1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
……………………


Hà Nội - 2012

2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Trí Thức

NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN TRONG
VÙNG BIỂN NAM TRUNG BỘ
Chuyên ngành: Hải dương học
Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
1.4. Năng lượng bất ổn định của nước biển ……………………… 14

Chương 2: CÔNG THỨC TÍNH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ
CÁCH TÍNH ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN …….17

2.1. Công th
ức tính độ ổn định

th
ẳng đứng của n
ư
ớc biển ………………

17

2.2. Phương pháp nghiên c
ứu v
à cách tính đ
ộ ổn định theo ph
ương th
ẳng
đứng của nước biển ………………………………………………………20

2.2.1. Phương pháp nghiên cứu …………………………………… 20

4
MỞ ĐẦU
Các quá trình xảy ra trong biển và đại dương đều bị chi phối bởi các
quy luật vật lý cơ bản của nước biển. Các quá trình động lực xảy ra trên biển
và đại dương, ngoài nguyên nhân chính là do các các yếu tố tạo nên chúng,
còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý như nhiệt độ nước biển, độ muối và các
yếu tố thứ sinh như mật độ và độ ổn định của nước biển … Các chuyển động
thẳng đứng do phân tầng mật độ đóng một vai trò hết sức quan trọng trong các
quá trình hải dương học.
Cho đến nay chưa có nhiều đề tài nghiên cứu về độ ổn định thẳng đứng
của nước biển do: Các nhà khoa học chủ yếu quan tâm nhiều đến động lực học
biển mà ít đề cập đến lĩnh vực tĩnh học nước biển. Mặt khác do nghiên cứu độ
ổn định của nước biển chưa phải là lĩnh vực chủ đạo mà chỉ là phần tính toán
nhỏ trong nghiên cứu hải dương học.
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về trường thủy âm, trường sóng
nội và nghiên cứu độ ổn định của nước biển cũng mới bắt đầu do một số
ngành đặc thù quan tâm, như trong lĩnh vực Quân sự, khai thác Thủy sản,
Kinh tế …
Luận văn “nghiên cứu độ ổn định của nước biển”: nghiên cứu sự
phân bố và thay đổi độ ổn định theo chiều thẳng đứng và theo mùa (mùa đông
và mùa hè) có ý nghĩa lớn trong khi nghiên cứu các khối nước Đại dương. Độ
ổn định đặc trưng cho khả năng và cường độ xáo trộn nước. Theo phân bố của
độ ổn định có thể biết được vị trí và biên giới của các lớp nước có gradien mật
độ lớn - lớp nhảy vọt mật độ, giới hạn của các khối nước có nguồn gốc khác
nhau, các đới hội tụ và phân kỳ dòng, độ sâu xuất hiện đối lưu và các quá
trình khác.
Nội dung luận văn bao gổm 03 chương, phần kết luận và phần các bảng 6
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Cơ sở lý thuyết về trường mật độ của nước biển
Tính chất vật lý của nước cất chỉ phụ thuộc vào hai tham số: nhiệt độ và
áp suất. Tính chất vật lý của nước biển, ngoài ra, còn phụ thuộc vào độ muối
là đặc điểm đặc trưng nhất của nó. Một số tính chất như độ nén, độ dãn nở
nhiệt, hệ số khúc xạ biến đổi ít khi độ muối thay đổi, trong khi đó các tính
chất như mật độ, nhiệt độ đóng băng, nhiệt độ ứng với mật độ cực đại v.v
phụ thuộc đáng kể vào độ muối [3].
Mật độ nước biển phụ thuộc vào độ mặn và nhiệt độ nước biển. Khi độ
mặn tăng, mật độ tăng vì trong nước có các chất hoà tan với trọng lượng riêng
lớn hơn nước. Khi nhiệt độ biến thiên, mật độ nước biển thay đổi theo qui luật
phức tạp hơn.

