g 3.3 Chỉ số hấp thụ của nước tinh khiết đối với cácb ước són khác nhau
3.2.2. Sự khúc xạ các tia âm Kênh âm ngầm
Khi lan truyền các tia âm trong môi trường không đồng nhất âm học, quan sát thấy quỹ đạo tia âm bị đổi hướng, gọi là khúc xạ. Vì građien tốc độ âm lớn nhất trong biển quan trắc được trên phương thẳng đứng, nên cũng chính là trên phương này diễn ra sự khúc xạ lớn nhất. Sự khúc xạ trên mặt phẳng ngang tỏ ra nhỏ hơn nhiều và thường không cần tính tới.
Để xây dựng quĩ đạo tia âm trong nước biển không đồng nhất âm học trên phương thẳng đứng, ta chia bề dày nước thành nhiều lớp, trong phạm vi mỗi lớp tốc độ âm có thể xem là không biến đổi. Khi chuyển từ một lớp này sang lớp khác tia âm sẽ bị phản xạ và khúc xạ (hình 3.6). Được biết, góc phản xạ của tia i bằng góc tới i. Góc khúc xạ j có thể hoặc lớn hơn, hoặc nhỏ hơn tùy thuộc vào tương quan tốc độ trong hai lớp. i
Hình 3.6. Sự khúc xạ tia âm
Tương tự như ánh sáng, đối với tia âm có thể viết const sin . . . sin sin sin 2 2 1 1 n n i C i C i C i C ,
trong đó C ,C1 ,...,Cn tốc độ âm trong các lớp tương ứng, i góc tới của tia âm tại ranh giới giữa hai lớp nước kề nhau, tính từ phương thẳng đứng.
Tỉ số giữa các hàm sin của các góc tới và khúc xạ gọi là chỉ số khúc xạ tương đối của các tia âm. Tỉ số này bằng tỉ số giữa các tốc độ âm trong các lớp tương ứng. Vì vậy có thể viết
j i C C n sin sin 1 .
Tùy thuộc vào phân bố thẳng đứng của tốc độ âm quan trắc được trong biển, có thể phân biệt bốn kiểu khúc xạ:
Kiểu I - khúc xạ dương, quan trắc thấy khi tốc độ âm tăng theo độ sâu; Kiểu II - khúc xạ âm, quan trắc thấy khi tốc độ âm giảm theo độ sâu; Kiểu III - biến đổi từ khúc xạ dương ở lớp mặt, trong đó tốc độ âm tăng theo độ sâu, sang khúc xạ âm ở các lớp dưới, trong đó tốc độ âm giảm theo độ sâu;
Kiểu IV - biến đổi từ khúc xạ âm ở lớp mặt sang khúc xạ dương ở các lớp dưới.
Ngoài sự khúc xạ, cần phải tính đến quá trình phản xạ các tia âm từ mặt đại dương và từ đáy. Có thể phân chia bốn nhóm tia âm quan trắc được trong các kiểu khúc xạ:
Nhóm I - các tia phản xạ cả từ mặt biển lẫn từ đáy điển;
Nhóm II - các tia chỉ phản xạ từ mặt biển và bị phản xạ toàn phần bên trong bề dày lớp nước, không đi tới đáy;
Nhóm III - các tia chỉ phản xạ từ đáy và bị phản xạ toàn phần bên trong bề dày lớp nước, không đi tới mặt biển;
Nhóm IV - các tia bị phản xạ toàn phần bên trong bề dày lớp nước, không đi tới mặt và đáy biển.
Lớp nước mà trong phạm vi của nó các tia âm bị phản xạ toàn phần bên trong được gọi là kênh âm ngầm. Năng lượng âm tập trung dọc theo trục
kênh, tạo điều kiện truyền âm đi siêu xa, mở ra khả năng liên lạc và dẫn tầu dưới nước.
