Sóng nội (Internal wave)

Nguyên nhân hình thành sóng nội

Sự phân tầng mật độ trong chất lưu là yếu tố chính tạo ra sóng nội. Sự phân tầng này có thể do sự khác biệt về nhiệt độ, độ mặn (trong đại dương) hoặc độ ẩm (trong khí quyển). Khi mặt phân cách giữa các lớp mật độ bị nhiễu loạn, ví dụ do thủy triều, dòng chảy qua địa hình gồ ghề dưới đáy biển, gió thổi qua núi, hoặc sự chuyển động của tàu thuyền, sóng nội sẽ được hình thành. Lực khôi phục chính cho sóng nội là lực đẩy Archimedes, có xu hướng đưa chất lưu về trạng thái cân bằng phân tầng. Chính xác hơn, lực khôi phục này là do hiệu ứng kết hợp của trọng lực và lực đẩy Archimedes tác động lên phần tử chất lưu bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng.

Đặc điểm của sóng nội

Sóng nội có một số đặc điểm khác biệt so với sóng bề mặt:

• Chu kỳ dài hơn: Sóng nội có chu kỳ dao động từ vài phút đến vài giờ, thậm chí vài ngày, dài hơn nhiều so với sóng bề mặt.
• Bước sóng lớn hơn: Bước sóng của sóng nội có thể từ vài mét đến hàng trăm km.
• Biên độ lớn hơn: Biên độ của sóng nội có thể đạt tới hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm mét, lớn hơn nhiều so với sóng bề mặt.
• Tốc độ lan truyền chậm hơn: Tốc độ lan truyền của sóng nội phụ thuộc vào sự chênh lệch mật độ giữa các lớp chất lưu và chiều sâu của nước. Công thức tính tốc độ pha $c$ của sóng nội xấp xỉ được cho bởi: $c \approx \sqrt{g’h}$, trong đó $g’ = g \frac{\Delta \rho}{\rho}$ là gia tốc trọng trường hiệu dụng, $g$ là gia tốc trọng trường, $\Delta \rho$ là sự chênh lệch mật độ giữa hai lớp, $\rho$ là mật độ trung bình, và $h$ là độ sâu của lớp chất lưu. Do $g’ < g$ nên tốc độ sóng nội nhỏ hơn nhiều so với sóng bề mặt.

Ảnh hưởng của sóng nội

Sóng nội có vai trò quan trọng trong nhiều quá trình vật lý đại dương và khí quyển:

• Trộn lẫn các lớp nước: Sóng nội có thể phá vỡ và tạo ra sự hỗn loạn, giúp trộn lẫn các lớp nước có nhiệt độ và độ mặn khác nhau. Điều này ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt và muối trong đại dương, cũng như sự sống của các sinh vật biển.
• Ảnh hưởng đến hải lưu: Sóng nội có thể tương tác với hải lưu và thay đổi hướng cũng như tốc độ của chúng.
• Ảnh hưởng đến sự lan truyền âm thanh dưới nước: Sóng nội có thể khúc xạ và tán xạ sóng âm, gây khó khăn cho việc phát hiện tàu ngầm.
• Tạo ra các hiện tượng trên bề mặt biển: Mặc dù sóng nội là sóng bên trong chất lưu, nhưng chúng có thể biểu hiện trên bề mặt biển dưới dạng các vệt nước lặng sóng xen kẽ với các vệt nước gợn sóng. Hiện tượng này đôi khi có thể quan sát được từ vệ tinh.

Nghiên cứu sóng nội

Sóng nội được nghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm quan trắc từ tàu biển, vệ tinh, thiết bị lặn tự hành (AUV) và mô hình số. Việc hiểu rõ về sóng nội là rất quan trọng để dự đoán thời tiết, biến đổi khí hậu, và quản lý tài nguyên biển.

Phân loại sóng nội

Sóng nội có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, dựa trên nguyên nhân hình thành và đặc điểm lan truyền. Một số loại sóng nội phổ biến bao gồm:

• Sóng nội thủy triều: Hình thành do sự dao động của thủy triều trên địa hình gồ ghề dưới đáy biển. Đây là loại sóng nội phổ biến nhất và thường có chu kỳ bán nhật triều hoặc nhật triều.
• Sóng nội do gió: Hình thành do gió thổi qua các dãy núi hoặc các địa hình gồ ghề khác.
• Sóng nội quán tính: Hình thành do sự quay của Trái Đất và có chu kỳ phụ thuộc vào vĩ độ. Chu kỳ quán tính $T_f$ được tính theo công thức: $T_f = \frac{2\pi}{|f|}$, trong đó $f = 2\Omega \sin(\phi)$ là tham số Coriolis, $\Omega$ là tốc độ góc quay của Trái Đất, và $\phi$ là vĩ độ.

