L ời giới thi ệu
4.3. Biến động thời gian của nhiệt độn ước biển
Trong hải dương học và dự báo biển người ta phân biệt dao
động nhiệt độ nước biển theo ngày, theo năm và nhiều năm. Dao
động ngày của nhiệt độ nước trên mặt đại dương ở các vùng khơi thường không quá 1o, trừ những dải ranh giới của các dòng chảy nóng lạnh, nhiệt độ có thể biến đổi vài độ, có khi tới 10o trong vòng vài giờ. Dao động ngày cũng chỉ tồn tại ở lớp nước mỏng sát mặt, lớp xáo trộn gió.
Biên độ dao động năm của nhiệt độ nước mặt (hiệu nhiệt độ
giữa tháng nóng nhất và tháng lạnh nhất) đạt giá trị lớn đáng kể, tới 10-18o ở các vĩ độ 40 oV.B và 30-40 oV.N và đạt giá trị nhỏ hơn ở
các vùng cực và xích đạo là 2o. Dao động năm đạt tới độ sâu lớn hơn nhiều so với dao động ngày, tức đến biên dưới lớp hoạt động của biển. Mức độ giảm biên độ dao động và dịch pha dao động (xê dịch thời gian cực đại nhiệt độ) tùy thuộc vào lượng nhiệt Mặt Trời mà
các lớp nước hấp thụ, cường độ truyền nhiệt rối theo phương thẳng
đứng, và ở vùng tiếp giáp giữa các hải lưu nóng và lạnh – còn phụ
thuộc vào xáo trộn ngang. Trường hợp đơn giản nhất, nếu sự truyền dao động nhiệt độ xuống các lớp sâu chỉ phụ thuộc vào sự hấp thụ
nhiệt ở trên mặt, tức nhiệt độ t0 trên mặt dao động trong năm theo quy luật đơn giản: 0 0 0 2 cos A t
(trong đó A0 biên độ của biến trình nhiệt độ năm tại mặt; 0 chu kỳ dao động bằng 12 tháng; thời gian) và hệ số truyền nhiệt độ
rối K không đổi trong toàn lớp hoạt động, tức trường hợp thỏa mãn phương trình truyền nhiệt:
2 2 z t K t , (30)
trong đó z độ sâu, thì biến trình nhiệt độ năm ở các tầng sâu được thể hiện bằng nghiệm: 0 0 0 2 cos ) ( 0 z K e A z t Kz . (31)
Như vậy biên độ dao động nhiệt độ ở độ sâu z giảm so với biên độ dao động nhiệt độở mặt theo quy luật hàm mũ:
z K e A z A 0 0 ) ( (32)
và độ dịch pha dao động ởđộ sâu z so với ở mặt bằng: z K 0 . (33)
Những biểu thức trên đây sẽ là cơ sở của một trong những phương pháp gián tiếp để tính hệ số truyền nhiệt độ rối K trong hải dương học, nếu quan trắc được biến đổi của biên độ và pha dao động nhiệt độ theo các độ sâu ở biển, chẳng hạn như phương pháp Phurie- Smit.
Bằng các phương pháp phân tích những chuỗi quan trắc nhiều năm của nhiệt độ nước, các nhà khoa học đã phát hiện ra những dao
động nhiệt độ nước ở những vùng khác nhau của Đại dương Thế giới với chu kỳ nhiều năm và những nguyên nhân gây nên những dao
động đó. Chẳng hạn, Suleikin đã xây dựng hệ thống tự dao động ở
thủy vực Bắc Băng Dương – Bắc Đại Tây Dương để giải thích và dự
báo biến động chu kỳ 3,5 năm của hệ thống này. Còn Đuvanhin đã xác định được các chu kỳ dao động nhiệt độ và mực nước 2,5 và 5 năm liên quan tới cường độ vận chuyển khí quyển ở Bắc Đại Tây Dương.
Ngoài những biến động cỡ trung bình và cỡ lớn trên đây, trong
đại dương còn quan trắc được những biến động thời gian cỡ nhỏ và vi mô của nhiệt độ với những biên độ khá lớn trong khoảng thời gian cỡ
giờ và phút. Hiện nay việc quan trắc, nghiên cứu những biến động loại này có giá trị to lớn không những về lý thưyết mà cả thực tiễn.