Đối với nước ngọt, mật độ cực đại ở t
0
= 4
0
C, như vậy, khi nhiệt
độ giảm dưới 4
0
C và tăng lên trên 4
0
C mật độ giảm. Nước biển do có độ mặn
nên nhiệt độ mật độ cực đại (


0
C.

7
Khi giá trị độ mặn nhỏ hơn 25‰, nhiệt độ tỷ trọng cực đại có trị số lớn
hơn nhiệt độ đóng băng như nước ngọt. Với độ mặn lớn hơn 25‰, nhiệt độ tỷ
trọng cực đại thấp hơn nhiệt độ đóng băng. Trong thực tế, thứ nước đó không
bao giờ lạnh tới nhiệt độ tỷ trọng cực đại vì nó đã đóng băng rồi. Người ta qui
ước nước có độ mặn nhỏ hơn 25‰ là nước lợ hay nước pha ngọt, còn cao hơn
gọi là nước biển [4].

Hình 1.1. Biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc vào độ muối của
nhiệt độ tỷ trọng cực đại và nhiệt độ đóng băng.

Sự tồn tại của những hạt hòa lẫn trong nước tự nhiên làm thay đổi tính
chất quang học, âm học và các tính chất khác. Các quá trình truyền nhiệt,
khuếch tán, ma sát xảy ra trong nước đứng yên chậm hơn hẳn trong nước
chuyển động rối. Vì vậy, giá trị các hệ số truyền nhiệt, khuếch tán, độ nhớt
nhận được đối với nước đứng yên trong phòng thí nghiệm, tức là đối với các
quá trình phân tử, không còn đúng đối với những quá trình thực ở đại dương,
mà ở đây đòi hỏi phải thay thế bằng những hệ số rối tương ứng. Tuy nhiên cần
chú ý rằng, nếu một số tính chất vật lý của nước biển có thể xác định với độ
chính xác cao phụ thuộc vào tạp chất tồn tại trong nước biển và tính chất
chuyển động, thì một số tính chất khác chỉ có thể xác định một cách gần đúng,
0 5

10 15 20 25 30 35 40 S
0
/
00

tính toán những đặc trưng thứ sinh quan trọng của nước biển là mật độ nước,
độ ổn định thẳng đứng của nước biển [3].
Dưới đây tóm tắt các định nghĩa về mật độ, trọng lượng riêng của nước
biển chấp nhận trong các sách giáo khoa và chuyên khảo về hải dương học vật
lý và quy ước dùng trong luận văn này.
Mật độ nước biển S
4
t
trong hải dương học là tỷ số của trọng lượng một
đơn vị thể tích nước tại nhiệt độ quan trắc so với trọng lượng một đơn vị thể
tích nước cất tại 4C. Như vậy đại lượng mật độ nước biển trong hải dương
học không có thứ nguyên, nhưng có trị số bằng mật độ vật lý. Khi viết ngắn
gọn người ta sử dụng tham số mật độ quy ước của nước biển
t

tính bằng:
3
101
4







t
S
t







 S


.101
4
0
3
0






 S


Trọng lượng riêng quy ước tại nhiệt độ 0C (
0


) gọi là trọng lượng
riêng chuẩn của nước biển [2].
1.2. Khái niệm nhiệt độ thế vị, mật độ thế vị, gradien mật độ của nước
biển [6]

TzT

 )(

Bằng cách sử dụng công thức tích phân nhiệt độ theo áp suất
(
p
o
C
aT
dP
dT


) và định nghĩa nêu trên ta có thể viết:
dp
c
a
T
a
p
p
p
o




exp


S
p
p
apot
a


















Xét biến thiên của mật độ theo độ sâu, ta có:
(1.6)
(1.7)
(1.8)
11
dp
p













)(

Trong điều kiện đại dương lý tưởng, nhiệt độ và độ muối không đổi
theo độ sâu:
0
dp
dS
dp
dT

và:











với α là hệ số nén trung tính. Để xem xét ý nghĩa của hệ số này cũng như các
hệ số nén khác, lấy đạo hàm riêng hai vế theo áp suất p, ta có:
)(
0,,
,,
p
p
p
TS
pTS









So sánh với định nghĩa, hệ số nén tổng quát được viết dưới dạng sau:
p
k
pTS
pTS
p




Khi áp suất bằng 0 (p = 0) thì k
p
= α. Như vậy:


0,,
0,,
TS
TS
p



;
0,,
0,,
TS
TS
p







Bên cạnh hệ số nén tổng quát k
p
, ta có hệ số nén đẳng nhiệt.













