Các xoáy trong đại d~ơng

8 Tín phong nam

1.10. Các xoáy trong đại d~ơng

Năm 1970, trong khi thực hiện quan trắc di hạn về dòng chảy tại khu vực khảo sát vật lý thủy văn “Polygon−70” nằm trong vùng nhiệt đới Đại Tây D‡ơng, gần quần đảo Mũi Xanh, các nh khoa học Nga đã có một phát hiện tuyệt vờị Thấy rằng, trên nền hải l‡u Tín phong bắc, hải l‡u ny quyết định chế độ thủy văn của vùng, đã có những chuyển động xoáy rất mạnh, với kích th‡ớc không gian khoảng 100−300 km v thời gian sống từ hng chục ngy tới hng chục tháng. Những xoáy ny di chuyển chậm, với tốc độ 1−6 cm/s, theo một quỹ đạo dạng thắt nút phức tạp, chủ yếu về phía tây, đã gây nên tính chất không dừng của động lực n‡ớc ở khu vực. Sự không dừng nh‡ vậy trong

hon l‡u n‡ớc tổng quát đ‡ợc ng‡ời ta gọi l biến động synop, còn những thnh tạo xoáy − đ‡ợc gọi l các xoáy synop.

Trong Đại d‡ơng Thế giới, ng‡ời ta thấy các xoáy rất đa dạng, những cơ chế phát sinh ra chúng rất khác nhaụ Th‡ờng ng‡ời ta phân biệt: các xoáy front, các xoáy vùng

khơi đại doơng xuất hiện do hệ quả sự bất ổn định t áp

bên trong, các xoáy địa hình liên quan tới sự chuyển động của các khối n‡ớc tr‡ờn quanh những vật cản d‡ới n‡ớc, v

các xoáy synop sinh ra bởi những quá trình khí quyển (bão,

xoáy thuận mạnh v.v..).

Xét theo dấu quay vòng n‡ớc, các xoáy đ‡ợc chia thnh

xoáy thuận v xoáy nghịch. Xét theo quy mô không gian,

chúng đ‡ợc chia thnhxoáy quy mô lớn (đ‡ờng kính 50−250

km), xoáy quy mô trung gian (đ‡ờng kính 10−50 km) v

xoáy quy mô vừa (đ‡ờng kính nhỏ hơn 10 km).

Xét theo khoảng thời gian tồn tại, các xoáy đ‡ợc chia thnh xoáy tựa vĩnh cửu, xoáy tồn tại lâu vxoáy thời gian ngắn. Về phần mình, các xoáy tồn tại lâu có thể phân chia thnh xoáy trẻ (d‡ới 1 năm), xoáy giu (hơn 1 năm), xoáy tái sinh.

Hình 1.18. Sơ đồ khối ho†n l~u n~ớc sâu Bắc Băng D~ơng (theo Ẹ G. Nhikiphorov v† Ạ Ọ Spaikher, 1980)

Các xoáy front v xoáy vùng khơi đại d‡ơng đ‡ợc nghiên cứu kỹ nhất. Các xoáy front, đôi khi đ‡ợc gọi l các vòng xoáy, xuất hiện trong các đới front của các hải l‡u uốn khúc nh‡ Gơntrim, Curosyo, v.v..

Chúng ta sẽ xem xét quá trình hình thnh các xoáy gồm một số giai đoạn qua thí dụ Gơntrim. ở giai đoạn thứ nhất (hình 1.19), hình thnh khúc uốn quy mô lớn, nếu khúc uốn có độ cong xoáy thuận thì nó lan lấn tới vùng n‡ớc biển Sagasô, còn nếu khúc uốn có độ cong xoáy nghịch

thì nó lan lấn tới vùng n‡ớc s‡ờn lục địạ ở giai đoạn thứ hai, khúc uốn từ hình thức dạng sóng biến đổi thnh dạng thắt nút cửa hẹp, qua cửa ny khối n‡ớc s‡ờn lục địa xâm nhập vo bên trong khúc uốn thuận, còn khối n‡ớc biển Sagasô thì xâm nhập vo bên trong khúc uốn nghịch. Khi các khúc uốn chuyển động xuôi theo dòng chảy v đạt tới kích th‡ớc tới hạn, thì các khúc uốn bị tách ra v bắt đầu giai đoạn thứ bạ ở giai đoạn ny, n‡ớc bên trong nút thắt hon ton biệt lập với n‡ớc của hải l‡u Gơntrim. Quỹ đạo trục dòng chảy đ‡ợc nắn thẳng ở khu vực cửa khúc uốn. ở giai đoạn thứ t‡, xoáy thuận (xoáy nghịch) tách hẳn khỏi dòng Gơntrim: từ mạn bắc của luồng chảy chính thì hình thnh các xoáy nghịch, còn từ mạn nam − các xoáy thuận. Nhiệt độ v độ muối ở bên trong các xoáy nghịch thì cao hơn, ở bên trong các xoáy thuận thì thấp hơn so với n‡ớc xung quanh. Chênh lệch nhiệt độ rất đáng kể, có thể đạt tới 10oC. Tốc độ chuyển động xoay theo quỹ đạo trong các vòng xoáy có thể bằng 2−3 m/s, thời gian sống − tới một số năm. Trong hệ thống Gơntrim đồng thời quan sát đ‡ợc 10−12 vòng xoáy khác dấu, chúng di chuyển chủ yếu theo h‡ớng tây hay tây nam.

