Khảo sát dao động lắc ở những vùng ven bờ đại d~ơng

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

E bị bẫy bị bẫy bị bẫy ω (3.138)

3.10. Khảo sát dao động lắc ở những vùng ven bờ đại d~ơng

Trong các mục tr‡ớc của ch‡ơng nμy đã khảo sát những

ao động sóng dμi của mực n‡ớc đại d‡ơng hình thμnh trên thềm vμ ở lân cận bờ thẳng hay gần thẳng. Những bất đồng bờ, nh‡ các vịnh, các fiord, các vũng v.v... dẫn tới tạo thμnh các hệ thống dao động sóng đứng riêng với nhữ

vực tự nhiên vμ nhân tạo với cửa thông lμ do hai vấn đề chính:

ộng lắc trong các cảng tới ‡ợng xô đẩy tầu th‡ờng hay xảy ra ở

vậỵ ũng nh‡ giải thích những đặc điểm thực của cấu trúc sóng vμ

l‡ợng giữa hai kiểu sóng dμi quan trọng nhất

Ta l‡u ý một hệ quả quan trọng nữa của mô hình nμỵ ở mục 3.6 đã nhận xét rằng thềm có vai trò nh‡ một “máy phát sinh sóng” đối với các sóng dμị Mô hình Kulikov − Fine cho phép giải thích cơ chế vật lý cụ thể của quá trình nμỵ Nh‡ đã nêu ở mục 3.5, 3.6, hiệu quả của sự phát sinh các sóng dμi trọng lực (cũng nh‡ sự tiêu tán) tăng lên theo sự giảm độ sâu, vì vậy chúng chủ yếu đ‡ợc phát sinh ở đới thềm vμ đới ven bờ. Trong đó độ sâu cμng nhỏ thỉ các sóng bị bẫy (sóng ven) đ‡ợc phát sinh cμng nhiều

thân các sóng bị bẫy

d

nhất lớn của đ‡ờng

ng tham số đ‡ợc xác định bởi hình học của thủy vực. Những khía cạnh lý thuyết liên quan tới việc khảo sát các dao động (dao động lắc) cộng h‡ởng ở các thủy vực với ranh giới mở phía ngoμi (cửa vμo) đã đ‡ợc xem xét ở mục 2.8. D‡ới đây, chúng ta sẽ đề cập tới những dữ liệu thực nghiệm liên quan tới việc nghiên cứu dao động sóng dμi cũng nh‡ những kết quả tính toán chúng bằng ph‡ơng pháp số đối với các vùng n‡ớc cụ thể.

Thoạt đầu, sự quan tâm nghiên cứu dao động lắc ở các thủy

1) Hiểm họa sóng thần, sự cần thiết phải tính đến những đặc điểm cộng h‡ởng của các thủy vực khác nhau với mục đích ‡ớc l‡ợng những độ cao sóng thần có thể xảy ra trong vùng bờ;

2) Tác động tiêu cực của các dao đ hoạt động của hạm tầu, hiện t

các cảng của Nhật, Cộng hòa Nam Phi, Mỹ, Pháp, Tây Ban Nha, Nga vμ những n‡ớc khác.

ở Nhật những nghiên cứu thực địa về dao động sóng dμi mực n‡ớc trong các vịnh biển đã bắt đầu sớm hơn nhiều so với ở các n‡ớc khác, vμ ngay từ những năm tr‡ớc chiến tranh đã tích lũy đ‡ợc nguồn tμi liệu thực nghiệm to lớn về các dao động lắc. Tr‡ớc hết, điều đó liên quan tới những đợt ngập lụt biển do sóng thần mμ Nhật bản lμ n‡ớc từng chịu đựng nhiều hơn bất kỳ n‡ớc nμo khác trên thế giớị Song những vấn đề của hμng hải cũng đã kích thích tiến hμnh những nghiên cứu nh‡

Vùng bờ biển của quần đảo Nhật Bản có đặc điểm bị chia cắt khá mạnh, nhiều vịnh vμ vũng biển hình dạng rất khác

http://www.ebook.edụvn

nhau tạo nên những điều kiện thuận lợi để hình thμnh các dao động lắc. Nguồn chủ yếu của chúng lμ các nhiễu động khí quyển, tuy nhiên ít khi ở đây (đặc biệt ở bờ Thái Bình D‡ơng) gặp thấy những trận sóng thần mạnh. Ngay từ đầu thế kỷ, Omri đã nhận ra rằng các chu kỳ dao động sóng dμi nền gây nên bởi những nhiễu động bên ngoμi mạnh (ví dụ nh‡, sóng thần) lμ nh‡ nhaụ Ông đã giải thích điều nμy lμ do (vũng) biển hay một bộ phận biệt lập nhất định của biển dao động nh‡ một con lắc với chu kỳ riêng của mình.