4.4. Phân bốđộ muối trong đại dương
Từ chương 3 chúng ta đã biết rằng độ muối trong đại dương về
cơ bản có tính chất nguyên thủy. Ngày nay nhờ sự kết hợp giữa lượng chất khoáng do dòng lục địa mang vào đại dương và những quá trình di chuyển và biến hóa phức tạp các hợp chất hóa học mà trong nước biển đã hình thành một chếđộ muối tương đối ổn định.
Những nguyên nhân làm giảm độ muối ở một bộ phận nào đó có thể là dòng nước ngọt (sông) đi vào, sự tăng lượng giáng thủy trên mặt, tan băng hoặc sự vận chuyển những lượng nước ít mặn hơn từ
những vĩ độ cao xuống bởi dòng chảy. Góp phần làm tăng độ muối có quá trình bốc hơi từ mặt biển, nhất là ở những nơi với nhiệt độ
không khí cao và cường độ gió lớn. Sự tạo băng kèm theo sự trôi băng đi nơi khác, sự vận chuyển nước mặn hơn từ các vùng nhiệt đới cũng làm tăng độ muối.
Về đại thể, ở các đại dương độ muối lớp nước mặt phân bố
tương đối đồng nhất theo vĩ tuyến, tức có tính đới. Ở phần khơi đại dương, độ muối đạt cực tiểu ở vùng xích đạo và cực đại ở gần 20
oV.B và V.N. Càng lên phía các cực độ muối càng giảm và đạt những giá trị nhỏ nhất ở vùng cực. Quy luật phân bố này có liên hệ khá chặt chẽ với hiệu giữa bốc hơi và giáng thủy.
Tính chất phân bố đới bị phá hủy ở một số khu vực do ảnh hưởng của các hải lưu, đặc biệt là ở Bắc Đại Tây Dương, nơi Gơnxtrim và dòng chảy Bắc Đại Tây Dương mang nước ấm, mặn hơn từ nhiệt đới lên các vĩđộ cao.
Ở các lớp sâu, độ muối có thể rất khác với độ muối trên mặt đại dương và sự biến đổi theo phương ngang cũng có thể không giống như sự biến đổi ở trên mặt. Thí dụ, ở vùng xích đạo Đại Tây Dương và Thái Bình Dương, dưới lớp nước mặt, tại độ sâu khoảng 100-200 m quan sát thấy một lớp nước có độ muối cao do các dòng chảy nghịch tầng sâu với nước từ các vùng chí tuyến mang tới.
Hình 14. Các đường đặc trưng biến đổi độ muối theo chiều thẳng đứng
Sự phân bốđộ muối theo phương thẳng đứng không giống nhau
đối với các vĩ độ khác nhau. Sự khác biệt đó chủ yếu thể hiện ở
khoảng độ sâu từ mặt tới 1500 m. Ở Sâu hơn độ muối gần như không biến đổi nữa và như nhau đối với mọi vĩ tuyến. Người ta phân biệt một số dạng phân bố thẳng đứng của độ muối như: dạng cực, dạng cận cực, dạng ôn – nhiệt đới, dạng xích đạo nhiệt đới v.v... Trong số
những phân bố đo chỉ có dạng phân bố cực và cận cực là đặc trưng bởi một lớp nhảy vọt độ muối ở gần mặt với građien thẳng đứng đạt tới 1-2 %o trên 100 m. Còn những dạng khác sự tăng độ muối theo độ
sâu chậm hơn hoặc có thể tồn tại những cực đại, cực tiểu trong khoảng độ sâu 0 – 1500 m.
Dao động năm của độ muối (hiệu giữa độ muối trung bình tháng của tháng với độ muối lớn nhất và tháng với độ muối nhỏ nhất) không đáng kể, không vượt quá 0,2 %oở mặt và 0,04 %oở 2000 m. Riêng vùng cực, nơi mùa hè tan băng, dao động năm đạt tới 0,7 %o.
Tất cả những đặc điểm nêu trên đây chỉ đúng với những vùng khơi các đại dương. Đối với các biển và những vùng ven bờ, sát bờ,
độ muối có thể có độ bất đồng nhất không gian lớn hơn nhiều và độ
biến động thời gian rõ rệt, điều đó là đối tượng nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong hải dương học dự báo đánh bắt hải sản.
