Một số kết quả khảo sát trường tốc độ âm biển Đông

Tạp chí Khoa học đhqghn, KHTN & CN, T.xxI, Số 3PT., 2005 Một số kết quả khảo sát tr−ờng tốc độ âm biển Đông Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm Khoa Khí t−ợng Thủy văn và Hải d−ơng học, Tr−ờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Tóm tắt: Cơ sở dữ liệu về nhiệt độ và độ muối biển Đông gồm 137 181 trạm quan trắc đ−ợc khai thác để tính tốc độ âm trong n−ớc biển. Vùng biển Đông giới hạn từ 99oKĐ đến 120oKĐ, từ 2oVB đến 24oVB đ−ợc chia thành mạng l−ới với b−ớc 0,5o trên các ph−ơng kinh tuyến và vĩ tuyến. Tại mỗi điểm nút l−ới đã tính phân bố thẳng đứng trung bình tháng của tốc độ âm. Từ đó xây dựng các mặt cắt thẳng đứng của tốc độ âm ứng với các vĩ tuyến 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11 và 10 oVB. Kết quả phân tích phân bố tốc độ âm theo mặt rộng biển cho thấy trong thời kỳ mùa đông, thí dụ tháng 1, sự vận chuyển n−ớc do dòng chảy lạnh mùa đông làm giảm tốc độ âm trong lớp n−ớc mặt ở phần phía bắc và đông bắc biển Đông. Trên toàn vùng khơi biển Đông quan sát thấy tầng cực tiểu chính của tốc độ âm (trục kênh âm ngầm đại d−ơng) tại độ sâu biến thiên trong khoảng 900 - 1000m, ở trung tâm các vùng khơi có thể tới sâu hơn, 1200m. Kết quả tính đ−ờng đi tia âm đối với tr−ờng hợp nguốn tại độ sâu 30, góc mở nguồn 30o nhận đ−ợc bán kính vùng tối âm trên mặt khoảng 50 m, bán kính ngoài của vành khuyên sáng âm gần nguồn trên mặt bằng khoảng 300 đến 500m. Các đặc tr−ng âm học có thể đ−ợc sử dụng để chỉ thị các khối n−ớc, nghiên cứu các dòng chảy, sóng mặt và sóng ngầm, băng biển. Các ph−ơng pháp âm học đ−ợc áp dụng rộng rãi khi giải quyết nhiều bài toán ứng dụng. Đó là việc tìm và khai thác vùng tập trung cá, tìm kiếm khoáng sản có ích trên đáy biển và đại d−ơng, đảm bảo hàng hải và dẫn tầu... Đặc biệt phải kể tới việc sử dụng rộng rãi các ph−ơng pháp âm học trong lực l−ợng hải quân [4]. Trong khi đó việc nghiên cứu âm học biển ở n−ớc ta còn ít [2, 3]. Lần đầu tiên kênh âm ngầm đ−ợc phát hiện năm 1946 trong thời gian khảo sát ở biển Nhật Bản, sau đó đ−ợc 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 t−ợng truyền âm đi xa bên trong kênh âm ngầm là cơ sở của thủy âm học hiện đại. Ngoài liên lạc và phát tín hiệu d−ới n−ớc, kênh âm ngầm có thể đ−ợc sử dụng để giải quyết trực tiếp những bài toán hải d−ơng 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 n−ớc theo những đặc tr−ng tích phân của các tín hiệu âm cùng lúc trên những vùng n−ớc rộng lớn của đại d−ơng và biển. Trong bài này, xuất phát từ cơ sở dữ liệu phong phú về các đặc tr−ng hải d−ơng học cơ bản nh− nhiệt độ và độ muối, đã khảo sát những đặc điểm chính của tr−ờng tốc độ âm trong biển Đông, tính toán bức tranh khúc xạ tia âm trong n−ớc biển để rút ra một số đặc tr−ng chủ yếu của sự truyền âm trong biển này. 44 Một số kết quả khảo sát tr−ờng tốc độ âm biển Đông 45 1. Cách thức xử lý số liệu nhiệt độ và độ muối Cơ sở dữ liệu về các đặc tr−ng vật lý cơ bản của n−ớc biển Đông là nhiệt độ và độ muối gồm 137 181 trạm quan trắc đã đ−ợc thu thập và kiểm tra để loại trừ những sai số thô. Vùng biển đ−ợc khảo sát giới hạn từ vĩ tuyến 2 đến 240VB, từ 99 đến 1200KĐ đ−ợc chia