Phương pháp quan sát và nghiên cứu

Việc nghiên cứu sóng nội sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm:

• Quan sát từ vệ tinh: Vệ tinh sử dụng radar và các thiết bị khác để đo độ cao mặt biển, từ đó suy ra sự hiện diện của sóng nội. Cụ thể hơn, sóng nội gây ra sự biến đổi nhỏ trên bề mặt biển, và sự biến đổi này có thể được phát hiện bởi radar vệ tinh.
• Quan sát từ tàu biển: Các thiết bị đo đạc trên tàu biển, như CTD (Conductivity, Temperature, Depth – Đo độ dẫn điện, Nhiệt độ, Độ sâu), có thể đo trực tiếp sự thay đổi nhiệt độ, độ mặn và mật độ theo độ sâu, giúp xác định đặc điểm của sóng nội.
• Mô hình số: Các mô hình số sử dụng các phương trình vật lý để mô phỏng sự hình thành và lan truyền của sóng nội. Các mô hình này cho phép nghiên cứu sóng nội trong điều kiện lý tưởng hóa và kiểm tra các giả thuyết.
• Thí nghiệm trong phòng lab: Các thí nghiệm trong phòng lab sử dụng các bể nước phân tầng để mô phỏng sự hình thành và lan truyền của sóng nội trong điều kiện kiểm soát. Điều này cho phép nghiên cứu chi tiết các cơ chế hình thành và lan truyền của sóng nội.

Ứng dụng của nghiên cứu sóng nội

Hiểu biết về sóng nội có nhiều ứng dụng quan trọng:

• Dự báo thời tiết biển: Sóng nội ảnh hưởng đến sự trộn lẫn nước, do đó ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt biển và các yếu tố khí tượng khác.
• Nghiên cứu biến đổi khí hậu: Sóng nội đóng vai trò trong việc vận chuyển nhiệt và muối trong đại dương, ảnh hưởng đến hệ thống khí hậu toàn cầu.
• Quản lý tài nguyên biển: Sóng nội ảnh hưởng đến sự phân bố của các sinh vật biển và các chất dinh dưỡng.
• Thiết kế công trình biển: Sóng nội có thể tác động lên các công trình biển như giàn khoan dầu khí, do đó cần được xem xét trong quá trình thiết kế.
• Hàng hải: Sự hiểu biết về sóng nội có thể giúp cải thiện độ chính xác của các hệ thống định vị dưới nước.

• Sutherland, Bruce R. Internal Gravity Waves. Cambridge University Press, 2010.
• Garrett, Chris, and Erich Kunze. “Internal Tide Generation in the Deep Ocean.” Annual Review of Fluid Mechanics 39.1 (2007): 57-87.
• Munk, Walter. “Internal waves and small-scale processes.” The Evolution of Physical Oceanography (1981): 264-291.
• Jackson, C. R. An Atlas of Internal Solitary-like Waves and Their Properties. Global Ocean Associates, 2004.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài thủy triều và gió, còn những yếu tố nào khác có thể gây ra sóng nội?

Trả lời: Ngoài thủy triều và gió, sóng nội còn có thể được tạo ra bởi các yếu tố khác như dòng chảy gặp vật cản dưới đáy biển, sự sụt lở đất dưới nước, sự di chuyển của tàu bè lớn, và thậm chí cả sự tan chảy của băng ở các vùng cực.

Làm thế nào để phân biệt sóng nội với sóng bề mặt khi quan sát từ xa (ví dụ từ vệ tinh)?

Trả lời: Mặc dù sóng nội nằm bên dưới mặt nước, chúng có thể tạo ra những dấu hiệu nhận biết trên bề mặt. Quan sát từ vệ tinh, sóng nội thường biểu hiện dưới dạng các dải nước lặng xen kẽ với các dải nước gợn sóng, tạo thành những hoa văn đặc trưng. Khác với sóng bề mặt, những hoa văn này di chuyển chậm hơn và có quy mô lớn hơn. Ngoài ra, sóng nội ít bị ảnh hưởng bởi gió hơn so với sóng bề mặt.

Sóng nội có thể gây ra những nguy hiểm nào cho các hoạt động của con người trên biển?

Trả lời: Sóng nội có thể tạo ra dòng chảy mạnh và bất ngờ, gây khó khăn cho việc điều khiển tàu thuyền, đặc biệt là tàu ngầm. Chúng cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các giàn khoan dầu khí và các công trình biển khác. Ngoài ra, sự trộn lẫn nước do sóng nội gây ra có thể ảnh hưởng đến chất lượng nước và sự phân bố của các sinh vật biển.

Gia tốc trọng trường hiệu dụng $g’$ có ý nghĩa gì trong việc nghiên cứu sóng nội?

Trả lời: Gia tốc trọng trường hiệu dụng $g’ = g \frac{\Delta \rho}{\rho}$ thể hiện lực phục hồi tác động lên khối nước bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng do sóng nội. Nó phụ thuộc vào sự chênh lệch mật độ $\Delta \rho$ giữa các lớp nước. Giá trị $g’$ nhỏ hơn nhiều so với gia tốc trọng trường $g$, điều này giải thích tại sao tốc độ lan truyền của sóng nội chậm hơn nhiều so với sóng bề mặt.

Làm thế nào để mô hình số giúp nghiên cứu sóng nội?

Trả lời: Mô hình số sử dụng các phương trình vật lý, ví dụ như phương trình Navier-Stokes, để mô phỏng sự hình thành và lan truyền của sóng nội. Chúng cho phép các nhà khoa học nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau, như địa hình đáy biển, thủy triều và gió, đến đặc điểm của sóng nội. Mô hình số cũng có thể được sử dụng để dự báo sự xuất hiện và lan truyền của sóng nội trong tương lai.