Cấu trúc không gian của các sóng dμi trong đại d~ơng vμ quan trắc các sóng ven

C từ điều kiện có hạn củ aζ (x) khi ∞; 2 ' = 0− từ đòi hỏi đesóng phản xạ chạy trên h ‡ớng từ bờ rạ

i trọng lực “bị khóa” (n lền vớ chuyển động của chùm sóng

3.7. Cấu trúc không gian của các sóng dμi trong đại d~ơng vμ quan trắc các sóng ven

vμ quan trắc các sóng ven

Những mô hình lý thuyết xét ở ch‡ơng 2 cho phép giải thích đ‡ợc rất nhiều những đặc điểm phổ thực của tr‡ờng sóng vμ trên cơ sở các dữ liệu thực địa khảo sát cấu trúc của các sóng dμi ở vùng khơi đại d‡ơng vμ trên vùng thềm. Về phần mình, những quan trắc trực tiếp về các tham số sóng dμi lμ chỉ tiêu cơ bản về tính đúng đắn của các mô hình lý thuyết đã đê x‡ớng.

Việc đo các đặc tr‡ng không gian của các sóng dμi ở đại d‡ơng lμ một nhiệm vụ phức tạp hơn rất nhiều so với việc đo biên độ hay chu kỳ của chúng. Để giải quyết nhiệm vụ nμy cần

mạn vμ

kho mô

l‡ợng nhữ

g l‡ới các trạm n‡ớc sâu, hơn nữa sơ đồ bố trí các trạm ảng cách giữa chúng cần phải t‡ơng ứng với những quy các sóng dμi đ‡ợc khảo sát. Nh‡ đã nói ở ch‡ơng 1, số

ng hệ thống polygon máy đo mực n‡ớc đặt đáy rất hạn chế, vμ chúng chủ yếu tập trung ở đới thềm. Một số trạm đơn lẻ đặt

http://www.ebook.edụvn

ở ngoμi khơi không cho phép xác định những quy mô không gian của các sóng dμi vμ h‡ớng truyền của chúng một cách trực tiếp. Vấn đề về h‡ớng chuyển động của các sóng đại d‡ơng vμ về phổ góc của chúng nói chung lμ một trong những vấn đề phức tạp vμ ch‡a rõ nhất. Còn để xác định b‡ớc sóng có thể sử dụng những cách ‡ớc l‡ợng lý thuyết. Nh‡ đã nhận xét, tốc độ pha của các sóng dμi với đọ chính xác cao đ‡ợc mô tả bằng công thức Lagrange c= gh. Do đó, nếu tần số của các sóng lan truyền đ‡ợc biết, thì b‡ớc sóng của chúng có thể ‡ớc l‡ợng nhờ công thức đơn giản gh T gh 2 = π λ = ω , (3.120)

ở đây T− chu kỳ sóng. Theo (3.120), các quy mô thời gian vμ

khôn n hệ

tuyến tính với nhaụ độ sâu

g gian của các sóng dμi ở vùng khơi đại d‡ơng liê Một số giá trị sóng dμi đối với các đặc tr‡ng vμ chu kỳ dao động đ‡ợc dẫn trong bảng 3.5.

Bảng 3.5. Các giá trị boớc sóng (km) ở vùng khơi đại doơng phụ thuộc vμo độ sâu vμ chu kỳ

Độ sâu, m Chu kỳ, phút 100 1000 5000 1 1,9 5,9 13,3 5 9,4 29,7 66,4 10 18,8 59,4 133 20 37,6 110 266 30 56,4 178 399 60 113 357 797 120 226 713 1595

Vấn đề quan trọng lμ khảo sát quy mô liên hệ không gian của những dao động sóng dμi ở vùng khơi đại d‡ơng. Tam giác

trạm P2, P5, P8 (xem hình 1.11) đ‡ợc thiết lập trong thời gian khảo sát Xô - Mỹ thứ hai về vấn đề sóng thần (năm 1978) đã cho phép thực hiện một số ‡ớc l‡ợng. Khoảng cách giữa các trạm: P2−P5− 1260 km, P2−P8− 1060 km, P5−P8− 830 km, tốc

lần

o hơn, chẳ

i h‡ớng chuyển động sóng [57, 59]. Nh‡ vậy, tính độ trung bình lan truyền các sóng dμi 540−800 km/giờ. Tính toán liên hệ hiệp biến (hình 3.21) cho thấy rằng đối với tất cả ba cặp trạm mức liên hệ t‡ơng đối cao đ‡ợc quan trắc thấy tại các tần số thấp, đến tận chu kỳ 3 giờ. Hệ số hiệp biến hơi tăng cao đối với các trạm P5 vμ P8 nhận thấy tại các tần số ca

ng hạn, những cực đại yếu của độ hiệp biến nhận thấy tại các chu kỳ 128, 85 vμ 46 phút.

