Chương Mở đầu Ngay từ thời xa xưa, loài người đà biết khai thác biển để tìm kiếm lợi ích thương mại, kinh tế, vận tải chiến tranh Họ đà tìm cách chế tạo thuyền biển dựa hình dáng thô sơ thuyền độc mộc chạy sông có từ thời văn minh cổ đại (hình 1.1) MÃi kỷ 15, chuyến hành trình khám phá đại dương cách có quy mô bắt đầu, chuyến thám hiểm nhỏ đà tạo nên dấu ấn lịch sử ngành Hải dương Đáng ý tuyến hành trình từ Châu Âu, Bắc Phi Trung Đông đến Đại Tây Dương (ĐTD), ấn Độ Dương (AĐD) số tiểu vùng quan trọng phía tây Thái Bình Dương (TBD) người Polinedi Melanedi thực Tuy nhiên, người thám hiểm đại dương lại người Châu Âu mà người Trung Quốc Ngay từ đầu năm 1400 người Trung Quốc đà có chuyến du hành đường biển tới vùng bờ phía đông Châu Phi trước người Bồ Đào Nha chuyến họ không mục đích tìm kiếm thuộc địa hay thương mại Hình 1.1: Mô hình thuyền độc mộc người Ai Cập cổ đại (khoảng 2000 năm trước công nguyên) dựa theo nguyên mẫu khảo cổ nhà mồ Thebes 1.1 Đo vẽ đồ đại dương Vào kỷ thứ 15, với hưng thịnh thời kỳ Phục Hưng người Châu Âu bắt đầu tiên phong chuyến hành trình dài khám phá đại dương Được bảo trợ qúy tộc giàu có Thái tử Henry, nhà hàng hải người Bồ Đào Nha, chuyến hành trình xuyên đại dương đà khuyến khích với mục đích cá nhân, đồng thời để tìm đường giao thương Liên tục suèt qu·ng thêi gian kÐo dµi tõ thÕ kû thø 15 đến kỷ thứ 18 chuyến thám hiểm Columbus, Magellan, Cook số người khác dẫn đầu Đó người có kiến thức rộng địa lý nắm vững việc sử dụng kỹ thuật biển thời Các chuyến hành trình họ việc tìm kiếm vùng đất nhằm mục đích mở rộng vùng thuộc địa Châu Âu toàn giới Có thể nói, chuyến thám hiểm chuyến đầy nguy hiểm hạn chế phương tiện kỹ thuật hàng hải thiết bị định vị tàu rời khỏi tầm nhìn thấy đất liền Một vài công cụ biển thô sơ thời giúp họ xác định vị trí kinh độ tàu biển mà khả xác định vĩ độ cho dù theo cách đơn giản đồng hồ đo tọa độ congtomet đời vào cuối kỷ thứ 18 Trong bối cảnh đó, đồ đại dương Halley lập năm 1701 (hình 1.2) có ý nghĩa lớn Hình thái Đại Tây Dương xác định đồ Halley không hoàn toàn trùng khớp với vẽ thực trước 200 năm, vị trí đường bờ đà biểu diễn xác theo kinh độ đường đẳng giác (đường giá trị góc lệch kinh tuyến từ kinh tuyến địa lý) Hình 1.2: Bản đồ đẳng giác Edmund Halley thành lập năm 1701 sở liệu thu thập chuyến hành trình tàu Paramour Pink (1698-1700) Nguồn : Bản đồ ng­êi” N.J.W Thrower (1972) Maps and Man, NXB Prentice-Hall H×nh 1.3: Bản đồ giới Juan de la Cosa thực vào năm 1500 Ông hoa tiêu chuyến thám hiểm thứ hai Columbus Nguồn: bảo tàng hàng hải Mardrid; ảnh Arxiu Mas Hình 1.4: (a) Hành trình tàu HMS Challenger, 6/1872; (b) Tàu HMS Challenger, 1872 Đây tàu gỗ chạy nước có trọng tải 2306 Hệ thống thông tin hải dương học ban đầu dựa vào kết qủa khảo sát thực địa việc tiến hành thành lập sơ đồ đường bờ, lượng thông tin có không khác biệt nhiều so với kiến thức người biển ngư dân Trước đó, chuyến khảo sát vùng đáy sâu đại dương đếm đầu ngón tay thường không đem lại nhiều kết qủa Chẳng hạn chuyến khảo sát độ sâu vùng trung tâm đáy biển Thái Bình Dương Magellan thực vào đầu kỷ thứ 16 Ông đà sử dụng phương pháp dây dọi để xác định độ sâu đáy biển, độ sâu khu vực nghiên cứu qúa lớn nên