5CHƯƠNG 1 - CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA NƯỚC BIỂN

1.1. CÁC ĐỊNH NGHĨA MẬT ĐỘ VÀ THỂ TÍCH RIÊNG CỦA NƯỚC BIỂN
Mật độ nước biển và những đại lượng liên quan như trọng lượng riêng và thể tích riêng
là những tham số vật lý quan trọng dùng nhiều trong các tính toán hải dương học. Sự phân
bố mật độ trong biển quyết định hoàn lưu theo phương ngang và theo phương thẳng đứng,
sự trao đổi vật chất và năng lượng trong nó.
Dưới đây tóm tắt các định nghĩa về mật độ, trọng lượng riêng và thể tích riêng của
nước biển (chi tiết xem các sách giáo khoa và chuyên khảo về hải dương học vật lý [1,2,5,7-
11]).
Mật độ nước biển
4
t
S
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
C4

. 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

S
là tỷ số của
trọng lượng một đơn vị thể tích nước biển tại nhiệt độ
C5,17

so với trọng lượng một đơn vị
thể tích nước cất cùng nhiệt độ đó. Trọng lượng riêng
4
0
S
là tỷ số của trọng lượng một đơn
vị thể tích nước biển tại
C0

so với trọng lượng một đơn vị thể tích nước cất tại
C4

.
Trong thực hành sử dụng các đại lượng trọng lượng riêng quy ước xác định theo
những biểu thức sau:
,101
5,17
5,17
3
5,17






Thể tích riêng của nước biển là đại lượng nghịch đảo của mật độ:
4
1
4
t
S
t



và để rút gọn ghi chép về thể tích riêng N.N. Zubov đã đề xuất khái niệm thể tích riêng quy
ước
t
V
liên hệ với thể tích riêng theo biểu thức:
3
109,0
4







t
V
t

.

BA
, (1.2)
trong đó

t
mật độ quy ước của nước cất ở nhiệt độ
t
và các hệ số
t
A
và
t
B
tính theo các
công thức:


26,67
283
570,503
98,3
2



t
tT
t
,
32





t
t
t
t
V
V


. (1.4)
Bảng 1.1. Thí dụ tính thể tích riêng quy ước của nước biển tại trạm hải văn
(vị trí 110.00E-14.00N)
z

T

S

t
V

p


tp




0,02

0,00 0,00 0,00

79,00 0,979 0,979

5
10 28,03

33,71 79,01

0,04

0,00 0,00 0,00

78,97 0,979 0,979

10
20 27,91

33,71 78,97

0,09

0,01 0,00 0,00

78,89 0,979 0,979

20

78,76 0,979 0,979

29
30 27,68

33,80 78,84

0,13

0,01 0,00 0,00

78,72 0,979 0,979

30
48 22,92

34,33 77,07

0,21

0,02 0,00 0,00

76,88 0,977 0,978

48
50 22,85

34,34 77,04

0,22

34,57 75,51

0,45

0,03 0,00 0,00

75,09 0,975 0,975

100
102 17,35

34,58 75,49

0,46

0,03 0,00 0,00

75,06 0,975 0,975

102
125 15,82

34,57 75,15

0,56

0,04 0,00 0,00

74,63 0,975 0,975



73,91 0,974 0,974

199
200 13,63

34,52 74,74

0,90

0,05 0,00 0,00

73,89 0,974 0,974

201
250 12,47

34,49 74,54

1,12

0,07 0,00 0,00

73,49 0,973 0,974

251
254 12,35

34,49 74,52


72,31 0,972 0,973

402
402 9,10

34,40 74,04

1,81

0,08

0,01

0,00

72,30 0,972 0,972

404
493 8,00

34,41 73,87

2,21

0,09

0,01

0,00


71,13 0,971 0,971

604
700 6,23

34,44 73,61

3,13

0,11

0,01

0,00

70,58 0,971 0,971

705
800 5,50

34,46 73,51

3,57

0,11

0,01

0,00



34,52 73,34

4,45

0,11 0,00 0,00

68,99 0,969 0,969

1008
1200 3,59

34,56 73,23

5,32

0,11

0,01

0,00

68,01 0,968 0,969

1210
1206 3,55

34,56 73,23

5,35

tại độ sâu quan trắc bằng cách bổ sung các
hiệu chỉnh do áp suất (công thức Bierknes):
stpsptpptpts
VV