Để kênh âm ngầm có thể xuất hiện, cần phải có phân bố tốc độ âm sao cho tại một độ sâu nào đó nó đạt cực tiểu. Tầng sâu tại đó đường cong đạt cực tiểu, gọi là trục kênh âm ngầm. Ta ký hiệu tốc độ âm tại mặt là , tại trục kênh là , tại độ sâu nguồn âm là , tại đáy là . Trên hình 3.7 dẫn một đường cong điển hình của vùng khơi đại dương, các ranh giới của kênh là mặt đại dương và tầng sâu , tại đó tốc độ âm .
k z ) (z C n C Ck C0 C p C ) (z C p z Cn
Ta tưởng tượng nguồn đặt tại trục kênh, tức và . Các tia đi ra từ nguồn với góc nghiêng xuống phía dưới không lớn sẽ đi vào vùng khúc xạ dương (hình 3.7, đường gạch nối), quay hướng lên phía trên và trở về tầng sâu xuất phát dưới cùng một góc như khi chúng đi ra khỏi nguồn. Đi qua trục kênh vào vùng phía trên, nơi quan trắc thấy khúc xạ âm. Ở đó tia lại bắt đầu giảm độ dốc, quay hướng xuống phía dưới và sẽ cắt trục kênh. Tiếp theo chu trình sẽ lặp lại, tia nhiều lần cắt trục kênh, chuyển từ vùng građien tốc độ âm sang vùng građien tốc độ dương, lại trở về phần trên của kênh và lại đi xuống qua tầng .
k
C
C0 z0 zk
k
z
Hình 3.7. Phân bố các tia âm trong kênh âm ngầm
Góc mà tia cắt với trục kênh trên toàn độ dài của quĩ đạo giữ không đổi và bằng với góc mà tia đi ra từ nguồn. Các độ sâu thâm nhập của tia này vào các vùng građien dương và âm cũng như khoảng cách trên phương ngang mà tia đi được ở bên trên hay bên dưới trục kênh giữa hai lần liên tiếp cắt qua trục, tức các độ dài nửa chu trình, cũng giữ không đổi. Thông thường, ở bên trên trục kênh giá trị tuyệt đối của građien tốc độ âm lớn hơn ở phía dưới trục, nửa chu trình dưới của các quĩ đạo tia dài hơn và đi ra xa khỏi trục hơn so với nửa phía trên (hình 3.7).
Người ta phân biệt ba loại kênh âm ngầm chính. Kênh âm ngầm loại thứ nhất thường hay gặp khi tốc độ âm ở mặt đại dương nhỏ hơn ở đáy. Với loại kênh thứ hai, tương quan này ngược lại: ở đáy tốc độ âm nhỏ hơn ở mặt. Cuối cùng, loại thứ ba liên quan tới sự hiện diện của hai cực tiểu tốc độ âm.
Như ta thấy từ hình 3.8, ở Thái Bình Dương nhận thấy loại kênh âm thứ nhất, trục kênh nằm tại độ sâu gần 1000 m. Độ rộng kênh đạt tới 4000 m. Ở Đại Tây Dương trục kênh âm ngầm nằm tại cùng độ sâu đó, nhưng độ rộng kênh nhỏ hơn một ít (khoảng 3130 m). Ở những vùng phía bắc của các đại dương độ sâu trục kênh âm ngầm thường giảm xuống tới 600-800 m, còn ở các vĩ độ nhiệt đới, ngược lại, tăng lên đến 1500-2000 m.
Hình 3.8. Phân bố thẳng đứng của tốc
độ âm ở các vùng phía bắc Đại Tây
Dương (1) và Thái Bình Dương (2)
Lần đầu tiên kênh âm ngầm được phát hiện năm 1946 trong thời gian
khảo sát ở biển Nhật Bản, sau đó được các nhà khoa học Nga L.M. Brekhovskich và L.Đ. Rozenberg giải thích. Giá trị thực tiễn của kênh âm ngầm rất to lớn. Hiện tượng truyền âm đi xa bên trong kênh âm ngầm là cơ sở của thủy âm học hiện đại. Thí dụ, có thể nhắc tới những kết quả của cuộc thí nghiệm tiến hành ở gần bờ nước Úc năm 1960, khi đó một vụ nổ bom dưới sâu đã được ghi nhận trên khoảng cách 19 000 km gần quần đảo Bermuđa.
Ngoài liên lạc và phát tín hiệu dưới nước, kênh âm ngầm có thể được sử dụng để giải quyết trực tiếp những bài toán hải dương học. Thí dụ, xây dựng hệ thống trắc đạc âm học, cho phép tiến hành quan trắc liên tục về trạng thái và chuyển động của các khối nước theo những đặc trưng tích phân của các tín hiệu cùng lúc trên những vùng nước rộng lớn của đại dương (gần 1 triệu km2).