không thu kết qủa Sau nhiều chuyến khảo sát khác tiếp tục thực ngày hoành tráng vào kỷ thứ 19, đáng kể chuyến khảo sát quy mô lớn nhằm xây dựng hệ thống thông tin liệu hải dương học tàu Challenger thực kéo dài từ năm 1872 đến năm 1876 phủ Anh bảo trợ (hình1.4b) Các số liệu mà tàu Challenger thu thập chuyến hành trình đa dạng phong phú chủng loại Sau đó, toàn đầu số liệu đà xuất thành 50 tập sách, đánh dấu đời ngành khoa học biển Nhiều nội dung nghiên cứu khoa học khác đại dương phát triển giai đoạn Ngay từ trước kỷ thứ 19, người biển đà nhận thức tồn dòng hải lưu chúng làm cản trở làm tăng tốc độ hành trình họ Ví dụ chuyển động thuận nghịch theo mùa dòng chảy Somali, khơi vùng biển Đông Phi đà ghi nhận tài liệu cổ từ kỷ thứ hay thay đổi màu nước biển xuất loài thực vật rong tảo vùng khơi xa đà minh chứng thêm diện dòng chảy đại dương Tuy nhiên khó khăn hoạt động hàng hải đại dương việc xác định vận tốc dòng hải lưu chuyển động chúng tương quan với đặc điểm cố định dễ xác định giống mối tương quan dòng chảy ven bờ với đặc điểm địa hình vùng bờ 1.1.1 Các phương pháp định vị hàng hải Mặc dù khó khăn mà nhà thám hiểm trước gặp phải việc xác định vị trí tàu biển đại dương đà khắc phục kỹ thuật công nghệ đại việc điều khiển tàu khu vực gần bờ thuận lợi họ so đại dương mênh mông Việc định vị tàu khu vực chủ yếu dựa vào giới hạn tầm nhìn từ tàu tới đất liền, nhiên (ngoài lý thời tiết xấu biển động) số yếu tố tự nhiên độ cong trái đất, độ cao trạm quan sát (có thể trạm phát sóng rađa) độ cao vật định vị đất liền làm ngắn giới hạn khoảng cách tầm nhìn (hình 1.5) Hình 1.5: Giới hạn tầm nhìn độ cong bề mặt trái đất (không theo tỉ lệ) Tại vị trí quan sát có độ cao m so với mực nước biển, giới hạn tầm nhìn mắt người 7,5km họ nhìn thấy vật thể cao 10m đến 20m so với mực nước biển khoảng cách 7,5 + 11 = 18,5km 7,5 + 16 = 23,5km Khi gặp điều kiện thời tiết xấu đêm tối, việc sử dụng trạm rađa thu phát (sóng radio) thuận lợi Sự phát xạ chùm tia xoay tròn dạng sóng vô tuyến (tần số từ 3000-10000MHz; MHz = megahertz, 1MHz = 106Hz Hertz (Hz) đơn vị tần số = chu kỳ/giây) từ tàu nhanh chóng bị phản hồi trở lại gặp vật thể nằm chắn đường chúng Dựa vào khoảng thời gian tín hiệu truyền thu nhận trở lại, người ta xác định khoảng cách phương hướng theo chiều phản hồi tia phản xạ Nói chung, khoảng thời gian ngắn sóng vô tuyến dạng xạ ®iƯn tõ cã tèc ®é lan trun b»ng tèc ®é ¸ng s¸ng (  108ms-1) §é chÝnh x¸c cđa phương pháp định vị mắt thường rađa áp dụng giới hạn khoảng cách từ hàng chục đến hàng trăm m, bị hạn chế giới hạn tầm nhìn, phạm vi phát hẹp (hình 1.5) Đối với hệ thống định vị vô tuyến tầm xa, người ta sử dụng mạng lưới trạm thu phát đất liền để phát xung tín hiệu vô tuyến liên tục có tần số từ 10kHz đến 2MHz, tia có khả lan truyền vòng theo độ cong vỏ trái đất Các máy thu đặt tàu đón nhận chùm tia giao thoa từ trạm phát khác cho biết vị trí tàu thông qua hệ quy chiếu thống Tuy nhiên, khoảng cách độ xác hệ thống không giống Thí dụ : hệ Decca có tầm xa chừng 500km độ xác điều kiƯn tèi ­u lµ  50m, hƯ Omega có phạm vi sử dụng rộng, áp dụng định vị hàng hải với độ xác 2-3km Phương pháp định vị hàng hải dựa vào thiên văn học xem phương pháp