4.5. Khái niệm về các khối nước ởđại dương và những phương pháp phân tích các khối nước phân tích các khối nước
Trong đại dương liên tục diễn ra những quá trình trao đổi năng lượng và vật chất, di chuyển và xáo trộn, làm biến đổi và hướng tới
san bằng những đặc trưng lý, hóa, sinh học ở mọi điểm của đại dương. Tuy nhiên vẫn tồn tại những khối nước lớn chiếm khoảng không gian kích thước cỡ đại dương hoặc biển và duy trì trong một thời gian dài tính đồng nhất tương đối của các đặc trưng của nó đã từng được hình thành ở những vùng địa lý nhất định. Những đặc trưng lý hóa cơ bản thường được sử dụng để phân biệt các khối nước với nhau là nhiệt độ và độ muối của chúng. Những yếu tố khác như
oxy hòa tan, độ trong suốt tương đối, các chỉ số thủy sinh thì được dùng ít hơn.
Một trong những phương pháp phân tích các khối nước được sử
dụng nhiều nhất hiện nay là phương pháp đường cong T S dựa trên
biểu đồ T S của các trạm quan trắc hải văn. Biểu đồ T S là hệ
trục vuông góc có tọa độ là nhiệt độ T và độ muối S, trên đó ghi các
độ sâu quan trắc ứng với nhiệt độ và độ muối quan trắc được.
Nếu tại một số điểm hay một số tầng sâu gần nhau chỉ có một loại nước (một khối nước) thuần nhất ngự trị, thì những điểm, những tầng sâu quan trắc đó được biểu thị bằng một điểm trên biểu đồ
S
T . Còn những điểm hay những tầng sâu khác, nơi đó ngự trị một khối nước khác, sẽ được biểu thị trên biểu đồ T S bằng một điểm khác. Trên thực tế, trong biển tồn tại đồng thời hai hoặc một số khối nước và chúng xáo trộn với nhau. Những giá trị của nhiệt độ và độ
muối nguyên thủy đặc trưng cho mỗi khối nước riêng biệt chỉ có thể
quan trắc thấy ở nhân của nó, nơi cách xa với nhân của khối nước bên cạnh. Còn những điểm nằm trong khoảng giữa hai nhân (trong trường hợp có hai khối nước xáo trộn) sẽ có những giá trị nhiệt độ và độ
muối tương ứng với nước đã xáo trộn, tức giá trị nhiệt độ và độ muối
ở những điểm đó được xác định theo công thức xáo trộn:
B A A B A B m m S S S S T T T T ,
trong đó T và S là nhiệt độ và độ muối của hỗn hợp xáo trộn từ thể
tích (hay khối lượng) mA của loại nước A có nhiệt độ TA và độ
muối SA với thể tích (hay khối lượng) mB của loại nước B có nhiệt
độ TB và độ muối SB.
Hình 15. Biểu đồ xáo trộn T S
khi xáo trộn hai khối nước đồng nhất
Như vậy, mỗi cặp hai khối nước kế cận nhau trong khi xáo trộn sẽ được biểu thị trên biểu đồ T S bằng một đoạn thẳng mà các
khoảng cách tới các đầu mút được xác định theo tỷ số mA/mB là những tầng quan trắc trung gian nằm giữa hai nhân đó (hình 15).
Nếu có ba khối nước chồng lên nhau: khối nước A với nhiệt độ
A
T , độ muối SA; khối nước B với nhiệt độ TB, độ muối SB; khối nước C với nhiệt độ TC, độ muối SC, trong đó khối nước B (trung gian) có bề dày nhỏ hơn nhiều so với các khối nước nằm bên trên và phía dưới nó (trường hợp hay gặp nhất), thì ở giai đoạn khởi đầu chưa xáo trộn chúng sẽ được biểu thị băng ba điểm riêng biệt
C B
A, , trên biểu đồ TS (hình 16). Đến một giai đoạn xáo trộn nào đó, khối nước trung gian sẽ biến đổi các đặc trưng của nó trong khắp bề dày, kết quả là tương quan T S không phải là đường gấp khúc ABC, mà là đường cong nét đứt, chỗ lượn của nó tương ứng với các đặc trưng của khối nước trung gian.
Hình 16. Biểu đồ TS khi xáo trộn ba khối nước đồng nhất
Một cách tổng quát, biến đổi của nhiệt độ và độ muối trong mỗi khối nước do trao đổi rối theo phương thẳng đứng được mô tả bởi các phương trình truyền nhiệt và tương tự với nó là phương trình khuếch tán muối: 2 2 2 2 , z S K t S z T K t T ,
trong đó t thời gian; z độ sâu; K hệ số trao đổi rối.