Quy nô không gian vμ thời gian của độ hiệp biến các sóng dμi ở đại d‡ơng liên quan mật thiết với nhau (giống nh‡ trong tr‡ờng hợp các dao động khí quyển [57, 59]): khoảng cách giữa các trạm cμng bé thì mức hiệp biến quan trắc thấy ở các tần số cμng cao hơn. Ví dụ, theo dữ liệu của Webb, giữa những dao động áp suất ở sát đáy của hai trạm đặt tại độ sâu 4200 m cách nhau 32 km độ hiệp biến cao đã nhận thấy đối với các dao động với chu kỳ từ 1 đến 15 phút [343].

Cấu trúc không gian của tr‡ờng hiệp biến liên quan mật thiết với h‡ớng vμ đặc điểm truyền sóng. Thông th‡ờng các đ‡ờng đẳng trị độ hiệp biến tạo thμnh những hình ellip với trục lớn trùng vớ

bất đẳng h‡ớng (hay, ng‡ợc lại, tính đẳng h‡ớng) của tr‡ờng hiệp biến đối với các sóng dμi liên hệ mật thiết với sự hiện diện (hay vắng mặt) của h‡ớng chuyển động thống trị. Nh‡ đã nhận xét ở trên (xem mục 1.6), khi không có nguồn năng l‡ợng điểm mạnh từ bên ngoμi thì tr‡ờng các sóng dμi ở vùng khơi đại d‡ơng lμ đồng nhất.

Các sóng dμi ở thềm vμ gần bờ có cấu trúc phức tạp hơn nhiềụ Những biến đổi độ sâu ở đới nμy dẫn tới một loạt hiệu

http://www.ebook.edụvn

ứng đặc thù, quan trọng nhất trong số đó lμ sự bẫy sóng vμ cộng h‡ởng thềm. Tr‡ờng sóng ở đây lμ tổng cộng của phổ liên tục các sóng phát xạ vμ các hμi sóng ven bị bẫy gián đoạn. D‡ới góc độ phân tích các đặc tr‡ng không gian của chúng vμ lý giải những kết quả quan trắc, điều nμy sẽ tạo nên một loạt những vấn đề lμ hệ quả của những đặc điểm của các sóng ven vμ sóng phát xạ:

1) Những mối phụ thuộc tản mạn ω(k) vμ k(ω) không phải lμ đơn trị: tại một tần số ω có thể tồn tại các sóng với những số sóng khác nhau (tức các sóng với những quy mô không gian khác nhau hay lan truyền trên những h‡ớng đối ng‡ợc nhau) vμ ng‡ợc lại, những sóng với các tần số khác nhau có thể t‡ơng ứng

uan hệ tản mạn vμ dạng của những dao độn

đổi mạnh.

Về nguyên tắc, việc xây dựng những mô hình lý thuyết khá ở chia

với cùng một giá trị k;

2) Cả các sóng ven lẫn các sóng phát xạ đều phụ thuộc khá mạnh vμo địa hình − sự biến đổi của trắc diện ngang của độ sâu dẫn tới sự biến đổi các q

g tự nhiên;

3) Các sóng ven có ph‡ơng sai biểu hiện rõ;

4) Phân bố năng l‡ợng giữa các sóng ven vμ các sóng phát xạ cũng nh‡ giữa các hμi sóng ven riêng biệt có thể thay đổi tùy thuộc vμo những điều kiện bên ngoμi, t‡ơng ứng các đặc tr‡ng trung bình của tr‡ờng sóng tổng cộng (chẳng hạn, tốc độ pha) khi đó cũng thay

hoμn thiện cho phép khắc phục những khó khăn đã nêu lên các mục 1−3; đánh giá cấu trúc bên trong của tr‡ờng sóng, phân

các sóng bị bẫy vμ các sóng phát xạ thực tế chỉ có thể dựa trên các thí nghiệm thực địa chuyên đề.