Với định nghĩa vận tốc lan truyền sóng âm, ta có:
S
p
c
,













































trong đó G là gradien nhiệt độ đoạn nhiệt.
Gradien nhiệt độ toàn phần được thể hiện như sau:
(1.16)
(1.17)
(1.18)
(1.19)
(1.20)
(1.21)
(1.22)
13
pTS
GG
dp
d
dp
dT
,,



Biểu thức (1.22) cho ta gradien mật độ đoạn nhiệt. Để tính toán đại
lượng này, người ta thường tính qua gradien đối với áp suất p = 0 và xem đại
lượng này là áp suất khí quyển trên mặt biển (điều này không gây ra sai số lớn
nếu so với giá trị p rất lớn ở các tầng sâu).
A
TS
A
pTS
A
ppp




















0,,,,

Một cách tổng quát có thể viết như sau:

,,0,,,, pSpTTSpTS
GGGG 

Trong trường hợp mật độ không đổi dρ = 0, ta có:
dT
T
dS

S
T
dT
dS



Đây là biểu thức đạo hàm nhiệt độ theo độ muối được xác định bằng tỷ
số giữa độ giãn nở vì nhiệt và độ nén do muối. Thông thường tỷ số này được
thay bằng ctg,  là góc hình của tiếp tuyến của đường đẳng mật độ trong hệ
toạ độ T,S. Trong toán đồ TS với trục ngang là nhiệt độ T và trục tung là độ
muối S, các đường cong đẳng mật độ cho phép ta xác định mật độ khi biết
nhiệt độ và độ muối. Phân tích toán đồ này cho thấy ctg là một hàm của
nhiệt độ và độ muối, khi nhiệt độ và độ muối thấp thì góc  không đổi, hay có
mối liên hệ tuyến tính.
Mật độ thế vị và građien mật độ đoạn nhiệt thường hay được dùng nhất
khi xác định độ ổn định thẳng đứng của nước đại dương [8].
1.3. Điều kiện ổn định thẳng đứng của nước biển [6]
(1.23)
(1.24)
(1.25)
(1.26)
14
Nước biển và đại dương nhìn chung được phân bố tương đối ổn định
theo phương thẳng đứng, nghĩa là lớp nước có mật độ thấp hơn được nằm trên
lớp nước có mật độ cao. Trong thực tế, do các tác động khác nhau, thường xẩy
ra hiện tượng lớp nước có mật độ thấp hơn lại nằm dưới. Tuy nhiên do quy
luật vật lý thể hiện qua định luật về độ nổi Ascimed sẽ xẩy ra hiện tượng đi
lên của loại nước nhẹ và đồng thời nước nặng hơn sẽ đi xuống.
Chỉ tiêu xác định mức độ ổn định và nhân tố quyết định cho cường độ









)()(

Nếu như tại vị trí ban đầu mật độ chúng như nhau thì do kết quả biến
đổi khác nhau sẽ làm xuất hiện lực Ascimed, tạo ra gia tốc.
z
dz
d
dz
d
g
g
a
a










sự phân tầng ổn định.

Hình 1.2. Biến đổi của độ ổn định thẳng đứng theo độ sâu
Khi phân tầng ổn định, thể tích nước bị đưa khỏi vị trí ban đầu và có thể
vượt qua vị trí đó khi quay trở lại do quán tính, từ đó làm xuất hiện các dao
dộng quán tính. Để xác định tần số dao động đó có thể sử dụng công thức
(1.29) chia cho một đơn vị khoảng cách và lấy dấu ngược lại.




















