NXB Đại học Quốc gia Hà Nội - 2006 Từ khóa: Dòng chảy, hoàn lưu nước, lực nội sinh, lực ngoại sinh, dòng chảy quán tính, dòng chảy địa chuyển, dòng chảy trôi, mực nước, thủy triều, triều sai, sóng gió, sóng nội, sóng thần, dao động lắc, tài nguyên sinh vật, tài nguyên khoáng vật, năng lượng sóng, năng lượng thủy triều, năng lượng dòng chảy. V. N. VOROBIEV, N. P. SMIRNOV HẢI DƯƠNG HỌC ĐẠI CƯƠNG Phần 2 – Các quá trình động lực học Biên dịch: Phạm Văn Huấn Tài liệu trong Thư viện điện tử Trường Đại học Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả đại học quốc gia H Nội V. N. Vorobiev, N. P. Smirnov Hải dơng học đại cơng Phần 2: Các quá trình động lực học Biên dịch: Phạm Văn Huấn Nh Xuất bản đại học quốc gia H Nội 3 . . , . . 2. , ôằ, ôằ - 1999 3 4 Mục lục Lời nói đầu 4 Mở đầu 5 Chơng 1 - dòng chảy v hon lu nớc đại dơng 9 1.1. Những lực cơ bản tác động trong đại dơng 9 1.1.1. Các lực nội sinh 9 1.1.2. Các lực ngoại sinh 12 1.1.3. Các lực thứ sinh 13 1.2. Các dòng chảy quán tính 17 1.3. Các dòng chảy địa chuyển 20 1.3.2. Độ nghiêng của các mặt đẳng thể tích trong dòng chảy. 21 1.3.3. Phơng pháp động lực tính dòng chảy địa chuyển 22 1.4. Lý thuyết dòng chảy trôi ổn định 27 1.4.1. Lý thuyết của Ekman đối với biển sâu 27 1.4.2. Lý thuyết của Ekman đối với biển nông 31 1.4.3. Sự phát triển của các dòng chảy trôi 33 1.5. Lý thuyết các dòng chảy građien 34 1.6. Các hiện tợng dâng rút ở đới ven bờ 36 1.7. Hon lu nớc đại dơng 39 1.7.1. Các hệ thống hon lu chính 39 1.7.2. Các đặc điểm biến tính hon lu nớc theo độ sâu 44 1.7.3. Đặc trng tóm tắt về các dòng chảy của Đại dơng Thế giới 47 1.8. Những đặc điểm hon lu nớc ở đới xích đạo của Đại dơng Thế giới 53 1.9. Hon lu nớc Bắc Băng Dơng 56 1.10. Các xoáy trong đại dơng 57 1.11. Các front đại dơng 62 Chơng 2 - Sóng trong đại dơng 65 2.1. Phân loại sóng v những yếu tố cơ bản của sóng 65 2.2. Cơ sở lý thuyết sóng trôcôit 68 2.3. Năng lợng sóng trôcôit 74 2.4. Lý thuyết cơ sở về các sóng di 75 2.5. Các nhóm sóng 78 2.6. Sự xuất hiện v phát triển của sóng gió 80 2.7. Phụ thuộc của sóng gió vo tốc độ, thời gian tác động của gió v đ 84 2.8. Các đặc trng thống kê của sóng gió 86 2.9. Sự biến dạng của sóng gió khi tiến về phía bờ 88 2.10. Những độ cao sóng quan trắc đợc trong đại dơng 91 2.11. Sóng nội 94 2.12. Dao động lắc 96 2.13. Sóng thần 98 Chơng 3 - Thủy triều trong đại dơng 100 3.1. Những quy luật vật lý cơ bản hình thnh thủy triều 100 3.1.1. Thủy triều v các lực tạo thủy triều 100 3.1.2. Thế vị của các lực tạo triều 105 3.1.3. Lực tạo triều 106 3.2. Cơ sở lý thuyết tĩnh học về thủy triều 107 3.3. Đặc trng tổng quát về thủy triều 110 3.3.1. Các yếu tố thủy triều chính v các chuyên từ 110 3.3.2. Phân loại thủy triều 112 3.3.3. Những quy luật địa lý của dao động mực nớc thủy triều 115 3.4. Triều sai 116 3.4.1. Triều sai ngy 116 3.4.2. Triều sai pha (nửa tháng) 117 3.4.3. Triều sai chí tuyến 119 3.4.4. Triều sai tháng thị sai 120 3.4.5. Các triều sai chu kỳ di 121 3.5. Khái niệm về thuyết động lực học thủy triều 122 3.5.1. Những nhợc điểm của thuyết tĩnh học thủy triều 122 3.5.3. Đặc điểm truyền các sóng thủy triều trong Đại dơng Thế giới 127 3.6. Phân tích điều hòa thủy triều 131 3.6.1. Khai triển điều hòa hm thế vị lực tạo triều 131 5 6 