Hình 3.21. Độ hiệ p biến gi các dao đ P5 ( 1 ), P2 P5 ữa ộng mực n o ớc tại các trạm P2 −− P8 ( 2 ) v μ − P8 ( 3 ) 243 244

http://www.ebook.edụvn

són

hiệm nμy đã dẫn tới sự phát hiện ra các sóng ven

nh D‡ơ

kèm theo sự nhảy vọt áp suất khoảng 2 hPa vμ ătng c‡ờng gió từ 3 nút lên 14 nút. Sau đó trong

đã quan trắc thấy những dao động áp suất vμ

‡ợc sự tạo thμnh các són

Việc hoμn thiện thiết bị quan trắc vμ chuyển sang hệ thống ghi

waii) vμ đảo Gualalupe [268]. Kết quả phân tích thấy rằng phổ sóng dμi đối với các

bậc lớn hơn phổ trên đại d‡ơng. Tuy nhiên, tμi

Hình 3.22. Sơ đồ bố trí các máy ghi mực noớc ven bờ trên vùng thềm California Các số 2, 4, ..., 14 vμ 2’, 4’, 6’ chỉ các điểm đặt trạm di chuyển với các

cảm biến điện rung trong thời gian cuộc thí nghiệm năm 1962 [267]

Hiện nay, vai trò quan trọng của các sóng ven trong động lực học đới thềm đã đ‡ợc xác định khá rõ. Chính lμ sự tồn tại của các sóng đó quyết định sự tăng đột biến của năng l‡ợng

g khi di chuyển dần vμo bờ, đặc điểm của sự lan truyền dọc bờ v.v... Việc tổng quan những quan trắc hiện có về các sóng ven dẫn trong các công trình [27, 51, 234].

Chúng ta xem xét chi tiết hơn những thí nghiệm về khảo sát các sóng dμi do các cộng tác viên của Viện Hải d‡ơng học Scripps (La-Holl, Mỹ) thực hiện trên vùng thềm Californiạ Chính lμ các thí ng

ở đại d‡ơng vμ đặt cơ sở cho những quan niệm hiện đại về chế độ sóng trong khu vực biên của đại d‡ơng.

Vùng bờ Thái Bì ng của n‡ớc Mỹ đặc tr‡ng bởi đ‡ờng bờ t‡ơng đối thẳng vμ địa hình bằng phẳng đồng nhất (hình 3.22). Ngμy 6 tháng 1 năm 1954 ở khu vực La-Holl đã xảy ra trận gió mạnh

vòng 1,5 giờ gió với chu kỳ gần 8 phút (xem hình 3.15 a). Cảm biến mực n‡ớc ven bờ theo thiết kế của Green đặt ở La-Holl đã ghi nhận đ

g dμi đồng bộ với các dao động của áp suất vμ gió. Cũng chùm sóng đó cũng đã xuất hiện ở trạm Oyshenside cách La- Holl 38 km, mặc dù ở đó không hề nhận thấy một nhiễu động khí quyển nμọ Việc phân tích đồng thời những băng ghi nμy đã cho thấy rằng các dao động sóng của mực n‡ớc đ‡ợc mô tả khá tốt bằng những chuyên từ sóng ven của Stokes [266].

số hóa dao động mực n‡ớc đã tạo ra cơ hội phân tích tỉ mỉ các sóng dμi trên dải tần số rộng dựa trên những dữ liệu quan trắc tại các trạm đất liền La-Holl, Oyshenside, Santa-Monica (xem hình 3.22) vμ các trạm nằm trên các đảo biệt lập Wachou, Mauy (quần đảo Ha

trạm đất liền khoảng hai liệu có đ‡ợc ch‡a

http://www.ebook.edụvn

cho phép trả lời câu hỏi cái gì đã gâ nên những khác biệt lớn nh‡ thế về các đặc tr‡ng năng l‡ợng: sự cộng h‡ởng thềm đối với các sóng phát xạ đi tới từ vùng khơi đại d‡ơng hay sự bẫy sóng trên vùng thềm, vμ t‡ơng ứng, những sóng nh‡ thế nμo thống trị ở đới thềm − các sóng phát xạ (phổ liên tục) ha

y

y các sóng bị bẫy (các hμi gián đoạn).