Các sóng đứng ở trong các vịnh gây nên bởi

thể đạt tới độ cao khổng lồ, nh‡ng thậm chí khi không có những nhiễu động địa chấn ở nhiều vũng vμ vịnh biển thuộc bờ Thái Bình D‡ơng của n‡ớc Nhật vẫn quan trắc thấy những dao động lắc đáng kể. Những dao động đó đ‡ợc gọi lμ yota [207]. Các dao động lắc ở vịnh Nagasaki có đặc điểm rất độc đáo, đ‡ợc gọi lμ abiki, vμ đạt tới độ cao một số mét [196, 207].

Honda, Terada vμ nnk. [207] đã thực hiện một nghiên cứu cơ bản về các dao động lắc ở vùng bờ Nhật Bản. Mặc dù công trình đã ra đời gần 85 năm tr‡ớc đây (năm 1908), nh‡ng đến nay nó vẫn còn có tính thời sự về nhiều ph‡ơng diện. Đối với mỗi thủy vực nghiên cứu, các tác giả đã thực hiện quan trắc trực tiếp về dao động lắc * (nhờ các máy ghi mực n‡ớc ven bờ đặt cố định vμ di động) vμ thực hiện những tính toán lý thuyết về chu kỳ dao động riêng theo công thức (2.124). Tổng cộng đã thực hiện phân tích nh‡ vậy đối với 68 (!) vũng vμ vịnh của Nhật Bản. Kết quả lμ các tác giả đã nhận đ‡ợc những kết luận chính

vịnh

sóng thần có

*

ở Nhật một thời gian dμi thuật ngữ “dao động lắc” chỉ đ‡ợc dùng để chỉ những dao động sóng đứng trong các thủy vực kín (kiểu nh‡hồ), còn đối với những dao động t‡ơng tự trong các vịnh vμ vũng biển đã dùng thuật ngữ “dao động thủy triều thứ sinh” (secondary undulation of tides) [273]. Thời gian gần đây để chỉ những dao động nμy ng‡ời ta cũng đã bắt đầu sử dụng thuật ngữ “dao động lắc” [196, 275].

nh‡ sau:

1) ở bờ Thái Bình D‡ơng, nơi nμo không có những vũng hẹp dμi (inlet) thì dao động lắc có độ cao không đáng kể vμ có đặc điểm rất không th‡ờng xuyên;

2) ở bờ phía biển Nhật Bản dao động lắc đáng kể, mặc dù không th‡ờng xuyên;

3) ở các vịnh lớn, vμ ở cả những vũng biển n‡ớc nông với cửa vμo hẹp dao động lắc th‡ờng ít đáng kể;

4) ở các vũng biển sâu, dμi vμ hẹp vμ các cửa sông hình phễu dao động lắc biểu lộ rõ nhất.

5) Trong các vũng biển kế cận nhau vμ trên những khu vực bờ thoáng th‡ờng quan trắc thấy những dao động nh‡ nhau;

6) Trong nhiều vũng biển các chu kỳ dao động lắc biến đổi (trong những giới hạn nhất định);

7) Trong một số vũng biển các chu kỳ dao động rất ổn định; 8) Th‡ờng các chuỗi dao động lắc biểu lộ trong cùng một pha của sóng thủy triều;

9) Những dao động cơ bản thể hiện rõ trong phạm vi một vũng biển có cùng một pha;

10) Các chu kỳ (T) của những dao động ngự trị ở các vũng biển khác nhau đ‡ợc mô tả khá tốt bằng biểu thức

gH L

T= 4 , (3.143)

ở đây L− độ dμi, H− độ sâu trung bình của vũng biển;

11) Tại cửa vμo vũng biển có thể biểu lộ cùng những dao

động nh‡ở nhỏ hơn.