a
dz
d















dz
dp
pdz
dT
Tdz
d
a
a




Trong khi gradien mật độ của môi trường có thể viết dưới dạng:
dz
dp
pdz
















dz
dS
Sdz
dT
dz
dT
T
g
N
a


2

Đây là chỉ tiêu Hesselberg - Sverdrup được sử dụng rộng rãi trong thực

rằng biến thiên mật độ theo nhiệt độ và độ muối trong đó được tính theo
phương trình trạng thái của Knudsen. Nếu sử dụng phương trình trạng thái
khác, thì các giá trị N
2
có thể khác so với những gì dẫn trong các bảng hải
dương học [8].
1.4. Năng lượng bất ổn định của nước biển [6]
Chỉ tiêu ổn định N mang tính đặc trưng cục bộ cho từng độ sâu, vì vậy
nhiều khi gây bất tiện cho việc đánh giá cường độ xáo trộn phụ thuộc vào
phân bố mật độ trong toàn bộ các lớp nước. Một trong những chỉ tiêu phục vụ
mục đích này là năng lượng bất ổn định của nước biển. Năng lượng bất ổn
định được xác định như công mà lực Ascimed có thể thực hiện trong quá trình
dịch chuyển theo phương thẳng đứng của một đơn vị khối lượng nước.
Dưới sự tác động của lực nổi, các chuyển động của nước trong điều
kiện phân tầng bất ổn định sẽ nhận thêm gia tốc mà không cần mất năng
lượng. Trong trường hợp đó năng lượng bất ổn định có giá trị dương. Nếu
nước biển phân tầng ổn định thì lực nổi thường xuyên có hướng ngược lại với
hướng chuyển động thẳng đứng của nước. Để bảo toàn chuyển động cần phải
mất một công để chống lại lực đó. Trong điều kiện này thì năng lượng bất ổn
định có giá trị âm.
18
Trong điều kiện phân tầng phiếm định, năng lượng bất ổn định bằng 0.
Đối với chuyển động thẳng đứng không ma sát, ta có thể thu được biểu thức
năng lượng bất ổn định từ công thức (1.29) bằng cách nhân với khối lượng M
chứa trong thể tích nước đã chọn và quãng đường dz. Sau khi đơn giản hoá ta
có:
dzMgdE
ko
)1(


1
1
z
z
ko
dzMgE




(1.34)
(1.35)
19
Từ biểu thức này dễ nhận thấy rằng khi ρ > ρ
v
phân tầng trong đại
dương sẽ ổn định và E
ko
< 0. Năng lượng bất ổn định được thể hiện bằng diện
tích được đánh dấu trên hình 1.3.
Trên cơ sở số liệu về năng lượng bất ổn định ta có thể xác định được
vận tốc cực đại mà thể tích nước dịch chuyển được theo độ sâu khi không có
ma sát.
Thực vậy:








trong đó w
0
là vận tốc thẳng đứng bắt đầu tại điểm xuất phát.
Như vậy, vận tốc dịch chuyển thẳng đứng của một thể tích cơ bản tỷ lệ
với căn của 2 lần năng lượng bất ổn định chia cho khối lượng của thể tích
nước đó.

Chương 2: CÔNG THỨC TÍNH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ
CÁCH TÍNH ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN
(1.36)
(1.37)
20
2.1. Công thức tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển [2]
Độ ổn định của các lớp nước biển là gradien mật độ nước biển theo
phương thẳng đứng, sau khi loại trừ biến thiên mật độ do biến đổi nhiệt độ
đoạn nhiệt gây nên. Độ ổn định là đặc trưng định lượng của điều kiện cân
bằng các lớp nước biển.

mật độ của tầng mới, thì hạt nước sẽ dừng lại ở tầng mới hoặc tiếp tục chuyển
động theo quán tính và ta nói rằng phân tầng của nước biển là cân bằng phiếm
định.
Như vậy, mức độ phân tầng có ảnh hưởng tới sự xáo trộn. Trong phân
tầng ổn định, sự xáo trộn bị cản trở; ngược lại, trong phân tầng bất ổn định, sự
xáo trộn xảy ra dễ dàng hơn.
Để đánh giá định lượng các điều kiện cân bằng, cần so sánh mật độ của
các hạt nước xáo trộn tại mực mà ta quan tâm với mật độ của nước xung
quanh.
Giả sử ở độ sâu
z
áp suất bằng
p
nước có độ muối
S
, nhiệt độ
T
và
mật độ