. (1.5)
trong đó:

Pp ,0,350,0,35

hiệu chỉnh do áp suất khi nhiệt độ
C0

t
và độ muối
o
%
35

S
;
)()(
0,0,350,,35,0,35,,35


TPPTtp
,
)()(
0,0,35,0,,0,35,0,

giả thiết khi tăng 1m độ sâu thì áp suất tăng
1 đêxiba (db).
Tất cả các các công đoạn trên nên thực
hiện theo biểu mẫu chuẩn như bảng 1.1.
Trong bảng này cũng đề cập đến việc tính
thể tích riêng

của nước biển và tính chính
xác áp suất tại các tầng sâu quan trắc theo
công thức:

gH
P 1,0
, (1.6)
trong đó

P
áp suất tính bằng đêxiba;
8
,
9

g
m/s
2
;

H
độ sâu tính bằng mét;


c tốc độ âm trung bình tại các lớp nước
)

,

,
1
(

n
i
i

và 
i
h độ dày của mỗi lớp
tương ứng.
Công thức lý thuyết của tốc độ âm trong chất lỏng và chất khí (công thức Newton -
Laplace) có dạng
k
c


, (1.7)
trong đó


thể tích riêng, được hiệu chỉnh bởi độ nén;

V

083
,
0
khi độ muối tăng lên
o
%
1
.
Nếu áp suất tăng, thì một mặt tốc độ âm sẽ giảm do sự giảm thể tích riêng, nhưng mặt
khác tốc độ âm sẽ tăng do sự giảm của hệ số nén. Theo thực nghiệm cứ tăng mỗi mét độ sâu
thì tốc độ âm tăng 0,0175 m/s.
Theo công thức lý thuyết (1.7) có thể xác định tốc độ âm trong nước biển theo nhiệt
độ, độ muối và hiệu chỉnh theo độ sâu. Để tiện dùng trong thực hành người ta cũng xây
dựng sẵn các bảng tính tốc độ truyền âm trong nước biển ([6], bảng 33 và 34 hoặc phụ lục 1,
bảng 14 và 15).
Cũng có thể sử dụng những công thức thực nghiệm chính xác hơn của Del-Gross hay
của D. Wilson để xác định tốc độ âm. Những công thức này được xây dựng theo nguyên lý
khai triển đầy đủ hơn đối với những biểu thức phụ thuộc phi tuyến giữa tốc độ âm với nhiệt
độ, độ muối và áp suất trong nước biển.
Công thức Del-Gross có dạng:
m/s. ) 0027,0 577,01()35(10.2
)35(10.7,2 )35(011,0)35(25,1
00023,0 0523,0 618,46,1448
247
48
32
ttS
tStSS
tttc


.
Công thức Wilsơn có độ chính xác cao hơn so với công thức Del-Gross do tính tới
hiệu chỉnh phi tuyến của áp suất đối với nước có độ muối và nhiệt độ khác nhau:
ptspst
ccccc  14,1449
, (1.10)
trong đó
c
tính bằng m/s; các hiệu chỉnh do nhiệt độ khác với
C0

(
t
c
), độ muối khác với
o
%
35
(
s
c
), áp suất khác với áp suất khí quyển (
p
c
) và hiệu chỉnh tổng hợp (
pts
c
) được xác
định theo những công thức:
463422





trong đó

p
tính bằng kg/cm
2
. Với độ muối đến
o
%
40
, nhiệt độ đến
C30

và áp suất đến
1000 kg/cm
2
sai số cực đại của tốc độ âm tính theo công thức (1.10) không vượt quá 0,10,2
m/s.
1.3.2. Tính toán tia âm trong biển
Hiện tượng khúc xạ âm diễn ra trong môi trường không đồng nhất về tốc độ âm. Tính
chất khúc xạ được quyết định bởi građien tốc độ âm của môi trường truyền âm. Trong biển
tính không đồng nhất về tốc độ âm thường thể hiện rõ nhất theo phương thẳng đứng, ngoài
ra tốc độ âm trong nước biển biến thiên theo độ sâu một cách liên tục và phức tạp tùy thuộc
vào biến thiên của nhiệt độ và độ muối.
Giả sử biến thiên của nhiệt độ và độ muối tạo nên sự tăng dần của tốc độ âm theo
chiều sâu biển, một tia âm từ nguồn phát đi xuống phía dưới theo một góc nhọn với phương
ngang sẽ có xu hướng uốn cong và quay bề lõm lên trên. Ngược lại, nếu tốc độ âm giảm dần