12) Các dao h biển gây nên

bởi bão hay nguồn ở xa có cùng những chu kỳ ngự trị nh‡ chính bên trong vũng biển, nh‡ng biên độ

động lắc trong các vũng vμ vịn

http://www.ebook.edụvn

những dao động nền bình th‡ờng.

Tr‡ớc khi xuất hiện các công trình [207] ng‡ời ta đã cho

rằng dao hững dao

động sóng đứng đ đối diện của thủy

vực.

ủa Honda vμ nnk. chủ yếu cho thấy rằng, giả thuyết của Omori về đặc điểm vạn năng (theo nghĩa các chu kỳ áp đảo) của các dao động trong vũng biển không phụ thuộc vμo những nguyên nhân gây nên chúng về cơ bản đ‡ợc thỏa mãn, đặc biệt đối với các nguồn nhiễu động bên ngoμi ở xạ Trong khi đó, đối với những nguồn ở gần th‡ờng gặp thấy tình huống khi các sóng tiến dμi đi vμo vịnh vμ vũng biển không phụ thuộc vμo chu kỳ của chúng. Biên độ của chúng trong quá trình lan truyền theo vịnh tăng lên theo công thức Airy−Green:

động lắc ở các vịnh vμ vũng biển − đó lμ n ‡ợc tạo thμnh giữa hai bờ

Những nghiên cứu của Honda vμ nnk. [207] đã cho thấy rằng thực tế hầu nh‡ trong tất cả các tr‡ờng hợp những dao động lắc đáng kể đã liên quan tới hμi cơ bản (tức hμi Helmholtz), gây nên sự dồn n‡ớc vμ rút n‡ớc tuần hoμn ra khỏi toμn bộ vũng biển. Các hμi bậc cao hơn, kiểu nh‡ các sóng đứng thuần túy, chỉ quan trắc thấy ở một số vũng biển (Hokosima, Ophunato, Hakođate).

Những kết quả c

)

(x

ζ ∼b1/2(x)h1/4(x), (3.144) trong đó b(x)− độ rộng vịnh, tọa độ x h‡ớng dọc theo trục vịnh. Những sóng nh‡ vậy đặc biệt nguy hiểm đối với những vịnh có dạng chữ V vμ các cửa sông hình phễu, ở đó chúng có thể gây phá hủy mạnh mẽ. Những chu kỳ quan trắc đ‡ợc của những

són dao

động nền thông th‡ờng.

ững

nhân quan

tâm. Đó lμ các xoáy thuận chuyển động, các vùng front, các

vùn g khoảng 2,5 phút sẽ xuất hiện không đ‡ợc tạo thμnh.

Về hiện t‡ợng nμy có yết khá hay của Nagaoka do ông nêu ra vμo đầu thế kỷ rằng dòng chảy Kurosio lan

tru hể

[274

g‡ợc (phân bố theo thứ tự bμn cờ). Các xoáy nμy dẫn tới kích thích những dao động đứng trong các vịnh vμ vũng biển bên cạnh trong tr‡ờng hợp nếu nh‡ các chu kỳ riêng cơ bản của các thủy vực trùng hợp với chu kỳ đặc tr‡ng của các xoáy (

g nμy có thể khác nhiều so với các chu kỳ của những

Các kết luận của Honda, Terada vμ nnk. [207] về nh tố bên ngoμi dẫn tới tạo thμnh dao động lắc rất đáng

g bão, bão lớn v.v... Một tình huống đặc biệt gây tò mò đ‡ợc quan trắc thấy đối với các trạm nằm trong eo biển Naruto (ví dụ, đối với trạm Sioiasumi, bờ đông bắc đảo Sikomu): các dòng chảy thủy triều khi truyền vμo biển Nhật Bản sinh ra ở đó những dao động lắc giống nh‡ tia không khí khi đi qua miệng kèn gây nên trong ống bầu những dao độn thẳng đứng của cột không khí. Dao động lắc với chu kỳ

cùng với sự bắt đầu chuyển động của dòng triều từ phía đại d‡ơng (tức vμo thời điểm n‡ớc ròng), đạt độ cao cực đại (cỡ 18 cm) khi dòng chảy cực đại, vμ trở về không khi dòng chảy yếu dần (vμo lúc n‡ớc lớn). Khi chu kỳ triều mới bắt đầu thì bức tranh đ‡ợc lặp lạị Khi các dòng chảy triều h‡ớng về phía ng‡ợc lại (tức ra phía đại d‡ơng) các dao động lắc kiểu đó

một giả thu

yền với tốc độ một số nút dọc theo bờ Thái Bình D‡ơng có t lμ nguồn dao động sóng dμi của mực n‡ớc ở vùng bờ Nhật Bản