truyền thống Trong phương pháp này, người ta sử dụng kính lục phân để đo góc lệch mặt trời, mặt trăng, hành tinh theo đường chân trời vào thời điểm xác định Dựa vào bảng tra cứu biết chuyển động thiên thể hai số chúng giúp ta định vị vị trí cần xác định Nhưng phương pháp cho độ xác phạm vi vài km kể điều kiện thêi tiÕt lý t­ëng vµ chØ cã thĨ thùc hiƯn lúc quan sát thấy thiên thể đường chân trời Mặt trời, mặt trăng đường chân trời nhìn thấy vào ban ngày, ban đêm vị trí đường chân trời không dễ tìm thấy việc quan trắc hành tinh thường thực vào cuối ngày đường chân trời nhìn thấy rõ Ngoài việc lắp đặt sử dụng kính lục phân tàu chuyển động đòi hỏi nhiều kỹ thao tác, công sức thời gian tính toán Mặc dù phương pháp định vị hàng hải thiên văn phương pháp định vị lâu ®êi ®· ®­ỵc sư dơng qua nhiỊu thÕ kû, nh­ng so sánh với phương pháp định vị vệ tinh Nhờ giúp đỡ vệ tinh phóng vào không gian bên trái đất, người ta định vị xác vị trí đại dương với sai số 100m điều kiện thời tiết Đây phương pháp Cục hải quân Hoa Kỳ phát triển ứng dụng vào năm 1967 Ngày nay, mạng lưới vệ tinh định vị sẵn sàng cho hoạt động hàng hải hàng không Một số vệ tinh quỹ đạo tầm cao (gần 20000km) cã thĨ “quan s¸t” cïng lóc mét vïng réng lớn địa cầu, số khác bay quỹ đạo thấp hơn, gần cực trái đất nên quan sát hết phần lớn điểm địa cầu trái đất quay (hình 1.6) Thông qua vệ tinh, vài tiếng phương tiện hoạt động biển không nhận tín hiệu định vị cho vị trí Đối với hoạt động biển, việc định vị xác có ý nghĩa lớn, mang tính sống Do vậy, theo nguyên tắc, tàu biển đại dương thường sử dụng từ hai phương pháp định vị trở lên phòng trường hợp bất trắc xảy Song hành với phương pháp định vị vƯ tinh víi nh÷ng øng dơng kü tht tiÕn tiÕn sử dụng rộng rÃi công tác nghiên cứu khoa học, thương mại quân đại dương phương pháp truyền thống hiệu qủa sử dụng khả ứng dụng đơn giản chúng Bảng 1.1 tổng hợp khoảng cách độ xác số phương pháp định vị hàng hải Bảng 1.1: Khoảng cách độ xác vài phương pháp định vị hàng hải Phương pháp định vị Khả sử dụng khoảng cách xác định Độ xác Mốc chuẩn ven bờ (mắt thường rađa) Trong phạm vi tầm nhìn ( 50km) 10 200m Hệ thống định vị sóng radio Khác hệ Ví dụ Decca ( 500km); Omega (khắp nơi) 10 100m 15km Định vị thiên văn Toàn cầu 10km Định vị vệ tinh Toàn cầu 0,1 200m Hình 1.6: Nguyên tắc định vị hàng hải vệ tinh Khi vệ tinh xoay theo tâm quỹ đạo cực, phát tín hiệu chứa thông tin độ cao, vị trí tốc độ bay Nhờ vệ tinh qua điểm A,B C hình vẽ, máy tính đặt bong tàu phân tích liệu vệ tinh phát để xác định vị trí tương quan tàu với vệ tinh, từ xác định vị trí bề mặt trái đất với sai số giới hạn vòng bán kính khoảng 100m 1.1.2 Phương pháp đo độ sâu Các đường đồng mức đồ địa hình đất liền xây dựng dựa số đo độ cao dạng địa hình so với mực nước biển, đường đồng mức đồ độ sâu biển đại dương dựa số độ sâu mực nước biển Vì vậy, việc đo đạc xác vị trí độ sâu độ cao yêu cầu tất yếu Trước máy đo độ sâu hồi âm đời, việc đo đạc độ sâu thực dụng cụ thô sơ thiếu độ xác cao Chẳng hạn, để đo độ sâu người ta dùng sợi dây dọi có buộc qủa nặng đầu dây thả xuống nước dùng ống dài thép chọc xuống đáy biển, kết qủa đo chiều dài đoạn dây ống thép thả Nhưng cách đo đạc có hiệu qủa