3.6.2. Phân tích điều hòa số liệu quan trắc mực nớc 134 3.7. Các thủy triều chu kỳ di 137 3.8. Những hiện tợng kiểu thủy triều ở đại dơng 140 3.9. Mực nớc đại dơng 144 3.9.1. Khái niệm về mực nớc trung bình 144 3.9.2. Các dao động mực nớc ngắn hạn không tuần hon 145 3.9.3. Những biến thiên mực nớc theo mùa 147 3.9.4. Biến thiên mực nớc nhiều năm 148 Chơng 4 - Ti nguyên sinh vật, khoáng vật v năng lợng của đại dơng 150 4.1. Ti nguyên sinh vật của Đại dơng Thế giới 150 4.1.1. Sản phẩm sơ cấp 152 4.1.2. Động vật phù du 157 4.1.3. Sinh vật đáy 158 4.1.4. Động vật biết bơi 159 4.1.5. Sử dụng ti nguyên sinh vật đại dơng trong hiện tại. 161 4.2. Ti nguyên khoáng vật của đại dơng 165 4.2.1. Ti nguyên dầu v khí biển 165 4.2.2. Các khoáng sản dạng rắn ở đáy đại dơng 167 4.2.3. Thu nhận các nguyên tố đa v vi lợng từ nớc biển 168 4.2.4. Quặng kết hạch sắt măng gan 170 4.2.5. Kết hạch phosphorit 171 4.3. Sử dụng năng lợng đại dơng v những tính chất vật lý của nớc biển trong ngnh năng lợng 171 4.3.1. Sử dụng các tính chất vật lý của nớc biển 172 4.3.2. Năng lợng sóng đại dơng 173 4.3.3. Năng lợng thủy triều đại dơng 174 4.3.4. Sử dụng năng lợng của các dòng biển 175 Ti liệu tham khảo 176 7 8 Lời nói đầu Do một số nguyên nhân, sách giáo khoa về hải dơng học đại cơng đợc xuất bản thnh hai phần. Phần 1 Hải dơng học đại cơng: Các quá trình vật lý của tác giả V. N. Malinhin xuất bản năm 1998. Phần 2 Hải dơng học đại cơng: Các quá trình động lực học, của các tác giả V. N. Vorobiev v N. P. Smirnov, l phần kết thúc của giáo trình hải dơng học đại cơng. Cả hai ti liệu học tập đều đợc viết theo chơng trình hiện hnh của môn học đợc thông qua năm 1996. Việc xây dựng chơng trình môn học Hải dơng học đại cơng v sự hình thnh môn học ny ở Đại học Quốc gia Khí tợng Thủy văn Nga (trớc đây l Trờng Đại học Khí tợng Thủy văn Lêningrat) gắn liền với tên tuổi của các giáo s Vsevolođ Vsevolođovich Timonov, ngời sáng lập ra Khoa hải dơng học ở trờng ny, v Leoniđ Aleksanđrovich Giukov, tác giả cuốn giáo khoa đầu tiên v l một trong những cuốn giáo khoa tốt nhất về hải dơng học đại cơng xuất bản năm 1976. Hơn hai mơi năm đã trôi qua, chơng trình môn học đã biến đổi, đã có nhiều dữ liệu mới trên cơ sở những nghiên cứu thực nghiệm v lý thuyết về Đại dơng Thế giới. Tuy nhiên, những cơ sở nền tảng của môn học vẫn nh xa. Vì vậy, trong khi chuẩn bị cuốn sách giáo khoa mới dựa trên những bi giảng của một trong các tác giả trong vòng bảy năm cho sinh viên Khoa hải dơng học, thì cuốn sách giáo khoa của L. A. Giukov đợc sử dụng nh một trong những nguồn văn liệu chính. Đồng thời, trong khi viết sách, ở mức độ no đó cũng đã sử dụng những kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả khác, ngời đọc có thể thấy một số trong số đó ở danh mục ti liệu khuyến cáo dẫn ở cuối sách. Phù hợp với sơ đồ kinh điển, việc trình by các quá trình động lực học trong đại dơng đợc bắt đầu từ nghiên cứu hon lu nớc trong đại dơng, sau đó đến sóng v cuối cùng l thủy triều, v tuy rằng thủy triều cũng l quá trình sóng, nhng nó khá đặc thù v đợc nghiên cứu riêng. Chơng cuối cùng của sách không đề cập trực tiếp đến việc nghiên cứu động lực học đại dơng, nhng nó rất liên quan tới động lực học. Bởi vì sự sống trong đại dơng bị chi phối rất nhiều bởi