thành những ô vuông có cạnh 0,50 theo các ph−ơng kinh tuyến và vĩ tuyến. Tại mỗi điểm nút của miền l−ới này đã tiến hành nội suy tuyến tính giá trị nhiệt độ và độ muối về 45 tầng sâu, trong đó ở các lớp gần mặt biển có số tầng sâu mau hơn so với các lớp d−ới sâu. Nh− vậy nhận đ−ợc hai ma trận ba chiều về nhiệt độ và độ muối cho từng tháng trong năm. 2. Ph−ơng pháp tính tốc độ âm trong n−ớc biển và quy trình xây dựng quỹ đạo của tia âm Xuất phát từ các tr−ờng nhiệt độ và độ muối trung bình tháng nhiều năm trên đây đã xác định tốc độ âm theo một trong những công thức thực nghiệm có độ chính xác cao và phổ dụng là công thức của Wilson W. D (xem [1]: PTSPST CCCC14,1449C ++++= , (1) trong đó C tính bằng m/s; các hiệu chỉnh do nhiệt độ khác với 0°C ( ), độ muối khác với 35%o ( ), áp suất khác với áp suất khí quyển ( ) và hiệu chỉnh tổng hợp ( ) đ−ợc xác định theo các công thức: TC SC PC PTSC 463422 T T109851,7T1060445,2T104532,4T 5721,4C −−− ⋅+⋅−⋅−= ; 23 S )35S(1069202,1)35S(39799,1C −⋅+−= − ; ;P103603,3P105216,3P100268,1P1060272,1C 41239263P −−−− ⋅−⋅+⋅+⋅= +⋅+⋅−−= −− 272PTS T107711,7T101244,1( )35S(C +⋅−⋅ −− 275 P102943,1P107016,7 +⋅+⋅ −− )PT105790,1PT101580,3 298 +⋅+⋅− −− 264 T104812,7T108607,1( P +⋅−+⋅ −− T105294,2(P)T105283,4 7238 ).T109646,1(P)T108563,1 10329 −− ⋅−+⋅ trong đó tính bằng kg/cm−P 2. Bằng công thức này đã nhận đ−ợc phân bố thẳng đứng của tốc độ âm tại tất cả các điểm thuộc vùng n−ớc trên biển Đông, khoảng trên một ngàn điểm. Trong mục 3 sẽ rút ra một số nhận xét về đặc điểm phân bố tốc độ âm ở biển Đông trên cơ sở phân tích biến thiên không gian của tr−ờng tốc độ âm tại những mặt cắt thẳng đứng điển hình ở biển Đông. Với mỗi trắc diện thẳng đứng của tốc độ âm đã tiến hành tính toán sự khúc xạ tia âm trong n−ớc biển. Quy trình tính đ−ờng đi của tia âm thực hiện trên cơ sở giả thiết rằng sự khúc xạ tia âm chỉ xảy ra trong mặt phẳng thẳng đứng. Giả thiết rằng toàn bề dày n−ớc biển đ−ợc chia thành nhiều lớp (44 lớp), trong phạm vi mỗi lớp tốc độ âm biến thiên tuyến tính với độ sâu, tức gradient thẳng đứng của tốc độ âm trong mỗi lớp không đổi. Trong tr−ờng hợp này đ−ờng đi của tia âm sẽ là đ−ờng tròn với bán kính R xác định theo công thức (xem [1]) Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm 46 ασ cosc oCR = , (2) và tâm có các tọa độ: ασ= tg C x c o o ; c o o C z σ−= , (3) trong đó tốc độ âm tại nguồn phát; −oC −σc građien tốc độ âm theo ph−ơng thẳng đứng; −α góc ra của tia âm so với ph−ơng ngang, tức trục x . D−ới đây trình bày quy trình tính khúc xạ tia âm trong môi tr−ờng n−ớc biển do chúng tôi xây dựng để thực hiện tính toán tự động bức tranh khúc xạ tia âm trong n−ớc biển trong điều kiện bất đồng nhất tốc độ âm trên ph−ơng thẳng đứng (hình 1). Ph−ơng trình quỹ đạo đ−ờng tròn của tia âm trong lớp từ máy phát đến độ sâu sẽ có dạng: 1z 22 o 2 o R)zz()xx( =−+− . Sau khi thế các giá trị của vào ph−ơng trình này và rút gọn ta đ−ợc Rzx oo ,, 0z C 2zx tg C 2x c o2 c o2 =σ−+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ασ− . (4) Thế giá trị độ sâu vào toạ độ 1z z trong ph−ơng trình trên ta nhận đ−ợc ph−ơng trình đại số bậc hai đối với toạ độ d−ới dạng x 0 C 2z zx tg C 2x c o 11 c o2 =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ σ−+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ασ− . (5) i i' σc =const xoz = 0 Co C1 β z Ozo z = z1 Hình 1. Đ−ờng đi của tia âm trong n−ớc biển phân lớp Muốn tìm tọa độ ngang của giao điểm của tia âm với biên phân cách hai lớp ta phải giải ph−ơng trình (5) đối với ẩn số là 1z x . Có thể xảy ra ba tr−ờng hợp sau đây: Một số kết quả khảo sát tr−ờng tốc độ âm biển Đông 47 a) Khi ph−ơng trình (5) có hai nghiệm riêng biệt, tức có hai giá trị của , ta cần chọn lấy một nghiệm phù hợp: thí dụ, nếu đ−ờng 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 . x 1x 1z b) Khi ph−ơng trình có một nghiệm kép, giá trị nghiệm chính là tiếp điểm của tia âm với biên phân cách . Trong tr−ờng hợp này tia âm phản xạ toàn phần tại biên phân cách và tiếp tục đi lên phía trên. 1x 1z 1z c) Nếu ph−ơng trình vô nghiệm, điều đó có nghĩa rằng tia âm đã phản xạ toàn phần tại một độ sâu nhỏ hơn so với độ sâu đang xét. Trong tr−ờng hợp này phải tìm độ sâu nhỏ hơn, tại đó xảy ra phản xạ toàn phần của tia âm. Bằng giải tích điều này có thể thực hiện bằng cách khảo sát biệt số của ph−ơng trình (5), tức tìm giá trị sao cho thoả mãn đẳng thức: 1z 1z 1z 0tg C z C 2z 2 c o 1 c o2 1 =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ασ−σ− . (6) Thấy rằng có thể có hai giá trị của thoả mãn đẳng thức này và ng−ời ta phải chọn giá trị nào gần với độ sâu biên phân cách đã cho. 1z 1z Nếu tia âm tiếp tục đi xuống lớp d−ới, thì góc tới của tia âm tại biên phân cách sẽ đ−ợc xác định bằng cách tính trị số tang của góc nghiêng của tiếp tuyến với đ−ờng tròn quỹ đạo tia âm (4) tại điểm . Lấy đạo hàm i 1z )z ,x( 11 dx dz theo ph−ơng trình (4) ta đ−ợc công thức tính góc giữa trục và tia âm tại điểm nh− sau: x ),( 11 zx 0 0 1 0 0 1 1 C z tg C x dx dz tg 1zz 1xx σ− ασ−==α = = . (7) Từ điểm có toạ độ ta tiếp tục tính quỹ đạo tia âm trong lớp từ tầng quan trắc đến tầng quan trắc theo quy trình hoàn toàn t−ơng tự nh− trên và quá trình tính lặp lại cho đến tầng cuối cùng của trạm quan trắc hoặc tới đáy. ),( 11 zx 1z 2z 3. Một số đặc điểm phân bố tốc độ âm ở vùng khơi biển Đông và các đặc tr−ng đ−ờng đi của tia âm Trên hình 2 dẫn thí dụ về phân bố thẳng đứng của nhiệt độ, độ muối và tốc độ âm tại một điểm thuộc vùng khơi biển Đông trong tháng Giêng. Sự biến thiên mạnh của nhiệt độ trong lớp nêm nhiệt mùa quyết định sự giảm tốc độ âm trong lớp trên của biển từ mặt tới khoảng độ sâu 800−1000 m. Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm 48 5 10 15 20 25 -2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 34.3 34.4 34.5 34.6 -2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 1490 1500 1510 1520 1530 -2000 -1800 -1600 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 a) b) c) Hình 2. Phân bố thẳng đứng nhiệt độ (a), độ muối (b) và tốc độ âm (c) tại điểm 110,5oKĐ−13,5oVB Độ muối th−ờng không có vai trò đáng kể làm biến thiên tốc độ âm. Tại một số điểm, các tháng mùa đông, do ảnh h−ởng của l−ỡi n−ớc lạnh, mặn từ phía đông bắc biển xâm nhập vào biển gây nên cực đại cục bộ của độ muối tại độ sâu vài trăm mét (xem hình 2 b) chỉ làm cho phân bố tốc độ âm ít nhiều thay đổi trong lớp này. Vai trò của nhiệt độ mặt