]. Những quan trắc ở eo biển Naruto chứng tỏ khả năng có thể của cơ chế t‡ơng tự phát sinh dao động lắc.

50 năm sau công trình của Honda vμ nnk. [207], để giải thích hiện t‡ợng dao động lắc ở eo biển Naruto, Nakano vμ Abe [274] đã tiến hμnh những thí nghiệm chuyên đề trong phòng thí nghiệm vμ xây dựng mô hình lý thuyết phát sinh dao động lắc bởi dòng triềụ Họ đã chỉ ra rằng nếu tốc độ dòng chảy ở trong eo biển v‡ợt trội một giá trị tới hạn nμo đó, thì ở hai phía của dòng bắt đầu tạo thμnh các xoáy Karman đối xứng n

vor

http://www.ebook.edụvn

biểu thức đơn giản

u l

Tvor = , (3.145)

ở đây giữa hai xoáy lân cận nằm ở một phía của

dòng, ộ lan truyền của các xoáy (

độ của dòng triều). Giá trị Nakano vμ Abe tìm

đ‡ợc từ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, nếu tính đến nhân tử tỷ lệ − l khoảng cách − u tốc đ u=0,4... 0,6V , V − tốc 79 , 9 vor = T s do 200 =

γ thì khá gần với chu kỳ các dao động lắc quan

trắc ở Sioiasumi 3).

Trở lại với công trình của Honda, Terada vμ nnk. [207], chúng ta nhận xét rằng đối với nhiều thế hệ các nhμ hải d‡ơng học Nhật Bản nghiên cứu dao động lắc, sóng thần vμ những dao động sóng dμi khác, thì công trình nμy giống nh‡ một kiểu bách khoa toμn th‡. Đáng tiếc, ở bên ngoμi n‡ớc Nhật thì công trình nμy ch‡a đ‡ợc mấy ai biết tới mặc dù nó đã đ‡ợc công bố bằng tiếng Anh. Nhiều quy luật quan trọng về hình thμnh các dao động lắc đã từng đ‡ợc nhắc tới trong công trình [207] thì sau nhiều thập niên đã đ‡ợc độc lập phát hiện ở những n‡ớc khác.

D‡ới ảnh h‡ởng của công trình [207], ở Nhật Bản trong những năm tr‡ớc vμ những năm đầu tiên sau chiến tranh đã tiến hμnh nhiều nghiên cứu về dao động lắc ở các vịnh v vũng biển, nh‡ng hầu nh‡ trong tất cả những công trình đó sự chú ý

chủ yếu g cộng

h‡ởng vμ r

dμi, độ cao sóng, những biến đổi của chúng theo thời gian (sự

phát hình

thμnh v. hiên

cứu của Nakano vμ Unoki vμo đầu những năm sáu m‡ơi [275]. Họ

1

ắc đ‡ợc những dao động với độ cao hơn 140 cm.

Sự biến động các tham số dao động lắc đối với các trạm khác nhau rất lớn: chu kỳ biến đổi từ một số phút (Aiukawa, Abarasu) đến một số giờ (Osaka, Nagoia). Nh‡ng điển hình nhất lμ các chu kỳ từ 15 đến 50 phút, độ lặp lại của dao động lắc biến đổi từ 2−3 tr‡ờng hợp một năm (Kure, Vakaiama) đến 50−60 (Abasiri, Masuiama, Omaezaki), thời gian kéo dμi từ 1 giờ đến một số ngμỵ

Tuy nhiên, trên cơ sở phân tích hình dạng các thủy vực cũng nh‡ các tổ chức đồ chu kỳ dao động có thể tách biệt đ‡ợc một số kiểu thủy vực.