. Còn ở độ sâu
dzz

nước có độ muối
dSS

và nhiệt độ
dTT

.






d
T
dp
p


Nước xung quanh ở độ sâu
z
dz

có mật độ là:
(2.1)
22
dS
S
dT
T
dp
p










thì cân bằng phiếm định.
Đại lượng:
dz
dS
Sdz
d
dz
dT
Tdz
E













gọi là độ ổn định của các lớp nước biển. Dễ thấy rằng độ ổn định khác với
građien mật độ
dz
d

. Những građien thẳng đứng của nhiệt
độ
dz
dT
và độ muối
dz
dS
xác định theo kết quả quan trắc nhiệt độ và độ muối ở
các trạm hải văn cũng cần được nhân với
4
10
để nhận được trị số độ ổn định
8
10.E
.
Thông thường độ ổn định đạt giá trị lớn nhất ở lớp nhảy vọt mật độ vào
mùa nóng. Với độ sâu tăng lên, độ ổn định giảm và giảm tới những giá trị rất
nhỏ ở các độ sâu lớn. Những cực đại phụ của độ ổn định có thể thấy ở những
nơi tiếp giáp của các khối nước với những đặc trưng nhiệt độ và độ muối khác
nhau.
(2.2)
(2.3)
(2.4)
23
2.2. Phương pháp nghiên cứu và cách tính độ ổn định theo phương thẳng
đứng của nước biển
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu
Cho đến nay chưa có nhiều phương pháp nghiên cứu độ ổn định thẳng
đứng của nước biển. Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu độ ổn định theo
phương thẳng đứng của nước biển bằng phương pháp tính độ ổn định thẳng

t
b

S
t
b

dz
dT
10
4

Tra bảng
hải dương
dz
d

10
4

(7+
8+9
)
6 -10
Tra bảng hải
dương
T




Bảng

23
Bảng

24
Bảng

25
Bảng

20
Bảng
21
Bảng
22
Bảng
26
Bảng
27
Bảng
28
24
14)

20)

1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

biến đổi độ sâu trong các lớp nước mặt được nhân với 10
4
sau khi đã hiệu
chỉnh (bằng tổng cột 7+8+9); cột 11 là hiệu số giữa gradien thẳng đứng của
nhiệt độ và biến đổi của nhiệt độ thế vị theo biến đổi độ sâu trong các lớp
nước mặt sau khi đã hiệu chỉnh (bằng hiệu cột 6-10); cột 12-14 là biến đổi của

mật độ nước

biển khi biến đổi nhiệt độ được nhân với 10
4
và lượng hiệu chỉnh
của nó do nhiệt độ, áp suất, độ muối (Tra trong bảng Hải dương học của N.N.
Zubôp); cột 15 là biến đổi của

mật độ nước

biển khi biến đổi nhiệt độ được
nhân với 10
4
sau khi đã hiệu chỉnh (bằng tổng cột 12+13+14); cột 16 là giá trị
của biến đổi của

mật độ nước

biển khi biến đổi nhiệt độ (cột 15) nhân với hiệu
số giữa gradien thẳng đứng của nhiệt độ và biến đổi của nhiệt độ thế vị theo
biến đổi độ sâu trong các lớp nước mặt sau khi đã hiệu chỉnh (bằng tích cột
11*15); cột 17 là giá trị gradien thẳng đứng của độ muối và được nhân với
10

Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU ĐỘ
ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN
3.1. Khái quát và số liệu tại một số trạm đo trong vùng biển Nam Trung
Bộ
Vùng biển Nam Trung Bộ là vùng biển nước sâu có đường đẳng sâu 100
mét chạy sát mép bờ biển Nam Trung Bộ (hình 3.1), do vậy chúng có ý nghĩa
to lớn trong các lĩnh vực Hàng hải, Kinh tế và Quân sự quốc phòng, an ninh…