các quá trình động lực. Vấn đề khai thác năng lợng từ đại dơng cũng nh vậy. Ti liệu giáo khoa ny thực chất l một dẫn đề tới giáo trình chuyên đề Động lực học đại dơng v nó giúp khái 9 10 quát một cách khá đầy đủ, hầu nh ton bộ bức tranh các quá trình động lực trong đại dơng, nhng không quá chi tiết hóa v quá nhiều những dẫn đề lý thuyết. Một sinh viên ham hiểu biết luôn có thể lm sâu rộng tri thức của mình thông qua đọc văn liệu của các nh khoa học Nga, những ngời đã từng có đóng góp cơ bản cho sự nghiệp nghiên cứu động lực học đại dơng nh: Iu. M. Sokalsky, V. V. Suleikin, N. N. Zubov, V. B. Stokman, I. V. Monhin, B. A. Kagan, I. N. Đaviđan v nhiều ngời khác, cũng nh các nh hải dơng học ngoại quốc nổi tiếng với một loạt sách đã đợc dịch sang tiếng Nga: Lamb A., Neuman G., Perri A., Volker Đ. v.v Cuối cùng, các tác giả by tỏ cảm ơn tới giáo s chủ nhiệm bộ môn Động lực học đại dơng A. V. Nhekrasov, các giáo s B. A. Kagan v V. N. Malinhin, các phó giáo s L. N. Kuznhesova v P. L. Plink vì những nhận xét quý báu trong khi đọc duyệt bản thảo. Chúng tôi đặc biệt cảm ơn những ngời phản biện: chủ nhiệm bộ môn hải dơng học Đại học Tổng hợp Quốc gia Sankt-Peterburg V. V. Ionov, giáo s V. R. Fuks, phó giáo s V. V. Klepikov v chủ nhiệm phân ban Tơng tác đại dơng v khí quyển của Viện nghiên cứu khoa học Bắc Cực Nam Cực, giáo s G. V. Alekseev về những nhận xét phê bình v góp ý m chúng tôi đã tiếp thu. Các tác giả cảm ơn giáo s hiệu trởng Đại học Quốc gia Khí tợng Thủy văn Nga L. N. Karlin đã luôn ủng hộ trong quá trình xây dựng bản thảo, chủ nhiệm ban biên tập xuất bản I. G. Maksimova v biên tập viên O. Đ. Reinvers có nhiều công lao hiệu đính v chuẩn bị bản thảo tới xuất bản. Mở đầu Con ngời nghiên cứu đại dơng trớc hết do nhu cầu thực tiễn sử dụng các ti nguyên đại dơng để giải quyết những vấn đề đời sống quan trọng của mình. Việc kiếm thức ăn cho mình từ đại dơng v sử dụng các đại dơng v biển để di chuyển dễ dng v nhanh từ nơi ny đến nơi khác thì con ngời đã lm từ những thời kì xa xa. Đại dơng đang tiếp tục đóng vai trò to lớn trong việc giải quyết các vấn đề thực phẩm v giao thông. Chỉ cần nói rằng ba phần t tổng tải trọng lu thông trên thế giới thuộc về hng hải v gần 6 % chất đạm động vật con ngời nhận đợc từ đại dơng đã đủ để chứng minh điều đó. Trong tơng lai sắp tới đây, vai trò của các đại dơng trong việc giải quyết hai vấn đề ny, nhất l vấn đề thực phẩm, sẽ 11 12 tăng lên. Về sau, việc nghiên cứu đại dơng đã trở thnh một khâu tất yếu để hiểu những nguyên nhân v quy luật biến đổi thời tiết v khí hậu trên Trái Đất v khả năng dự báo chúng. Nhiều cuộc khảo sát thực nghiệm lớn ở đại dơng l nhằm giải quyết vấn đề ny. Một lý do nữa thúc đẩy nghiên cứu, đó l đại dơng không chỉ giu ti nguyên sinh vật, m còn l kho vô tận các ti nguyên khoáng vật, trong khi trên lục địa nhiều loại ti nguyên trong số ny đang có nguy cơ cạn kiệt. Cuối cùng, thời gian gần đây, con ngời đang gắn với đại dơng để giải quyết một trong những nhiệm vụ chính yếu của mình duy trì sự tiến bộ v bảo tồn cuộc sống trên hnh tinh tạo ra năng lợng sạch sinh thái. Giải quyết những vấn đề đó không thể thiếu hiểu biết các quá trình động lực xảy ra trong đại dơng. Chẳng hạn, để xác định đúng tuyến hnh hải của tu (ngắn nhất v an