Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu đặc điểm của sóng nội khu vực Biển Đông

Nghiên cứu toàn diện về sóng nội Biển Đông: Đặc điểm, phân bố, tần suất xuất hiện và các ứng dụng trong kinh tế, quốc phòng, khoa học.

• Tác giả: Le Van Tuan
• Người hướng dẫn: Ts Nguyen Kim Cuong
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hải dương học
• Đề tài: Nghiên cứu Đặc điểm Của Sóng Nội Khu Vực Biển Đông
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và Đặc điểm của Sóng Nội Biển Đông

Sóng nội là những dao động của khối nước xảy ra bên trong lòng biển, khác biệt với sóng bề mặt thông thường. Tại Biển Đông, sóng nội được hình thành do sự tương tác giữa các tầng nước có mật độ khác nhau, đặc biệt là tại các khu vực có địa hình đáy biển phức tạp. Các đặc điểm cơ bản của sóng nội bao gồm bước sóng từ vài chục đến hàng trăm kilomet, biên độ có thể đạt từ chục đến hàng trăm mét, và chu kỳ dao động thường kéo dài từ vài giờ đến nhiều giờ. Những sóng này lan truyền chậm hơn sóng bề mặt nhưng mang năng lượng khlossal, có khả năng ảnh hưởng đáng kể đến các hoạt động kinh tế và quân sự trong khu vực.

1.1. Định nghĩa và Phân loại Sóng Nội

Sóng nội hay còn gọi là Internal Waves (IWs) là những dao động của các tầng nước có mật độ khác nhau. Chúng được phân loại thành sóng nội tuyến tính và sóng nội phi tuyến tính. Tại Biển Đông, sóng nội chủ yếu được quan sát thông qua ảnh vệ tinh viễn thám, nơi chúng để lại dấu vết đặc biệt trên bề mặt nước. Những sóng này thường xuất hiện ở các vùng có độ sâu biến đổi mạnh, đặc biệt tại các eo biển như eo Luzon.

1.2. Nguyên nhân Hình thành Sóng Nội

Sóng nội ở Biển Đông được hình thành bởi nhiều nguyên nhân chính. Dòng chảy Kuroshio tại eo Luzon là một trong những nguồn năng lượng chính gây ra sóng nội mạnh nhất. Ngoài ra, thủy triều tương tác với các sủi quùm đáy biển mạnh cũng tạo ra sóng nội đáng kể. Sự biến đổi nhiệt độ và độ muối theo độ sâu cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành những sóng nội lớn này.

II. Ảnh hưởng của Sóng Nội đến Các Hoạt động Biển

Sóng nội tại Biển Đông gây ra những ảnh hưởng sâu sắc đến nhiều lĩnh vực hoạt động trên biển. Trên mặt nước, sóng nội để lại những dấu vết đặc trưng có thể quan sát được qua ảnh vệ tinh SAR (Synthetic Aperture Radar). Những ảnh hưởng này không chỉ giới hạn ở mặt lý thuyết mà còn có tác động thực tiễn rõ rệt. Sóng nội tạo ra những dòng chảy tăng giảm mạnh ở độ sâu lớn, có khả năng làm thay đổi hiệu suất hoạt động của tàu ngầm, ảnh hưởng đến an ninh quốc phòng. Đồng thời, những thay đổi vật lý này cũng tác động trực tiếp đến hệ sinh thái biển và các hoạt động khai thác tài nguyên.

2.1. Ảnh hưởng đến Tàu ngầm và Hoạt động Hàng hải

Sóng nội tạo ra các lớp nước có mật độ khác nhau làm thay đổi buoyancy của tàu ngầm. Những thay đổi này có thể làm tàu mất ổn định hoặc bị kéo xuống không kiểm soát. Các dõi theo sóng nội trở nên một yếu tố quan trọng trong quân sự hàng hải hiện đại, giúp phát hiện hoạt động tàu ngầm. Ngoài ra, sóng nội còn ảnh hưởng đến hoạt động khai thác dầu khí trên biển thông qua những dao động mạnh ở độ sâu lớn.