Khác với các xoáy front, các xoáy vùng khơi đại d‡ơng l những xoáy “tự do”, bởi vì chúng di chuyển nh‡ các sóng

hnh tinh Rossby, không lôi kéo theo mình các khối n‡ớc. Vì các sóng Rossby có tính chất nh‡ vậy, nên thnh phần tốc độ pha vĩ h‡ớng của chúng luôn h‡ớng từ phía đông sang phía tây, các xoáy tự do cũng di chuyển chủ yếu theo h‡ớng tâỵ Hơn nữa, chúng rất hay biểu hiện d‡ới dạng tập hợp một số xoáy nối tiếp nhau, tức d‡ới dạng “chuỗi gắn bó”.

Hình 1.19. Sơ đồ biến tính khúc uốn của Gơntrim th†nh xoáy thuận (a) v† xoáy nghịch (b) (theo Ẹ Ị Baranov)

I− IV − các giai đoạn của quá trình, 1 − noớc Gơntrim, 2− noớc soờn lục địa, 3 − noớc biển Sagasô 2− noớc soờn lục địa, 3 − noớc biển Sagasô

lĩnh vực đặc biệt lý thú. Theo một số ‡ớc l‡ợng, động năng của chúng v‡ợt trội 10−20 lần động năng của các hải l‡u quy mô lớn. Hiển nhiên các xoáy synop có ảnh h‡ớng lớn tới hon l‡u v các quá trình động lực trong đại d‡ơng. Chẳng hạn, nhờ chúng m các quá trình trao đổi nhiệt, muối v các tính chất khác giữa n‡ớc mặt v n‡ớc d‡ới sâu đ‡ợc tăng c‡ờng hơn nhiềụ

Thứ t‡ơng tự các xoáy đại d‡ơng l các xoáy synop trong khí quyển (các xoáy thuận v xoáy nghịch), chúng quyết định những điều kiện thời tiết trên Trái Đất. Các xoáy thuận liên quan tới những khu vực áp suất thấp, còn các xoáy nghịch − những khu vực áp suất caọ

Khác với các xoáy đại d‡ơng, các xoáy thuận v xoáy nghịch khí quyển có quy mô không gian (từ một vi trăm đến vi nghìn kilômét) cũng nh‡ tốc độ di chuyển (tới vi chục km/giờ) lớn hơn rất nhiềụ Tuy nhiên, thời gian sống của chúng (một số ngy) lại ít hơn nhiều so với thời gian sống của các xoáy đại d‡ơng. Những khác biệt đó tr‡ớc hết l do sự khác biệt lớn về các quy mô không gian của khí quyển v Đại d‡ơng Thế giới v cấu trúc thẳng đứng của chúng.

Các dòng chảy m ng‡ời ta gọi l dòng chảy dạng nấm cũng thuộc loại những thnh tạo xoáy; chúng đ‡ợc K. N.

Pheđorov phát hiện cách đây không lâu, đầu những năm 80, v ông phát hiện ra chúng bằng con đ‡ờng không hon ton bình th‡ờng− trên cơ sở phân tích các ảnh vệ tinh của đại d‡ơng. Dòng chảy dạng nấm l một dạng chuyển động phát triển ở lớp sát mặt đại d‡ơng v gồm một tia mảnh chảy xiết kết hợp với một cặp xoáy ng‡ợc dấu, gọi l các l‡ỡng cực, ở đầu mút. Do đó, cấu trúc xoáy về tổng thể giống nh‡ hình nấm trên mặt cắt (hình 1.20).