biển thể hiện ở sự phân hóa tốc độ âm theo đới bắc nam thể hiện khá rõ vào mùa đông. Trong các tháng mùa đông dòng chảy lạnh góp phần hình thành các đ−ờng đẳng trị tốc độ âm có dạng l−ỡi xâm nhập từ phía bắc và đông bắc biển (hình 3). Trong mùa hè tr−ờng tốc độ âm mặt biển đồng nhất hơn, nh−ng tồn tại một vùng thiên giảm tốc độ âm trùng với vùng hoạt động của n−ớc trồi gần bờ Nam Trung Bộ, Việt Nam (hình 4). Bắt đầu từ khoảng độ sâu 800 − 900 m hoặc 1000−1200 m, khi nhiệt độ không còn biến thiên mạnh theo độ sâu thì vai trò của áp suất bắt đầu làm tăng tốc độ âm. Vì vậy tại vùng khơi biển Đông th−ờng quan sát thấy cực tiểu chính của tốc độ âm ở các độ sâu khoảng từ 900 đến 1200 m phù hợp với quy luật chung của vùng nhiệt đới Thái Bình D−ơng. Hình 7 là thí dụ về bản đồ phân bố độ sâu cực tiểu chính của tốc độ âm (trục kênh âm ngầm đại d−ơng). Một số kết quả khảo sát tr−ờng tốc độ âm biển Đông 49 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Hình 3. Phân bố tốc độ âm trên mặt biển Đông, tháng 1 Trên hình 5 biểu diễn bức tranh đ−ờng đia của tia âm tính cho tr−ờng hợp góc mở các tia bằng 30, 20, 15, 10, 5o so với ph−ơng ngang trong hai tr−ờng hợp: nguồn phát ở gần mặt (độ sâu 30 m) và trên hình 6 là bức tranh t−ơng tự với nguồn phát tại độ sâu cực tiểu chính của tốc độ âm (1000 m). Nếu vẽ chi tiết đ−ờng đi của các tia âm trong tr−ờng hợp nguồn phát đặt tại độ sâu 30 m, ta nhận thấy rằng trên mặt biển, gần nguồn phát là một vùng tối âm có bán kính khoảng 50 m, còn vùng sáng âm thứ nhất trên mặt biển, gọi là vùng sáng gần nguồn, là một vành khuyên với bán kính ngoài biến thiên từ 300 đến 500 m. Ta thấy rằng, do độ sâu biển nhỏ hơn so với các độ sâu đại d−ơng và độ muối ở các tầng sâu th−ờng chỉ bằng khoảng 35%o, nên kênh âm ngầm ở biển Đông thuộc loại kênh với tốc độ âm tại đáy biển nhỏ hơn nhiều so với tốc độ trên mặt biển và biến thiên tốc độ âm theo độ sâu không lớn. Khảo sát đ−ờng đi của các tia âm trong tr−ờng hợp nguồn ở độ sâu trục kênh âm ngầm và góc mở cực đại 30o so với ph−ơng ngang thấy rằng chỉ có các tia với góc đi ra khỏi nguồn rất nhỏ mới có thể có khả năng phản xạ bên trong bề dày n−ớc biển. Phần các tia còn lại th−ờng phản xạ tại đáy và mặt biển với năng l−ợng giảm đi khá nhiều. Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm 50 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Hình 4. Phân bố tốc độ âm trên mặt biển Đông, tháng 7 Hình 5. Đ−ờng đi của các tia âm tại điểm có tọa độ 110,5oKĐ - 13,5oVB (nguồn phát ở độ sâu 30 m) Một số kết quả khảo sát tr−ờng tốc độ âm biển Đông 51 Hình 6. Đ−ờng đi của các tia âm tại điểm có tọa độ 110,5oKĐ - 13,5oVB (nguồn phát ở độ sâu 1000 m - độ sâu cực tiểu chính của tốc độ âm) 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Hình 7. Phân bố độ sâu cực tiểu chính của tốc độ âm ở biển Đông, tháng 1 Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm 52 Kết luận Đã khai thác một cơ sở dữ liệu khá đầy đủ về nhiệt độ và độ muối để nhận đ−ợc những đặc tr−ng trung bình về tr−ờng tốc độ âm và bức tranh truyền âm trong n−ớc ở biển Đông. Với điều kiện biển Đông, nhiệt độ n−ớc có vai trò chính ảnh h−ởng tới phân bố không gian của tốc độ âm, gây nên sự phân