2.2. Tác động đến Hệ sinh thái và Môi trường Biển

Sóng nội gây ra những chuyển động nước mạnh ở độ sâu lớn, dẫn đến sự trộn lẫn của các tầng nước khác nhau. Quá trình này mang các chất dinh dưỡng từ độ sâu lên tầng nước nông, góp phần tạo nên những khu vực upwelling giàu sinh vật. Tuy nhiên, những thay đổi vật lý này cũng có thể gây căng thẳng cho rạn san hô và các sinh vật biển nhạy cảm. Ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển là một khía cạnh quan trọng cần nghiên cứu sâu hơn.

III. Phương pháp Quan sát và Nghiên cứu Sóng Nội

Việc nghiên cứu sóng nội Biển Đông đòi hỏi sử dụng các phương pháp tiên tiến kết hợp công nghệ hiện đại. Viễn thám vệ tinh là công cụ chủ yếu giúp phát hiện và theo dõi sóng nội thông qua việc phân tích ảnh MODIS và ảnh SAR. Những dấu vết sóng nội trên ảnh vệ tinh thể hiện sự thay đổi kết cấu bề mặt nước, cho phép các nhà khoa học lập bản đồ phân bố sóng nội tại Biển Đông. Hệ thống GIS được sử dụng để xử lý dữ liệu không gian, tạo ra bản đồ tần suất xuất hiện sóng nội từ năm 2005 đến 2009. Kết hợp với dữ liệu in-situ về nhiệt độ và độ muối, các nhà nghiên cứu có thể xác định những vùng có khả năng hình thành sóng nội cao nhất, đặc biệt là ở eo Luzon.

3.1. Ứng dụng Viễn thám và Ảnh vệ tinh

Ảnh vệ tinh SAR (Synthetic Aperture Radar) và MODIS cung cấp thông tin chi tiết về vết sóng nội trên bề mặt Biển Đông. Những ảnh này cho thấy các đường vân sóng nội kéo dài hàng chục đến hàng trăm kilomet, đặc biệt rõ ràng ở ven biển miền Trung Việt Nam như vùng Đà Nẵng - Quảng Nam. Viễn thám cho phép các nhà khoa học theo dõi chu kỳ sóng nội và xác định tần suất xuất hiện của chúng trong các mùa khác nhau, cung cấp dữ liệu quý báu cho bảo vệ môi trường biển.

3.2. Phân tích Dữ liệu và Lập bản đồ Phân bố

Sử dụng hệ thống GIS, các nhà nghiên cứu tích hợp 147 ảnh năm 2005 và 175 ảnh năm 2006 để tạo bản đồ phân bố sóng nội chi tiết. Bản đồ tần suất cho thấy sóng nội tập trung chủ yếu tại eo Luzon, bắc Biển Đông, và dọc các đảo Dongsha. Những bản đồ đẳng sâu (50m, 100m, 200m, 1000m) giúp liên hệ vị trí sóng nội với địa hình đáy biển, khẳng định mối quan hệ chặt chẽ giữa topography và hình thành sóng nội.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Nghiên cứu Sóng Nội

Những kết quả nghiên cứu về sóng nội Biển Đông có giá trị ứng dụng thực tiễn rất lớn cho nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong hoạt động kinh tế - xã hội, hiểu biết về sóng nội giúp tối ưu hóa khai thác tài nguyên biển, đặc biệt là dầu khí, bằng cách lựa chọn thời điểm và địa điểm hoạt động hợp lý. Về khía cạnh khoa học, sóng nội là chủ đề nghiên cứu quan trọng giúp hiểu rõ hơn về động lực học biển và quá trình trộn lẫn nước biển. Trong bảo vệ môi trường, sóng nội được coi là một yếu tố chính ảnh hưởng đến sức khỏe hệ sinh thái rạn san hô và sinh vật biển. Cuối cùng, từ góc độ quốc phòng - an ninh, khả năng phát hiện và dự báo sóng nội là công cụ quan trọng cho hoạt động quân sự hàng hải và giám sát biển quốc gia.

4.1. Ứng dụng trong Kinh tế Xã hội và Môi trường

Sóng nội ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động khai thác dầu khí trên biển thông qua những dao động mạnh ở độ sâu lớn. Hiểu biết về phân bố và tần suất sóng nội giúp kỹ sư lựa chọn thời điểm và vị trí tối ưu cho hoạt động ngoài khơi. Ngoài ra, sóng nội còn tác động đến hệ sinh thái rạn san hô và nguồn lợi thủy sản thông qua sự thay đổi nhiệt độ, độ muối và cung cấp dinh dưỡng. Những ứng dụng này giúp bảo vệ môi trường biển hiệu quả hơn.