ton) phải biết các dòng biển cũng nh cờng độ v tần suất sóng biển trên đờng đi của tu. Để tính đúng thời gian cập vo nhiều cảng, phải biết v tính đợc thủy triều ở đại dơng. Tất cả những vùng giu có nhất về ti nguyên cá đều phụ thuộc cách ny hay cách khác vo các quá trình động lực trong đại dơng sự hình thnh các vùng nớc trồi, các đới front, các cấu trúc xoáy, còn những biến thiên bất kỳ trong động lực đại dơng có thể có ảnh hởng lớn tới sản lợng cá. Thí dụ rõ nét nhất l hiện tợng ElNino ở bờ Pêru. Tại vùng ny, tùy thuộc vo các quá trình động lực ở nam phần Thái Bình Dơng m sản lợng cá biến đổi tới một số bậc. Đời sống v phúc lợi của những ngời sống ven bờ biển v đại dơng (số ny gần bằng một phần ba dân số Trái Đất) phụ thuộc nhiều vo những hiện tợng động lực ở đại dơng nh các trận bão với tác động hủy hoại công trình bờ; sóng thần, đôi khi gây thiệt hại to lớn về ngời v của; nớc dâng bão v sóng di gây nên lũ lụt v.v Cuối cùng, các quá trình động lực ở đại dơng có thể ảnh hởng đáng kể tới hoạt động của lực lợng hải quân của các quốc gia. Các cơ quan quân sự của tất cả những quốc gia có hạm đội hải quân bao giờ cũng rất chú ý tới đại dơng, nghiên cứu nó v tính đến các quá trình động lực ở đại dơng khi giải quyết các nhiệm vụ của mình. Nớc trong đại dơng liên tục chuyển động. Chỉ có điều l cờng độ chuyển động biến thiên trong thời gian v không gian. Các đại dơng chứa đựng phần lớn ton bộ thế năng m Trái Đất nhận từ Mặt Trời. Nhiệt lợng Mặt Trời dự trữ trong một cột nớc với diện tích thiết diện đơn vị vợt trội nhiều lần năng lợng chứa trong một cột không 13 14 7080 cm/s. khí của khí quyển hay của đất đá lục địa có cùng diện tích thiết diện. Chính vì vậy, khi tìm kiếm những nguồn năng lợng thay thế cách nhận năng lợng bằng phơng thức đốt nhiên liệu khoáng, chúng ta phải hớng sự chú ý tới đại dơng. Nhiều tính chất vật lý của các khối nớc ở đại dơng đợc quy định bởi động lực học của đại dơng, v để hiểu về các tính chất đó, chỉ có thể bằng cách nghiên cứu các quá trình động lực đại dơng. Chính vì thế, những năm gần đây, nghiên cứu động lực học đại dơng rất đợc chú trọng. Cùng với mở rộng khảo sát lý thuyết, đã tiến hnh những đợt thực nghiệm đại dơng quy mô lớn nhằm nghiên cứu trớc hết l hon lu đại dơng. Thật vậy, một dự án nghiên cứu cha từng thấy về quy mô nghiên cứu hon lu lớp mặt đại dơng đã đợc thực hiện trong thời kỳ đợt Thực nghiệm ton cầu lần thứ nhất vo năm 1979. Chỉ riêng ở Nam bán cầu, tại vùng 2065 o S đã đặt 300 trạm phao trôi với khoảng cách nhau không quá 500 km. Hệ thống trắc đạc vô tuyến chuyên nghiệp sử dụng các vệ tinh theo dõi vị trí các phao từ 9 đến 14 lần một ngy. Các trạm phao thiết kế không bị ảnh hởng gió v cho phép ngời ta nhận đợc dữ liệu rất độc đáo về hon lu nớc mặt ở một vùng ít đợc nghiên cứu nhất của Đại dơng Thế giới trong một năm liền. Cũng tại khu vực ny, ở Nam Dơng * , trong khuôn khổ các chơng trình POLEXSOUTH, các năm 19741983 Nga v Mỹ đã cùng nhau thực hiện những cuộc khảo sát thực nghiệm về cấu trúc v động lực hon lu nớc Nam Dơng. Ngời ta đã nhận đợc những dữ liệu độc đáo về sự biến đổi cấu trúc của dòng chảy vòng quanh cực Nam Cực theo độ sâu, sự biến động của nó trong thời gian ở quy mô từ một số giờ đến một năm, động lực học cấu trúc v vị trí