Hình 1.20. Sơ đồ dòng chảy dạng nấm trong đại d~ơng (theo Ẹ Ị Baranov)

Khác với các xoáy synop, các dòng chảy dạng nấm đặc tr‡ng bởi kích th‡ớc không gian − thời gian nhỏ hơn nhiều (đ‡ờng kính của các xoáy l‡ỡng cực bằng 60−100 km, thời

gian sống của chúng th‡ờng không quá một số ngy). Ng‡ời ta phân biệt hai pha phát triển của các dòng chảy dạng nấm. Pha thứ nhất rất ngắn: thời gian kéo di chỉ từ một số giờ đến một ngỵ Trong khoảng thời gian ny dòng chảy xiết phát triển, còn các xoáy l‡ỡng cực thì rất nhỏ v chỉ biểu hiện d‡ới dạng đầu mút dòng chảy tòe ra, đ‡ờng kính không quá 20−35 km.

Pha tiến triển thứ hai của các dòng chảy dạng nấm chậm hơn v kéo di từ hai ngy đến một tuần. Trong thời kỳ ny, các xoáy l‡ỡng cực ở đầu mút lớn lên tới 60−100 km; tốc độ của tia chảy xiết chậm dần. Các dòng chảy dạng nấm − đó l dạng chuyển động quy mô vừa điển hình trong đại d‡ơng. Nó đặc tr‡ng cho trạng thái không dừng của lớp sát mặt v xuất hiện khi có biến đổi đột ngột của xung lực địa ph‡ơng.

Nguồn gốc v cơ chế của các nhiễu động xung địa ph‡ơng trong đại d‡ơng rất đa dạng. Chúng có thể l do tác động của các dòng không khí chảy xiết lên bề mặt đại d‡ơng, do chênh lệch mực n‡ớc gây bởi dòng n‡ớc sông, trao đổi n‡ớc qua các eo biển, do sự bất ổn định địa ph‡ơng của các xoáy synop, sự tan băng v.v.. Dữ liệu quan trắc vệ tinh cho thấy rằng, các cấu trúc dạng nấm của dòng chảy ở đại d‡ơng phát triển trong những tr‡ờng hợp có một nguồn

lực bắt buộc (nhiễu động xung địa ph‡ơng) kết hợp với các điều kiện vật lý (sự phân tầng n‡ớc, lân cận đ‡ờng bờ).

Tính chất không dừng biểu hiện rất rõ của các dòng chảy dạng nấm lm cho ng‡ời ta thực tế không thể nghiên cứu chúng m chỉ dựa vo đo đạc bằng dụng cụ ở đại d‡ơng. Vì vậy, hiện nay phải nhờ vo các quan trắc viễn thám từ vệ tinh v mô hình hóa thủy động trong phòng thí nghiệm để xem xét chúng về ph‡ơng diện động học v động lực học.

Những nghiên cứu của một số năm gần đây cho biết rằng, trong đại d‡ơng còn rất phổ biến một kiểu thnh tạo xoáy quy mô vừa nữa − gọi lcác xoáy nhiệt muối nội. Khác với những cấu trúc dạng nấm, các xoáy ny l những thnh tạo địa ph‡ơng có thời gian sống lâu (tới 3−5 năm), chủ yếu quan sát đ‡ợc trong nêm nhiệt hay nêm mật độ. Xoáy nhiệt muối nội l một thnh tạo n‡ớc (một thể tích n‡ớc giới hạn với bề dy vi trăm mét v đ‡ờng kính một số chục kilômét) có dạng thấu kính, chuyển động xoaỵ Trong đó cực đại vận tốc quỹ đạo (25− 50 cm/s) đ‡ợc quan sát thấy ở mực nhân, nơi ny có các đặc tr‡ng nhiệt muối dị th‡ờng biểu hiện rất rõ. Điều lý thú l ở chỗ với thời gian những tính chất động lực v nhiệt muối dị th‡ờng ny của nhân xoáy − thấu kính ít biến đổi, thực tế giữ nguyên không đổi, mặc dù bản thân xoáy nhiệt muối nội di chuyển trong không gian trên những

khoảng cách lớn.

Về ph‡ơng diện ny ng‡ời ta thấy các xoáy nhiệt muối nội nguồn gốc Địa Trung Hải l đặc biệt lý thú. Xét theo mật độ, các xoáy ny tồn tại ở lớp trung gian 800−1600 m v mang n‡ớc từ eo Ghibranta đến biển Sagasô, tức một khoảng cách 5000−8000 km kể từ ổ hình thnh của mình. Theo dữ liệu chuyến khảo sát thứ bảy của tu khảo sát “Giáo s‡ Sergey Đoropheev” của Ucraina, năm 1987, thì tại tâm của một xoáy nh‡ vậy dị th‡ờng nhiệt độ v độ muối tuần tự bằng 2,5 oC v 0,8 %o.

Các xoáy nhiệt muối nội ch‡a đ‡ợc nghiên cứu nhiềụ Đặc biệt l về những cơ chế phát sinh ra chúng, những nguyên nhân vì sao chúng sống lâu đến ngạc nhiên nh‡ vậy v.v..