4.2. Ứng dụng trong Quốc phòng An ninh

Sóng nội có khả năng ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động tàu ngầm, tạo nên vệt âm thanh và bất thường trong trường sóng âm biển. Khả năng phát hiện và dự báo sóng nội Biển Đông trở thành công cụ chiến lược quan trọng cho giám sát biển và an ninh hàng hải quốc gia. Các bản đồ phân bố sóng nội và dữ liệu tần suất cung cấp thông tin tình báo quý báu cho hoạt động quân sự hàng hải và phòng chống đe dọa từ biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về sóng nội và tình hình nghiên cứu sóng nội trên thế giới, khu vực Biển Đông. Phương pháp và quy trình nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

TỔNG QUAN VỀ SÓNG NỘI VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SÓNG NỘI TRÊN THẾ GIỚI, KHU VỰC BIỂN ĐÔNG 1. Một số khái niệm Sóng nội (IWs) là những dao động giống như sóng của các hạt nước xung quanh vị trí cân bằng ổn định dưới tác dụng phục hồi của lực Archimedes (lực nổi) trong lòng chất lỏng [1]. Trong biển và đại dương, chúng được tạo ra bởi những xáo trộn mạnh của chất lỏng ở điều kiện phân tầng. Đặc biệt trong một cấu trúc chất lỏng phân tầng mật độ, địa hình đáy (độ dốc hoặc độ nhám lớn) là nhân tố chính tạo thành sóng nội.

Sóng nội lan truyền thành một nhóm solitons, bắt đầu với sóng có biên độ và bước sóng lớn nhất ở phía trước. Không giống như các dao động hình sin khác của sóng tuyến tính, sóng nội phi tuyến có tính phân cực bụng sóng và độ cao sóng khác nhau (có đáy sâu hoặc đỉnh sóng cao) phụ thuộc vào độ sâu của nêm mật độ (pynocline) [2]. Vùng nước chết là một thuật ngữ hàng hải dùng để chỉ một hiện tượng kỳ lạ, trong khu vực đó con tàu khó điều khiển hoặc bị giảm tốc độ gần như dừng lại trên một bề mặt yên tĩnh. Hiện tượng này có thể xảy ra khi có sự phân tầng mật độ theo chiều ngang mạnh do độ mặn hoặc nhiệt độ hoặc cả hai.

Thông thường khi một lớp nước ngọt hoặc nước lợ nằm trên lớp nước mặn đậm đặc hơn, mà không có sự trộn lẫn hai lớp [3]. Hiện tượng này thường xuyên xảy ra và được quan sát thấy ở các vịnh hẹp, nơi dòng chảy sông chảy có nước ngọt chảy vào nước mặn của biển mà không bị xáo trộn lớn [4]. Con tàu trở nên khó điều khiển hoặc thậm chí có thể giảm tốc độ gần như dừng lại và “dính” vào bề mặt nước. Tốc độ tăng thêm một vài hải lý có thể khắc phục được hiệu ứng này [5].

Các thí nghiệm đã cho thấy tác động thậm chí rõ rệt hơn trong trường hợp các tàu lặn gặp phải sự phân tầng như vậy [3]. Hiện tượng “nước chết” được các thủy thủ quan sát thấy vào năm cuối thế kỉ XIX và lần đầu tiên được mô tả khoa học bởi Fridtjof Nansen, nhà thám hiểm Bắc 13 Cực người Na Uy. Nansen đã viết những điều sau đây từ quan sát trên con tàu Fram của mình vào tháng 8 năm 1893 tại Quần đảo Nordenskiöld gần Bán đảo Taymyr: “Khi bị kẹt trong vùng nước chết, Fram dường như bị giữ lại, như thể bị một thế lực bí ẩn nào đó giữ lại và con tàu không phải lúc nào cũng thuận theo sự điều khiển của người lái. Trong thời tiết yên tĩnh, chở hàng nhẹ, Fram có khả năng đi được từ 6 đến 7 hải lý (11,1 - 13 km/h).

