bán kính R xác định theo công thức R= Co ∣σc∣cosα , (2) tâm có tọa độ: xo = Co σc tgα; zo = − Co σc , (3) Co − tốc độ âm nguồn phát; σc − gradient tốc độ âm theo phương thẳng đứng; α − góc tia âm so với phương ngang, tức trục x Dưới trình bày quy trình tính khúc xạ tia âm môi trường nước biển xây dựng để thực tính toán tự động tranh khúc xạ tia âm nước biển điều kiện bất đồng tốc độ âm phương thẳng đứng (hình 1) 3/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Đường tia âm nước biển phân lớp Phương trình quỹ đạo đường tròn tia âm lớp từ máy phát đến độ sâu z1 có dạng: (x − xo)2 + (z − zo)2 = R2 Sau giá trị xo,zo,R vào phương trình rút gọn ta ( Co ) Co x2 − σ tgα x + z2 − σ z = (4) c c Thế giá trị độ sâu z1 vào toạ độ z phương trình ta nhận phương trình đại số bậc hai toạ độ x dạng ( Co ) ( Co x2 − σ tgα x + z1 z1 − σ c c ) = (5) Muốn tìm toạ độ ngang giao điểm tia âm với biên phân cách hai lớp z1 ta phải giải phương trình (5) ẩn số x Có thể xảy ba trường hợp sau đây: a) Khi phương trình (5) có hai nghiệm riêng biệt, tức có hai giá trị x, ta cần chọn lấy nghiệm x1 phù hợp: thí dụ, đường tròn quỹ đạo tia âm quay bề lõm lên chọn lấy giá trị nhỏ hai nghiệm, giao điểm thứ tia âm từ xuống tới biên phân cách z1 b) Khi phương trình có nghiệm kép, giá trị nghiệm x1 tiếp điểm tia âm với biên phân cách z1 Trong trường hợp này, tia âm phản xạ toàn phần biên phân cách z1 tiếp tục lên phía c) Nếu phương trình vô nghiệm, điều có nghĩa tia âm phản xạ toàn phần độ sâu nhỏ so với độ sâu z1 xét Trong trường hợp này, phải tìm độ sâu z1 nhỏ hơn, xảy phản xạ toàn phần tia âm Bằng giải tích, điều thực 4/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông cách khảo sát biệt số phương trình (5), tức tìm giá trị z1 cho thoả mãn đẳng thức: Co z21 − σ z1 − c ( Co tgα σc ) = (6) Thấy có hai giá trị z1 thỏa mãn đẳng thức người ta phải chọn giá trị gần với độ sâu biên phân cách z1 cho Nếu tia âm tiếp tục xuống lớp dưới, góc tới i tia âm biên phân cách z1 xác định cách tính trị số tang góc nghiêng tiếp tuyến với đường tròn dz quỹ đạo tia âm (4) điểm (x1,z1) Lấy đạo hàm dx theo phương trình (4), ta công thức tính góc trục x tia âm điểm (x1,z1) sau: tgα1 = dz dx ∣ x = x1 z = z1 (7) C0 = x1 − σ tgα C0 z1 − σ Từ điểm có tọa độ (x1,z1) ta tiếp tục tính quỹ đạo tia âm lớp từ tầng quan trắc z1 đến tầng quan trắc z2 theo quy trình hoàn toàn tương tự trình tính lặp lại tầng cuối trạm quan trắc tới đáy Một số đặc điểm phân bố tốc độ âm vùng khơi biển Đông đặc trưng đường tia âm Trên hình dẫn thí dụ phân bố thẳng đứng nhiệt độ, độ muối tốc độ âm điểm thuộc vùng khơi biển Đông tháng Giêng Sự biến thiên mạnh nhiệt độ lớp nêm nhiệt mùa định giảm tốc độ âm lớp biển từ mặt tới khoảng độ sâu 700 - 1000 m 5/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Phân bố thẳng đứng nhiệt độ (a), độ muối (b) tốc độ âm (c) điểm 10,5oKĐ - 13,5oVB Độ muối thường vai trò đáng kể làm biến thiên tốc độ âm Tại số điểm, tháng mùa đông, ảnh hưởng lưỡi nước lạnh, mặn từ phía đông bắc biển xâm nhập vào biển gây nên cực đại cục độ muối độ sâu vài trăm mét (xem hình 2.b) làm cho phân bố tốc độ âm nhiều thay đổi lớp Vai trò nhiệt độ mặt biển thể phân hóa tốc độ âm theo đới bắc nam thể rõ vào mùa đông Trong tháng mùa đông, dòng chảy lạnh góp phần hình thành đường đẳng trị tốc độ âm có dạng lưỡi xâm nhập từ phía bắc đông bắc biển (hình 3a) Trong mùa hè, trường tốc độ âm mặt biển đồng hơn, tồn vùng thiên giảm