Stôcman đã giải hệ phương trình này với những điều kiện ban
đầu và điều kiện biên của trường hợp ba khối nước như vừa nói ở
trên và đã thu được những kết quả quan trọng làm cơ sở cho việc phân tích đường cong TS để xác định những đặc trưng của các khối nước xáo trộn. Sau đây là những kết luận cơ bản của Stôcman:
1) Vào thời điểm đầu của sự xáo trộn, đương cong T S là
đoạn thẳng gấp khúcgồm các đoạn nối nhân các khối nước với nhau; 2) Trên đường cong TS những điểm cực trị sẽ tương ứng với các nhân của các khối nước trung gian;
3) Tại những điểm trên đương cong T S đủ cách xa các biên của khối nước trung gian, những tiếp tuyến của các đường cong
S
T thực tế trùng với các đoạn thẳng nối nhân của ba khối nước vào thời điểm đầu;
4) Những điểm đặc trưng cho tâm của khối nước trung gian tại các thời điểm tiếp sau nằm trên đường trung tuyến của tam giác xáo trộn vẽ từđỉnh tương ứng với khối nước trung gian;
5) Những điểm tương ứng với các biên của khối nước trung gian tại thời điểm xáo trộn nằm trên các đường thẳng nối từ điểm giữa của cạnh đối của khối nước trung gian đến các điểm giữa của hai cạnh kia.
Hình 17. Thí dụ phân tích đường cong TS
ở trung tâm Bắc Băng Dương
Căn cứ vào những kết luận lý thuyết trên đây có thể sử dụng những quan trắc hải văn chuẩn ở các trạm nước sâu để phân tích cấu trúc tầng nước và xác định nhiều đặc trưng quan trọng của các khối nước có mặt tại các trạm quan trắc đó một cách tương đối đơn giản.
Dưới đây là một thí dụ áp dụng những kết luận của phương pháp đường cong TS để phân tích các khối nước ở một số trạm vùng trung tâm Bắc Băng Dương (hình 17). Sử dụng các kết luận 1
và 2, dễ thấy rằng đường cong T S đã cho biểu diễn bốn khối nước, trong đó hai khối nước tương ứng với các đoạn uốn cong của
đương cong (những điểm cực trị), còn hai khối nước khác tương ứng với điểm đầu và điểm cuối của đường cong.
Các đặc trưng ban đầu của các khối nước xác định theo kết luận 1 và 3. Muốn vậy chỉ cần vẽ các đường tiếp tuyến với những đoạn tương đối thẳng của đường cong. Tọa độ giao điểm của các tiếp tuyến sẽ cho nhiệt độ T và độ muối S của các khối nước trung gian trước khi xáo trộn.
Dùng kết luận 4, vẽ các tam giác xáo trộn và các trung tuyến của chúng, ta sẽ xác định được độ sâu và các đặc trưng của các khối nước trung gian. Những giao điểm của các trung tuyến với phần uốn cong của đường cong sẽ tương ứng với các tâm của các khối nước trung gian. Từđó biết các trị số T và S và độ sâu được nội suy giữa các tầng sâu kế cận.
Các độ sâu của các biên của những khối nước xác định theo kết luận 5. Muốn vậy ta vẽ các trung tuyến bên của các tam giác xáo trộn. Những giao điểm của chúng với đường cong sẽ tương ứng với các biên của các khối nước.
Kết quả ta có những đặc trưng của bốn khối nước có mặt ở trạm như sau: khối nước lạnh trên mặt bị nhạt đi nhiều do băng tan vào mùa hè với nhiệt độ -1,70 và độ muối 31,0 tại thời điểm quan trắc, dày 40 m. Dưới đó là lớp nước gần mặt cũng lạnh nhưng mặn hơn do
m, trước khi xáo trộn có nhiệt độ -1,80, độ muối 34,15, còn vào thời
điểm quan trắc nhiệt độ bằng -1,65 và độ muối bằng 34,08. Lớp nước
ấm Đại Tây Dương có nhân ở 275 m, nằm ởđộ sâu từ 170 đến 690 m với nhiệt độ và độ muối ban đầu tương ứng la 2,90 và 34,95, còn vào thời điểm quan trắc 2,12 và 34,85. Loại nước sâu của Bắc Băng