z

o
o

, (1.12)
trong đó

o
c
tốc độ âm tại nguồn phát;

c

građien tốc độ âm theo phương thẳng đứng;


góc đi ra của tia âm so với phương ngang, tức trục
x
(hình 1.3).

Hình 1.2. Đường đi của các tia âm trong biển Hình 1.3. Đường đi của tia âm trong nước biển phân lớp
Tại biên phân cách giữa hai lớp kề nhau có các tốc độ âm khác nhau tia âm sẽ quay đi
theo một góc khúc xạ

có thể lớn hơn hoặc bé hơn góc tới
i

Trước hết tính bán kính và các tọa độ tâm của đường tròn quỹ đạo theo các công thức (1.11)
và (1.12). Dùng compa vẽ đường tròn tâm
O
bán kính
R
để xác định giao điểm của nó với
tầng quan trắc
1
z
. Tại giao điểm đó xác định góc
i
bằng thước đo góc. Góc

xác định theo
công thức (1.13). Để tính tiếp đường đi của tia âm trong lớp từ tầng sâu
1
z
tới tầng sâu
2
z

thủ tục tính toán lặp lại tương tự. Bây giờ góc

được thay bởi

, tốc độ
o
c
được thay bởi
1

vào phương trình này và rút gọn ta được
02tg2
o
2
o
2









 z
c
zx
c
x
cc



. (1.14)
Thế giá trị độ sâu
1
z
vào tọa độ
z

zzx
c
x



. (1.15)
Muốn tìm tọa độ ngang của giao điểm của tia âm với biên phân cách hai lớp
1
z
ta phải
giải phương trình (1.15) đối với ẩn
x
. Có thể có ba trường hợp sau đây:
a) Khi phương trình có hai nghiệm riêng biệt, tức có hai giá trị của
x
, ta cần chọn lấy
một nghiệm
1
x
phù hợp: thí dụ, nếu đường tròn quỹ đạo tia âm quay bề lõm lên trên thì
chọn lấy giá trị nhỏ nhất trong hai nghiệm, đó sẽ là giao điểm thứ nhất của tia âm khi đi từ
trên xuống tới biên phân cách
1
z
.
b) Khi phương trình có một nghiệm kép, giá trị nghiệm
1
x
chính là tiếp điểm của tia











cc
c
z
c
z
. (1.16)
Thấy rằng có thể có hai giá trị của
1
z
thoả mãn đẳng thức này và người ta phải chọn
giá trị nào gần với độ sâu biên phân cách
1
z
đã cho.
Nếu tia âm tiếp tục đi xuống lớp dưới, thì góc tới
i
của tia âm tại biên phân cách
1
z
sẽ

5) Lập các đoạn chương trình xác định tốc độ âm trong nước biển theo các phương án:
tra các bảng phụ trợ tính tốc độ âm trong Bảng hải dương học, tính theo các công thức Del-
Gross và tính theo công thức Wilsơn. Cho trước một số giá trị nhiệt độ, độ muối tại các tầng
sâu gần mặt và sâu hơn 1000m. Tính tốc độ âm theo các phương án và so sánh kết quả.
6) Cho trước trạm hải văn tại vùng khơi biển Đông. Tính tốc độ âm tại tất cả các tầng
sâu. Vẽ đồ thị phân bố thẳng đứng của nhiệt độ, độ muối và tốc độ âm của trạm và phân tích
kết quả.
7) So sánh các phân bố thẳng đứng của tốc độ âm tại một số vùng đặc trưng của biển
Đông.
8) Tính và xây dựng đường đi của tia âm tại một trạm quan trắc hải văn thuộc vùng
khơi biển Đông.