tốc độ âm trùng với vùng hoạt động nước trồi gần bờ Nam Trung Bộ, Việt Nam (hình 3b) Bắt đầu từ khoảng độ sâu 700 - 800 m, 1000 - 1200 m, nhiệt độ không biến thiên mạnh theo độ sâu, vai trò áp suất bắt đầu làm tăng tốc độ âm Vì vậy, vùng khơi biển Đông, thường quan sát thấy cực đại tốc độ âm độ sâu khoảng từ 700 đến 1200 m phù hợp với quy luật chung vùng nhiệt đới Thái Bình Dương Hình thí dụ đồ phân bố độ sâu cực tiểu tốc độ âm (trục kênh âm ngầm đại dương) 6/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Phân bố tốc độ âm mặt biển Đông, tháng 7/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Phân bố tốc độ âm mặt biển Đông, tháng Trên hình biểu diễn tranh đường đia tia âm tính cho trường hợp góc mở tia 30, 20, 15, 10, 5o so với phương ngang hai trường hợp: nguồn phát gần mặt (độ sâu 30 m) (hình 4a) nguồn phát độ sâu cực tiểu tốc độ âm (1000 m) (hình 4b) Nếu vẽ chi tiết đường tia âm trường hợp nguồn phát đặt độ sâu 30 m, ta nhận thấy mặt biển, gần nguồn phát vùng tối âm có bán kính khoảng 50 m, vùng sáng âm thứ mặt biển, gọi vùng sáng gần nguồn, vành khuyên với bán kính biến thiên từ 300 đến 500 m Ta thấy rằng, độ sâu biển nhỏ so với độ sâu đại dương độ muối tầng sâu thường khoảng giá trị 35%o, nên kênh âm ngầm biển Đông thuộc loại kênh với tốc độ âm đáy biển nhỏ nhiều so với tốc độ mặt biển biến thiên tốc độ âm theo độ sâu không lớn Khảo sát đường tia âm trường hợp nguồn độ sâu trục kênh âm ngầm góc mở cực đại 30o so với phương ngang thấy có tia với góc nhỏ có khả phản xạ bên bề dày nước biển Phần tia lại thường phản xạ đáy mặt biển với lượng giảm nhiều a) Nguồn phát độ sâu 30 m 8/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông b) Nguồn phát độ sâu 1000 m (độ sâu cực tiểu tốc độ âm) Hình Đường tia âm điểm có tọa độ 110,5oKĐ - 13,5oVB Phân bố độ sâu cực tiểu tốc độ âm biển Đông, tháng Kết luận Đã khai thác sở liệu đầy đủ nhiệt độ độ muối để nhận đặc trưng trung bình trường tốc độ âm tranh truyền âm nước biển Đông 9/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Với điều kiện biển Đông, nhiệt độ nước có vai trò ảnh hưởng tới phân bố không gian tốc độ âm, gây nên phân hóa tốc độ âm lớp gần mặt vào mùa đông với đường đẳng trị tốc độ âm chạy theo hướng đông bắc - tây nam có dạng lưỡi Trong mùa hè yếu tố nước trồi lạnh tạo thành vùng tốc độ âm nhỏ tương đối vùng gần ven bờ Nam Trung Bộ Tại phần lớn điểm thuộc vùng khơi biển Đông quan sát thấy cực tiểu tốc độ âm độ sâu 1000 - 1200 m phù hợp với quy luật chung vùng nhiệt đới Thái Bình Dương Kênh âm ngầm biển Đông thuộc loại kênh với gradient tốc độ âm không lớn tốc độ âm đáy nhỏ nhiều so với mặt Kết tính đường tia âm trường hợp nguồn độ sâu 30, góc mở nguồn 30 ° nhận bán kính vùng tối âm mặt khoảng 50 m, bán kính vành khuyên sáng âm gần nguồn mặt khoảng 300 đến 500 m 10/10 ... bố độ sâu cực tiểu tốc độ âm (trục kênh âm ngầm đại dương) 6/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Phân bố tốc độ âm mặt biển Đông, tháng 7/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển. .. trường tốc độ âm tranh truyền âm nước biển Đông 9/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Với điều kiện biển Đông, nhiệt độ nước có vai trò ảnh hưởng tới phân bố không gian tốc độ âm, ... nhiệt độ lớp nêm nhiệt mùa định giảm tốc độ âm lớp biển từ mặt tới khoảng độ sâu 700 - 1000 m 5/10 Một số kết khảo sát trường tốc độ âm biển đông Phân bố thẳng đứng nhiệt độ (a), độ muối (b) tốc độ