Để giải quyết vấn đề nμy đã tổ chức một thí nghiệm mới

). Mỗi dụng cụ đ‡ợc đặt ở độ

áng 9 năm 1960) với

hời gian của các hμi đó, vai trò t‡ơng đối của chúng, đ

các sóng ven tới phổ mực n‡ớc [312].

hực hiện các quan trắc polygon mới có thể cho phép tính toán phổ c

đủ caọ Munk, Snodgrass vμ Gilbert [267] đã giải quyết một

vμ phía bắc so với cảm biến trung tâm (xem hìn

cách bờ 500 m trên cùng một đ‡ các

giữa các trạm: 0,5; 1; 1,5; ...; 21,5 hải lý. Mỗi loạt quan trắc gồm 6000 số ghi với độ gi

‡ớc,

ác loạt quan trắc riêng biệt t‡ơng ứng với những độ phân giải không g

kết nhờ h tổng hợp độ mở” (apertus

syntes) quen thuộc trong kỹ thuật thiên văn vô tuyến. Nó dựa dừng của quá trình trong không gian vμ thời gian. Mặc dù về mặt vật lý năng

quan trắc riêng biệt khác nhau nhiều, nh của

ặt cắt theo h‡ớng dọc bờ) dựa trên những quan trắc đồng bộ bởi hai cảm biến điện rung,

một đặt ở khu vực La-Holl, còn một đặt ở cách đất liền 100 km gần đảo San-Clemente (hình 3.22 b

sâu 30 m vμ 1 m chìm trong cát để giảm thiểu ảnh h‡ởng của thăng giáng nhiệt độ. Để phân tích đã sử dụng hai cặp băng ghi đồng bộ 90 giờ (ngμy 13−17 vμ ngay 17−24 th

khoảng gián đoạn 30 s. Thí nghiệm nμy cho thấy rằng trên dải 0,2−10 c/giò năng l‡ợng chủ yếu của các dao động mực n‡ớc trên thềm tập trung ở một số hμi sóng bị bẫy, nh‡ng đã không cho phép phát hiện những đặc tr‡ng không gian −t

ánh giá ảnh h‡ởng của

Để trả lời những câu hỏi phức tạp nμy thì một, hai thậm chí một số trạm lμ ch‡a đủ: đòi hỏi t

ác số sóng với độ phân giải cách tốt đẹp bμi toán nμy, chỉ sử dụng có ba dụng cụ: một cảm biến điện rung cố định (“trung tâm”) đặt ở gần Oyshenside vμ hai cảm biến điện rung di động đặt ở phía nam

h 3.21 b). Cả ba trạm đều nằm ờng đẳng sâu (7 m); vị trí của trạm ngoμi đã đ‡ợc thay đổi để lμm sao đảm bảo mọi tổ hợp khoảng cách có thể có

án đoạn 30 s (tức 50

giờ) đã đ‡ơc kiểm tra vμ xử lý tr‡ớc mỗi lần bố trí lại các dụng cụ. Các lần kiểm tra chuyên đã cho thấy độ nhạy của các dụng cụ bằng 0,003 cm cột n độ hiệp biến giữa các dụng cụ ở dải tần 0−12 c/giờ cao hơn 0,995. C

ian khác nhau đã

đ‡ợc liên p ‡ơng pháp “

trên giả thiết về tính

l‡ợng phổ của các loạt ‡ng các phổ quy chuẩn chúng thực tế có tính chất dừng [267]. Những dao động sóng dμi của mực n‡ớc ở dải chu kỳ từ 1 phút đến 10 giờ đã đ‡ợc nghiên cứu; trong đó đặc biệt chú ý tới dải 5−40 phút. Theo dữ liệu đo ở tất cả 22 trạm (xem hình 3.21 b) đã tính đ‡ợc phổ không gian− thời gian hai chiều (m

³³ +

= ξ τ ξ τ

ω R e ξ ωτ d d

k

S( , ) ( , ) i(k ) , (3.121)

ở đây ξ− khoảng cách g ữa các trạm,i τ − khoảng chệch thời gian, R(ξ,τ)− hμm t‡ơng quan.