của dải front cực Nam Cực. Đã nhận đợc những dữ liệu lm thay đổi quan niệm rằng tại những độ sâu lớn ở Nam Dơng các dòng chảy rất yếu. Chẳng hạn, dữ liệu cho thấy rằng tại độ sâu gần 3000 m tốc độ chảy trung bình có thể đạt tới 2030 cm/s, v cực đại Các năm 19771978, ở Đại Tây Dơng đã tiến hnh một đợt thực nghiệm hợp tác Nga Mỹ quy mô lớn POLIMODE phát hiện ra những đặc điểm lý thú nhất về cấu trúc v động lực của các xoáy synop đại dơng do các nh khoa học Nga phát hiện từ năm 1967 sau đợt thực nghiệm Polygon67. Cùng thời kỳ đó (19671984), ở thủy vực Bắc Băng Dơng đã tiến hnh quan trắc theo các chơng trình ICEEXP v AOBP nhằm nghiên cứu sự trôi 15 16 băng v ớc lợng thể tích băng trôi từ Bắc Băng Dơng về thủy vực Bắc Âu, v POLEXPNorth nhằm nghiên cứu hon lu v cấu trúc nớc các thủy vực Bắc Âu v Bắc Băng Dơng. Những đợt thực nghiệm lớn do các nớc riêng lẻ hoặc cộng đồng quốc tế cùng thực hiện trong khuôn khổ các chơng trình INDEXP, MONEXP v.v đã nhằm vo nghiên cứu hon lu gió mùa trong khí quyển v đại dơng v hon lu nớc ở vùng xích đạo ấn Độ Dơng. Nhiều đợt khảo sát thực nghiệm quy mô lớn liên tục đợc thực hiện ở Thái Bình Dơng. Mục tiêu chính l nghiên cứu biến động mùa v giữa các năm của hon lu nớc, cấu trúc các dòng biển v các quá trình tơng tác giữa đại dơng v khí quyển. Thí dụ, từ năm 1979 đến 1984, các quan trắc tiến hnh trong khuôn khổ dự án Động lực học các dòng chảy ở Thái Bình Dơng của Mỹ đã cho phép xác định chính xác cấu trúc của các dòng chảy xiết xích đạo tầng sâu v luận chứng sự phát triển của hiện tợng dị thờng khí hậu lớn ở Thái Bình Dơng ElNino 19821983. * Vùng nớc cận nam của các đại dơng ở Nam bán cầu (khoảng trên 40 o S), bao quanh lục địa Nam Cực đôi khi đợc gọi theo truyền thống l Nam Dơng (ND). Trong những năm tám mơi, đã đề xuất những nhiệm vụ, chuẩn bị các chơng trình v bắt đầu thực hiện những đợt thực nghiệm quốc tế lớn Đại dơng nhiệt đới Khí quyển ton cầu v Hon lu Đại dơng Thế giới. Các đợt thực nghiệm ny tiếp diễn đến năm 2000, thời kì quan trắc sôi động nhất l các năm 19901997. Trong thời gian đợt thực nghiệm đồ sộ nhất trong ton bộ lịch sử khảo sát hải dơng học Hon lu Đại dơng Thế giới, đã nghiên cứu hon lu đại dơng từ quy mô các xoáy không lớn v vai trò của chúng trong sự biến động của đại dơng, đến các quá trình ton cầu vận chuyển nhiệt v muối trong đại dơng v sự ảnh hởng của chúng tới thời tiết v khí hậu Trái Đất. Hiện nay, phần lớn chơng trình quan trắc đã hon tất v đang tiến hnh xử lý v phân tích thông tin nhận đợc. Nh vậy, nghiên cứu động lực học nớc v các quá trình tơng tác giữa đại dơng v khí quyển đã trở thnh những vấn đề cơ bản trong nghiên cứu Đại dơng Thế giới trong những năm gần đây. . 1998. Phần 2 Hải dơng học đại cơng: Các quá trình động lực học, của các tác giả V. N. Vorobiev v N. P. Smirnov, l phần kết thúc của giáo trình hải dơng học đại cơng. Cả hai ti liệu học tập. giáo trình chuyên đề Động lực học đại dơng v nó giúp khái 9 10 quát một cách khá đầy đủ, hầu nh ton bộ bức tranh các quá trình động lực trong đại dơng, nhng không quá chi tiết hóa v quá. nghiên cứu động lực học đại dơng, nhng nó rất liên quan tới động lực học. Bởi vì sự sống trong đại dơng bị chi phối rất nhiều bởi các quá trình động lực. Vấn đề khai thác năng lợng từ đại dơng