Khi ở trong vùng nước chết, nó không thể thực hiện được 1,5 hải lý (2,8 km/h). Chúng tôi đã thực hiện vòng lặp trong hành trình của mình, đôi khi quay ngược lại, thử đủ mọi cách để giải quyết vấn đề đó, nhưng rất ít hiệu quả.” [6] Kinh nghiệm của Nansen khiến ông yêu cầu nhà vật lý và khí tượng học Vilhelm Bjerknes nghiên cứu về hiện tượng này một cách khoa học. Bjerknes đã nghiên cứu cùng học trò của mình, Vagn Walfrid Ekman. Ekman, người sau này mô tả hiệu ứng mang tên ông là xoắn ốc Ekman, đã chứng minh hiệu ứng của sóng nội là nguyên nhân gây ra “nước chết” [6].

Một nghiên cứu hiện đại của tổ chức CNRS “Institut Pprime và Laboratoire de Mathématiques et Applications” của Đại học Poitiers, Pháp cho thấy hiệu ứng này là do các sóng bên trong di chuyển ranh giới phân tầng qua lại. Có 2 quan điểm nghiên cứu về chúng tại thời điểm đó, quan điểm đầu tiên của Nansen, gây ra một tiến trình chậm bất thường liên tục. Quan điểm thứ hai của Ekman, gây ra dao động. Theo quan điểm Ekman có thể là tạm thời và trở thành quan điểm của Nansen khi con tàu đạt ngưỡng tốc độ để thoát khỏi dao động của “nước chết”.

Một ví dụ lịch sử thú vị là hiệu ứng này đã gây ra khó khăn và tổn thất cho tàu của Cleopatra trong trận Actium năm 31 Trước Công nguyên, trong đó truyền thuyết cho rằng tổn thất là do “cá mút đá” bám vào thân tàu làm đoàn tàu không thể di chuyển được [7]. Tổng quan về sóng nội 1. Đặc điểm của sóng nội Sóng trên bề mặt đại dương là hiện tượng thường thấy, nhưng sóng bên trong thì ít quen thuộc hơn. Sóng nội lan truyền dọc theo độ dốc mật độ trong đại dương giống như sóng bề mặt lan truyền dọc theo ranh giới giữa mặt phân cách không khí - 14 nước biển.

Trong đại dương, năng lượng Mặt Trời sưởi ấm trên bề mặt và nước từ dòng chảy trên lục địa hoặc băng tan tạo ra một lớp nước có mật độ thấp hơn ở mặt. Lớp này thường được xáo trộn với lớp nước bên dưới do tác động của sóng bề mặt và nhiễu động, nhưng điều này chỉ hiệu quả với một số độ sâu hữu hạn phụ thuộc vào sức mạnh của gió. [8] Cơ chế này có xu hướng tạo ra một lớp nước nhẹ hơn ở trên lớp nước có mật độ lớn hơn bên dưới. Các ranh giới mật độ được gọi là nêm mật độ (pycnocline), là vùng có chênh lệch mật độ lớn mà trên đó xuất hiện sóng nội lan truyền.

Tất nhiên, đại dương thực tế phức tạp hơn và nhiều lớp có thể hình thành từ các sự kiện làm nóng và bất thường theo từng đợt. Sóng nội là một quá trình quan trọng trong quá trình hòa trộn của đại dương. Một trong những nguyên nhân phổ biến nhất các quá trình tạo ra sóng nội là dòng chảy của dòng thủy triều trên đáy địa hình sườn dốc [9,10,11], đặc biệt ở rìa thềm lục địa [12]. Những sóng này có thể lan truyền qua khoảng cách xa, mang theo năng lượng thủy triều.

Năng lượng này cuối cùng được giải phóng và tan biến nơi sóng vỡ. Sóng nội dao động trong lòng biển. Sóng trên mặt biển có thể có độ cao tới 18 m, trong khi sóng nội có thể đạt độ cao 200 m tùy thuộc vào độ dày lớp nước phía trên. Sóng nội di chuyển chậm hơn sóng bề mặt vì sự chênh lệnh mật độ giữa 2 lớp nước nhỏ hơn nhiều so với sự chệnh 15 lệch mật độ giữa không khí và nước biển.