Kết quả phân tích phổ biểu diễn trên hình 3.23 cho thấy rằn

ợ nh

) vμ l‡ợng năng l‡ợng lớn nh‡ vậy của các sóng bị bẫy bởi thềm (E ) đ‡ợc giai thí

óng phát xạ tồn tại khi g trên mặt phẳng { }ω,k năng l‡ợng sóng tập trung ở một số dải hẹp rất t‡ơng ứng với các đ‡ờng cong tản mạn lý thuyết của các sóng ven bị bẫy đã tính đ‡ợc cho những trắc diện độ sâu hiện thực. Ng‡ời ta thấy một l‡ợng năng l‡ ng ỏ đáng ngạc nhiên (ít hơn 10 %) rơi vμo các sóng phát xạ. Theo ý kiến Munk thì l‡ợng năng l‡ợng nhỏ nh‡ vậy của các sóng đi tới từ vùng khơi đại d‡ơng (E0phátxạ

bẫy bị

0

của các dải số sóng t‡ơng ứng. Các s

ch lμ do độ rộng

gH

k /

0≤ ≤ω , ở đây H = const− độ sâu vùng khơi đại d‡ơng, 247 248

http://www.ebook.edụvn còn các sóng ven ω/ gH <k≤ ω2 /gα. Do đó, bẫy bị 0 0 0 E = ε Ephátxạ ∼ H gH g / / 2 α ω ω ω − ≈ . (3.122) Với =2 / =6 g gH / α ω ω π T phút, α=0,02, H=1 km ε ≈11%, với H=4km % 5 , 5 ≈ ε . Thực tế ε0 lμ sâu

tỷ số b‡ớc sóng của sóng tới ở đại d‡ơng ω

π

λ∞ =2 gH / vμ độ rộng đặc tr‡ng của “ống dẫn sóng”. Sự phân bố năng l‡ợng giữa các hμi sóng ven khác nhau đã không đồng đều, phần năng l‡ợng chủ yếu tập trung vμo hμi bậc không (mặc dù phần năng l‡

hμi

nhaụ

ơn đáng kể. T‡ơng ứng kích th‡ớc của polygon đã đạt

tới 3 trạm khá

lớn (từ 265 đến 5650 m) vμ khoảng các

ợng đáng kể cũng rơi vμo các thứ nhất, thứ hai vμ thứ ba), ngoμi ra tại những tần số thấp (T>15 phút) thống trị các sóng truyền lên phía bắc (tức cùng h‡ớng với sóng Kelvin), còn tại những tần số cao hơn thì cả hai h‡ớng (nam vμ bắc) tỏ ra xấp xỉ ngang bằng

Một thí nghiệm lý thú khác về nghiên cứu cấu trúc các sóng dμi lμ thí nghiệm polygon thực hiện trong thời gian đợt khảo sát Xô − Mỹ thứ nhất về vấn đề sóng thần [26, 49]. Khác với thí nghiệm trên thềm California, ở đây đã nghiên cứu các sóng quy mô lớn h

00 km, ngoμi ra các đ‡ợc bố trí tại những độ sâu h khá xa từ bờ (từ 30 đến 200 km). Đã phân tích các băng ghi đồng thời áp suất thủy tĩnh sát đáy ở năm trạm: P1.1, P3.1, P5.1, P7.1 vμ P9.1 (xem hình 1.11). Hệ ph‡ơng pháp xử lý sơ bộ các băng ghi đ‡ợc mô tả chi tiết trong công trình [1]. Việc phân tích không gian − thời gian tr‡ờng sóng ngẫu nhiên đ‡ợc V. V. Ephimov vμ Ẹ Ạ Kulikov thực hiện bằng hai ph‡ơng pháp khác nhau:

1) Ph‡ơng pháp truyền thống (phổ Barber)

Hình 3.23. Phổ không gian - thời gian của các dao động mực noớc đại doơng gần vùng bờ California (từ công trình [267])

Trên hình biểu diễn những đoờng cong tản mạn lý thuyết đối với bốn hμi sóng ven thấp nhất. Đoờng gạch nối phân chia vùng tồn tại các sóng Puancarê (sóng phát xạ) vμ sóng

ven. ững

trị phổ toơ n 03; 0,05; 0,1; 5 n tích với ợc đánh dấu bằng các điểm, các chữ số chỉ phần trăm năng loợng liên quan tới hμi đã chọ Những khu vực tô xẫm đoợc đánh dấu bằng các chữ cái A - E toơng ứng với nh