Sóng biển và những điều không phải ai cũng biết
Các nền văn hóa đều có những giải thích trực quan về mối quan hệ giữa gió và sóng. Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã có những nghiên cứu mới và giải thích hiện tượng mới của sóng biển.
Điều gì ảnh hưởng đến sóng?
Giả sử một cơn gió thổi ngang qua đại dương tĩnh lặng, điều kiện nào sẽ tạo ra sóng? Các lực ở đây gồm có lực hấp dẫn và sức căng bề mặt nước. Lý thuyết động lực học của mặt phân cách giữa không khí và biển dẫn đến lực ép phải liên tục và động lượng được bảo toàn trong cả hai chất lỏng.
Có thể mô tả các điều kiện đó bằng phương trình Navier – Stokes. Trong trường hợp sóng nhỏ và chất lỏng không chứa xoáy, phương trình này có dạng tuyến tính và hoạt động giống như một bộ dao động điều hòa đơn giản, và sóng sẽ phát ra và truyền theo phương ngang và có tính phân tán.
Nhưng hệ thống sẽ trở nên phức tạp hơn khi các sóng không còn tuyến tính, hoặc khi dòng chảy trong không khí hoặc nước có chứa xoáy. Hơn nữa các điều kiện biên phải được giải lại ngay khi sóng thay đổi, bản thân nó là một biến phụ thuộc của hệ thống. Điều đó khiến cho bài toán trở nên rất phức tạp, đòi hỏi phải sử dụng các phương trình Navier – Stokes phi tuyến tính tại tất cả các điểm trong ranh giới không khí – mặt biển và trên nhiều tỷ lệ khác nhau.
Phương pháp thống kê áp dụng cho sóng đang được sử dụng nhiều nhất. Chúng giúp giải ra các trường hợp thực tiễn và mang lại giá trị lớn đối với các nhà hàng hải, các hoạt động an ninh quốc gia và cả những người lướt sóng. Các mô hình dựa trên số liệu thống kê về độ cao của sóng. Một đại lượng được gọi là tác động của sóng, có tính đến ảnh hưởng của dòng điện lên sóng, là đại lượng bảo toàn cơ bản.
Người ta ví sóng trong dòng chảy như một con lắc có chiều dài dây thay đổi được. Khi chiều dài của con lắc thay đổi thì năng lượng của hệ cũng vậy. Tương tự, sóng nước trao đổi năng lượng với các dòng chảy, nhưng tác động của sóng vẫn được bảo toàn, điều này làm cho nó trở thành đặc điểm trung tâm trong các mô hình sóng thống kê.
Bổ sung những hiểu biết mới
Trong một bài tổng hợp vào năm 1956 về chủ đề này, Fritz Ursell, thành viên nhóm W đã viết rằng hiểu biết của các nhà hải dương học về sự tạo sóng do gió là “chưa thỏa mãn.” Và hai nhà khoa học trẻ đã đáp lại lời kêu gọi hành động của ông: John Miles của Đại học California và Owen Phillips của Đại học Cambridge.
Cơ chế Miles là một sự không ổn định của dòng cắt theo tinh thần của lý thuyết ban đầu của Kelvin và Helmholtz. Tuy nhiên Miles có cái nhìn đặc biệt quan trọng và tính toán ra cấu hình gió trung bình dựa trên các đặc tính của dòng chảy gần với một ranh giới. Ông đưa ra mô hình bảo toàn bán nguyệt, trong đó sự không ổn định của dòng chảy xảy ra ở độ cao tới hạn - cụ thể là ở nơi tốc độ gió khớp với tốc độ pha của sóng đang phát triển.
Sự không ổn định là kết quả của tương tác giữa sóng bề mặt và sự nhiễu loạn nó gây ra ở độ cao đó. Tương tác này đến lượt nó loại bỏ năng lượng và động lượng từ gió và tạo ra sóng. Tốc độ phát triển của những con sóng đó không phụ thuộc vào tốc độ gió hoặc độ thay đổi của nó mà phụ thuộc vào độ cong của mặt cắt gió ở độ cao tới hạn.
Cũng giống như Miles, Phillips đã đề xuất một cơ chế dựa trên sự cộng hưởng giữa sóng bề mặt và dao động áp suất trong gió. Nghĩa là, gió có một thành phần hỗn loạn là một tập hợp các dòng xoáy khi nó thổi trên mặt nước. Các nhiễu loạn áp suất liên quan đến các dòng xoáy đó hoạt động trên bề mặt nước, tạo ra các sóng nhỏ (wavelets). Nếu những wavelet đó cùng với áp suất nhiễu loạn di chuyển với tốc độ của sóng trọng lực bề mặt tự do, thì một sự cộng hưởng xảy ra và wavelet có thể phát triển thành sóng.
Lý thuyết Phillips mới chỉ được khẳng định gần đây thông qua các thí nghiệm chi tiết trong phòng thí nghiệm và mô phỏng số của dòng chảy hỗn loạn. Kết quả cho thấy lý thuyết này chính xác ở những giai đoạn đầu của quá trình tạo sóng và cung cấp một cơ chế mà bề mặt đại dương chuyển từ hoàn toàn nhẵn sang gợn sóng. Khi những gợn sóng đó đạt được biên độ vài mm, các cơ chế tăng trưởng khác sẽ xảy ra và sự truyền năng lượng phi tuyến giữa các sóng trở nên chiếm ưu thế.
Mặc dù có nhiều điều hấp dẫn nhưng cả hai lý thuyết đều có những hạn chế. Một mặt, lý thuyết Phillips dự đoán rằng các biên độ sóng phát triển tuyến tính theo thời gian nhưng yếu. Và như đã đề cập ở trên, điều đó dường như chỉ áp dụng trong giai đoạn đầu của quá trình tăng trưởng. Một khi sóng lớn hơn và dài hơn, cơ chế Miles trở nên thống trị: Sóng phát triển theo cấp số nhân trong thời gian và với tốc độ phát triển lớn hơn nhiều so với cơ chế Phillips.
Cơ chế của Miles còn bỏ qua sự hỗn loạn và ảnh hưởng của nó đối với sự nhiễu loạn do sóng gây ra đối với dòng khí quyển. Đối với sóng ngắn, độ cao tới hạn nằm gần với bề mặt - một vùng mà các dòng xoáy hỗn loạn được hình thành từ từ so với thời gian tồn tại của chúng.
Sau đó thì những xoáy nước đó có thể tương tác với các sóng và các quá trình khác thay thế, có thể là hỗn loạn, sẽ trở nên chi phối trong phạm vi các bước sóng ngắn đó. Các hạn chế khác của cơ chế Miles bao gồm nó không xử lý các hiệu ứng phi tuyến trong dòng chảy, ảnh hưởng của độ nhớt và tương tác giữa các sóng có bước sóng ngắn và dài.
Nguyễn Linh (T/h)