Ạ Các vũng biển dμi hẹp với cửa thể hiện rõ

Dao động lắc của các vịnh nμy mang đặc điểm ổn định thể hiện rõ, các tổ chức đồ đặc tr‡ng bởi những đỉnh hẹp nhọn với một (Simidzu, Aiukawa, Tonoura, Simosu, Phutami v.v...) hay hai (Miako, Uchiura) chu kỳ thống trị.

B. Các vịnh lớn (Tokyo, Osaka, Ise, Kagosima v.v...)

Các tổ chức đồ có đặc điểm nhiều mốt, dao động không ổn định, rất hay quan trắc thấy những dao động không dừng. 150

0 =

T s, khá gần với công thức (3.14

μ giμnh cho việc xác định những chu kỳ dao độn

ất ít chú ý tới việc xác định độ lặp lại, thời gian kéo sinh vμ tiêu tán), những biến thiên mùa, cơ chế

v... Chính lμ những vấn đề đó đã lμ đối t‡ợng ng đã phân tích các dao động lắc tại 45 trạm, phần lớn trong số đó ch‡a đ‡ợc xét trong công trình [207]. Thời gian kéo dμi của

các chuỗi quan trắc đ‡ợc sử dụng lμ từ 1 đến 26 năm. Đã tính toán các tổ chức đồ độ cao vμ chu kỳ dao động,‡ớc l‡ợng các độ cao cực trị của dao động lắc, độ lặp lại của chúng trong các mùa khác nhau, khảo sát các dao động lắc do sóng thần gây nên v.v...

Những thông tin chính về biểu hiện mạnh của các dao động lắc không phải nguồn gốc địa chấn đối với một số trạm vùng bờ n‡ớc Nhật đ‡ợc dẫn ở bảng 3.7. Thấy rõ rằng dao động lắc với độ cao hơn m không phải lμ hiếm, còn ở một số trạm (Mera, Miako, Kusimoto) thậm chí quan tr

http://www.ebook.edụvn

Nguy

ên n

hân

Xoáy nghịch Xoáy thuận trên

biển Nhật Bán

Xoáy thuận trên

biển Nhật Bản

Đột biến áp suất

vμ xoáy thuận

Bão Bão Xoáy thuận trên

vùng bờ Thái

Bình D

o

ơng

Front lạnh Bão Harriete Xoáy thuận Bão Dina Bão Lorna Bão Agnes Front Bão Tess Front Front Bão Maria

Độ cao, cm 145 140 117 108 169 156 79 77 77 75 72 88 143 125 122 93 90 86 Chu kỳ, ph 47 27 8 6 4-6 4-7 23 15 140 86 155 13 12 20 2 14 13 14 Thời gi an kéo dμ i, giờ 4 5 16 75 15 38 20 1 54 13 19 24 72 32 39 1 3 5 Ngμy thá ng 1/4 1947 2/4 1947 26/12 1955 2/4 1946 3/10 1943 22/9 1939 3/1 1952 18/2 1952 25/9 1956 30/10 1956 23/6 1952 25/9 1953 5/11 1952 18/2 1952 24/9 1953 13/5 1956 25/9 1956 12/9 1954 Kiểu vị nh A A E D D B A A D Bảng 3.7. Nhữ ng da o độ ng l ắ c mạnh qu an tr ắc đ o ợc ở c á

c trạm khác nhau thuộc vùng bờ quần đảo

Nhật Bản (l ập t heo d ữ li ệu của công trình [2 7 5 ]) Trạm

Miako Aiukawa Mera Onaham

a

Omaezaki Nagoia Uragami Kusimoto Matsuiama

Bão Gr Xoáy thuận trên

biển Nhật Bản

Bão No 5412 Bão Louiza Xoáy nghịch Xoáy nghịch Front Hai front Xoáy thuận trên

biển Nhật Bản

vμ front lạnh Xoáy thuân Xoáy thuận Xoáy

trên

vùng bờ Thái

Bình D

o

ơng

Xoáy thuận trên

biển Nhật Bản

Xoáy thuận Gió mùa; xoáy th Nhật Bản vμ fro Gió mùa; xoáy th Ôkhôt Gió mùa; xoáy th

ace

thuận

uận trên biển

n