hóa tốc độ âm lớp gần mặt vào mùa đông với các đ−ờng đẳng trị tốc độ âm chạy theo h−ớng đông bắc - tây nam và có dạng l−ỡi. Trong mùa hè yếu tố n−ớc trồi lạnh tạo thành một vùng tốc độ âm nhỏ t−ơng đối ở vùng gần bờ Nam Trung Bộ. Tại phần lớn các điểm thuộc vùng khơi biển Đông quan sát thấy cực tiểu chính của tốc độ âm ở các độ sâu 900−1200 m phù hợp với quy luật chung của vùng nhiệt đới Thái Bình D−ơng. Kênh âm ngầm ở biển Đông thuộc loại kênh với gradient tốc độ âm không lớn và tốc độ âm tại đáy nhỏ hơn nhiều so với tại mặt. Kết quả tính đ−ờng đi tia âm đối với tr−ờng hợp nguồn tại độ sâu 30, góc mở của nguồn 30o nhận đ−ợc bán kính vùng tối âm trên mặt khoảng 50 m, bán kính ngoài của vành khuyên sáng âm gần nguồn trên mặt bằng khoảng 300 đến 500 m. Công trình này đ−ợc thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí của đề tài “Nghiên cứu tr−ờng thủy âm và tr−ờng sóng nội của vùng biển Việt Nam”, mã số KC-09-18 và đề tài cơ bản ”Phân tích và dự báo các tr−ờng khí t−ợng thủy văn biển Đông”, mã số 742804. Tài liệu tham khảo 1. Phạm Văn Huấn, Tính toán trong hải d−ơng học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003, 244 tr. 2. Phạm Văn Thục, Một số đặc điểm của tr−ờng sóng âm tại vùng biển Việt Nam, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị khoa học công nghệ biển toàn quốc lần thứ IV, Hà Nội, 1999, tr. 244-250. 3. Phạm Văn Thục, Trạng thái âm học vùng n−ớc trồi Nam Trung Bộ, Các công trình nghiên cứu địa chất và địa vật lý biển, tập V, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1999, tr.198-211. 4. Μαлинин В. Н. Общая Οкеанология. Часть1: Физическаие процессы. Санкт Πетербург, 1998, 400 с. VNU. JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xXI, n03AP., 2005 some results of The investigation of the sound velocity field in the south-china sea Pham Van Huan, Pham Hoang Lam Department of Hydro-Meteorology & Oceanography College of Science, VNU The data base of 137 181 temperature and salinity profiles on the South-china sea were used to compute the sound speed in sea water. The area restricted from 99oE to 120oE and from 2oN đến 24oN was devided into a mesh domain with the maesh size Một số kết quả khảo sát tr−ờng tốc độ âm biển Đông 53 of 0,5o in longitudial and latitudial directions. The monthly averaged profiles of sound speed were calculated at each maesh and the sound speed vertical sections along the parallels 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11 and 10oN were builed up. By the analysis of the horizontal distribution of sound speed it was found that in winter period the water transport by the winter cold currents has decreased the sound speed in the suface layer in the north and the northeast of the South-china sea. In the whole open area of the sea a main layer of minimal sound speed was observed at the depths regularly from 800 to 1000 m and deeper, 1200 m, in the centre of the sea. The results of computing the sound refraction patterns for a source with 30o open angle located at depth of 30 m denoted a surface circle of shadow zone with radius of about 50 m. The last limiting ray reached the sea surface at a distance about 300-500 m from the source.