vùng biển nông (hình 1.7), với vùng nuớc sâu đại dương phải cần đến hàng để hạ kéo dụng cụ đo lên dòng hải lưu gió đẩy tàu xê dịch khỏi vị trí ban đầu khiến dụng cụ đo hạ xuống nước không tư thẳng đứng kết độ sâu đo lớn nhiều giá trị thực tế Hơn nữa, vùng nước sâu việc xác định dọi chạm đáy khó trọng lượng sợi dây trở nên nặng dọi Vì khó khăn mà chuyến thám hiểm ba năm rưỡi tàu Challenger, nhà khoa học thu 300 số đo độ sâu vùng biển sâu Phương pháp đo độ sâu máy hồi âm sử dụng lần vào năm 1920 chuyến hành trình khảo sát biển Nhờ tính sử dụng cao, người ta thực hàng trăm phép đo vòng vài ngày cho phép thành lập đồ địa hình đáy đại dương với dạng địa sống núi ngầm ĐTD hay dÃy Carlsberg vùng thung lũng núi Phương pháp cho phép thực đo đạc cách nhanh chóng, liên tục xác Nguyên lý phương pháp truyền xung âm qua lớp nước xuống đáy biển, chạm đáy âm tự phản xạ trở lại máy đặt tàu thu nhận Dựa vào tốc độ lan truyền sóng âm nước khoảng thời gian hai thời điểm máy thu phát âm thanh, người ta tính độ sâu đáy biển Nếu xung âm phát đặn khoảng thời gian ngắn, sóng phản hồi ghi lại dạng đồ thị biểu diễn mặt cắt liên tục đáy đại dương (hình 1.8) Trong điều kiện lý tưởng, phép đo đạt độ xác đến vài mét vùng nước sâu Tuy nhiên, có số yếu tố gây nhiễu, chẳng hạn ảnh hưởng sóng bề mặt biển làm tàu tròng trành lên xuống tới vài mét, quan trọng tốc độ truyền âm nước biển dao động giới hạn 4% tuỳ theo độ muối, nhiệt độ áp suất nước biển Bằng cách sử dụng bảng tra cứu vùng đại dương khác toàn cầu, nhà nghiên cứu xử lý sơ số liệu đo (quy chuẩn thông dụng 1500m/s) Các sai sót xử lý dẫn đến sai số đáng kể độ sâu, chẳng hạn sai số tốc độ truyền âm 1% dẫn đến sai số tới 30m với cột nước sâu 3km Tần số âm dùng để đo độ sâu đại dương thường 5-30kHz Ngoài ra, sai số gặp phải khả phân giải yếu máy hồi âm, nguyên nhân phân kỳ chùm tia với góc phát khoảng 300 sóng âm truyền xuống ứng góc phát chùm tia quét diện tích lớn đáy đại dương với đường kính khoảng 1,5km độ sâu 3km Nhưng biến đổi địa hình đáy diện tích rõ độ sâu đo nông độ sâu thực tế bên tàu (hình 1.9 (b)) Các máy hồi âm có độ phân giải cao máy sử dụng chùm tia có góc phát hẹp, khoảng vài độ Để thiết kế vậy, máy trở nên cồng kềnh nên lý mà loại máy sử dụng rộng rÃi Một lý khác khiến máy hồi âm có chùm tia phân kỳ lớn sử dụng nhiều cho phép thực công việc đo đạc biển động tàu bị lắc lư mạnh, mà hoạt động hàng hải thường xuyên việc sử dụng loại máy thích hợp hiệu qủa so với thiết bị với chùm tia hẹp Song số nghiên cứu khảo sát biển quan trọng máy có độ phân giải cao cần thiết Hình 1.7: Phương pháp đo độ sâu dây dọi Đây phương pháp đo độ sâu sử dụng đầu kỷ thứ 20 (tranh Arthur Briscoe) Hình 1.8: Sơ đồ ghi máy đo độ sâu hồi âm vùng rìa thềm lục địa phía đông nước Mỹ Độ dốc mặt cắt tỷ lệ phóng đại gấp 12 lần theo trục đứng C¸c líp nhiƠu thĨ hiƯn sù tËp trung cđa c¸c tổ chức hữu mảnh vụn sinh vật chết kết qủa cho thấy ứng dụng hữu ích khác máy hồi âm Hình 1.9: (a) Chùm tia phân kỳ máy đo độ sâu echo-sounder có hình chóp với góc đỉnh 300 (b) Mặt cắt ngang phóng đại thể độ sâu thực (d), nằm đáy tàu, bị nhiễu tia phản xạ mạnh điểm tới vuông góc với độ sâu nông (h) h< d< l Do thời gian máy ghi lại th