Sóng nội có bước sóng từ hàng trăm mét đến hàng chục km và chu kì từ vài phút đến vài giờ. Sóng nội có thể bị giới hạn trong một vùng hữu hạn của độ sâu, do sự phân tầng khác nhau. Ở đây, sóng được cho là bị ống dẫn hoặc bị mắc kẹt và một sóng dừng theo phương thẳng đứng có thể hình thành, trong đó thành phần thẳng đứng của vận tốc nhóm tiến gần bằng không. Chế độ sóng bên trong ống dẫn có thể lan truyền theo chiều ngang, với các vectơ vận tốc nhóm và pha song song, tương tự như lan truyền trong ống dẫn sóng.

Ở quy mô lớn, sóng nội chịu ảnh hưởng của cả chuyển động quay của Trái Đất cũng như sự phân tầng của môi trường. Tần số của các chuyển động sóng địa vật lý này thay đổi từ giới hạn dưới của tần số Coriolis (chuyển động quán tính) cho đến tần số Brunt-Väisälä, hoặc tần số nổi (dao động nổi). Trên tần số Brunt-Väisälä, có thể có các chuyển động sóng bên trong phát sinh, ví dụ như chuyển động do phản xạ một phần. Sóng nội ở tần số thủy triều được tạo ra bởi dòng chảy thủy triều trên địa hình/độ sâu và được gọi là thủy triều nội.

Với tần số Brunt-Väisälä, N, được tính theo công thức: (1.1) Trong đó, g là gia tốc trọng trường, !! là mật độ nước. Đối với sự lan truyền sóng nội trong 2 lớp chất lỏng đã có những nghiên cứu mô hình hóa sự lan truyền của chúng dựa trên phương trình Koterweg-de Vries (KdV) và phương trình Benjamin-Ono (BO) [13]. Trong một khu vực biển tồn tại hai lớp, sóng nội có thể được biểu thị bằng phương trình KdV [15,16,17]: (1.2) Trong đó, t là thời gian, x là khoảng cách theo hướng truyền sóng, η là độ cao nước nâng lên giữa 2 lớp nước. Tốc độ truyền pha tuyến tính (1.3) 16 Hệ số phi tuyến (1.4) Hệ số phân tán (1.5) Thay các hệ số vào phương trình tổng quát KdV, độ cao của sóng nội được tính theo công thức: (1.6) Với h1, h2 và lần lượt là độ dày và mật độ của 2 lớp nước trên, lớp nước dưới; g là gia tốc trọng trường.

Khi xác định được khoảng cách xa nhất giữa 2 vệt sáng và tối trên quan sát ảnh viễn thám dpp và các hệ số phi tuyến c1, hệ số phân tán c2 được giả định. Sẽ tính toán, ước lượng được một số đặc điểm của sóng nội như biên độ dao động và độ dày lớp nước trên. Đối với vùng nước sâu, phương trình BO được phát triển từ phương trình KdV có thể áp dụng tính toán các đặc điểm sóng nội. Phương trình BO [13]: (1.7) Với các hệ số tương tự phương trình KdV: (1.8) Và phép biến đổi Hilbert của độ cao f được tính theo: (1.9) Khi đó, biên độ của sóng nội theo phương trình BO được tính như sau: (1.10) 17 Với và bước sóng ; Do đó, đối với vùng nước nông, có thể sử dụng phương trình KdV để ước lượng đặc điểm của sóng nội.

Còn tại vùng nước sâu, dùng phương trình BO để tính toán, ước lượng đặc điểm sóng nội cho ra kết quả tốt hơn. Nguyên nhân hình thành Hầu hết mọi người nghĩ về sóng như một hiện tượng bề mặt, hoạt động giữa nước (như trong hồ hoặc đại dương) và không khí. Khi nước có mật độ thấp ở trên lớp nước có mật độ cao hơn trong đại dương, sóng nội lan truyền dọc theo ranh giới. Chúng đặc biệt phổ biến trên các khu vực thềm lục địa của các đại dương trên thế giới và nơi nước lợ lấn át nước mặn ở đầu ra của các con sông lớn.

Thường có rất ít biểu hiện bề mặt của sóng, ngoài các dải trơn có thể hình thành trên đáy của sóng. Sóng nội dao động trong lòng đại dương do tác dụng của một số lực chính như: Trọng lực, lực tạo triều, lực Coriolis và năng lượng thủy động lực. Điều kiện để tồn tại sóng nội, chất lỏng phải được phân tầng: Mật độ phải thay đổi (liên tục hoặc không liên tục) theo độ sâu do những thay đổi về nhiệt độ và độ mặn.